河海大学水工建筑物土石坝2015.ppt
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1、l第一节 概述l土石坝故名思义,是由土料和石料堆筑而成的坝。因此,又称之为当地材料坝。既是一种最古老的坝型,也是现代世界各国普遍采用的一种坝型。l古老性如黄河大堤,安徽省寿县的安丰塘等都是建于春秋时代(公元前722公元前481年)或更早时期就已建成。l普遍性据1972年统计,全国共建成高于15米的土石坝12000余座,占所有各类坝型的95。目前世界上两座最高的坝均为土石坝 国内:陕西石头河坝:105m l一、土石坝的特点l(一)主要优点:l 1、就地取材。节省水泥、钢材、木材,并已积累相当丰富筑坝经验。l 2、适应地基的变形能力强。对地形、地质条件的要求在所有坝型中是最 低的。l 3、施工方法
2、灵活性大。由于构造简单,既适应于简单人工堆筑又适宜于高度机械化施工,不仅大大提高了施工速度,施工质量也容易保证。l 4、运用管理方便,工作可靠,便于维修扩建。并具有一定的抗震性。l(二)主要缺点:l 1、坝顶不能溢流,常需在河岸另开溢洪道或其他泄水建筑物,(如隧洞、坝下涵管)。l 2、施工导流不便。l 3、坝体断面大,土料填筑质量易受气候影响。l(三)根据坝身材料,土石坝分为:l 1、土坝;l2、堆石坝;l3、土石混合坝。l它们的工作条件,结构型式,施工方法等虽不完全相同,但它们之间并没有明显的区别,本章重点介绍土坝。对于堆石坝和土石混合坝,仅作一般介绍。l二、土坝的工作特点及基本要求l土坝构
3、成:由颗粒松散的土料构筑而成。l由于土粒间联结力较低,在渗流、冲刷、沉降、冰冻、地震等因素的作用和影响下,表现出其相应的工作特点,所以,土坝设计时主要解决以下问题:l(1)稳定:l(2)渗流:l主要措施:围绕上述控制因素展开。如可靠的防渗排水(上防下排)l(3)冲刷:l(4)沉降:l(5)抗冰冻:l1o主要发生于严寒地区,对于粘性土,必须采取保护措施,设计中常以无粘性料作为保护层,其厚度应满足规范要求。l2o浸润面以上要求定的干区保护厚度。l(冰冻引起水体急剧膨胀,水4左右体积最小)l(6)地震:为什么会诱发地震?渗漏水流进入紊流状态,发生脉动,例如自来水管放水发生振动。危害:l土坝的失事主要
4、原因1、漫顶:30;2、坝坡坍塌:25;3、地基渗漏:25;4、坝下涵管出事:13;5、其他:7;l三、土坝类型l按施工方法分类:碾压式土坝 l水中填土坝 水力充填坝 l,坝型存在的缺点:坝坡过缓,工程量大,固结慢,强度低,若施工速度 过快,易滑坡。l本章将主要介绍碾压式土坝l第二节 土坝的剖面尺寸与构造l一、坝顶和坝坡l 1、坝顶高程:坝顶高程常指设计高程。为了保证库水不溢过或溅过坝顶,坝顶高程必须在正常和非正常运用的静水位以上,且有足够的超高。l 超高值h按式(61)确定:(见图62)l hhBea (61)l式中:hB波浪爬高(m);l le最大风壅高度(m);la安全加高(m),取决于
5、大坝级别和运用情况见表61l风浪壅高e计算:(62)式中:K综合摩阻系数 一般为0.036 U水面以上10m处的风速 m/sD吹程 (km)H 坝前水域的平均水深(m)风向与水域中线与坝轴线的法向线间的夹角。l波浪爬高hB计算l 定定 义义:波浪爬高是指由静水面起沿建筑物坡面爬升的垂直高度,影响因素,波高、波长、坝面坡度、糙率、风速等。l分析方法分析方法:随机统计特征值方法。(碾压式土石坝设计规范中规定,波浪爬高按不规则波法计算,把波浪及其爬高按不规则波法计算,把波浪及其爬高看成是大小不等的随机系列并服从一定的统计分布规律,根据爬高的分布确定各统计特征值之间的关系)l平均爬高计算(莆田公式)(
6、63)式中:K lK经验系数(见表62)。n坝坡系数 设计过程中,往往是先初步拟定 nctg 为坝坡与水平面的夹角l安全加高a 取决于坝的级别,运用情况,查表61l 地震区安全超高:坝顶沉陷地震区安全超高:坝顶沉陷+涌浪高度涌浪高度l坝顶高程确定:l顶设hB设e设a,正常l顶校hB校e校a,非常l二者取最大值l2、坝顶构造 (图614)(自学为主)l坝顶宽度 主要的满足条件:施工、交通、防汛抢险等;心墙、斜墙的布置坝顶结构 23,以排雨水。l上游无防浪墙,应设栏杆。如设防浪墙,上游无防浪墙,应设栏杆。如设防浪墙,防浪墙高度常为防浪墙高度常为1.3m1.3m,多用浆砌石或砼,多用浆砌石或砼建造。
7、基础牢固埋入坝内,和坝的防渗建造。基础牢固埋入坝内,和坝的防渗体体(如心墙或斜墙如心墙或斜墙)紧密连接。下游侧常紧密连接。下游侧常设拦杆或路肩石。设拦杆或路肩石。l心墙、斜墙顶部有一定的保护厚度。心墙、斜墙顶部有一定的保护厚度。l3 3、坝坡、坝坡l 确定坝坡所要考虑的因素:坝型、坝高、确定坝坡所要考虑的因素:坝型、坝高、筑坝材料、地质条件、地震等;筑坝材料、地质条件、地震等;l 方法:初步拟定方法:初步拟定稳定验算稳定验算逐步修正逐步修正安全经济坝坡;安全经济坝坡;l 主要原则:主要原则:l1 10 0 上游坡稍缓上游坡稍缓水下水下c c、低,下游坡略陡低,下游坡略陡多为水上,多为水上,c
8、c、值略高些;值略高些;l2 20 0 心墙坝坝坡比均质坝坝坡陡,砂、砾心墙坝坝坡比均质坝坝坡陡,砂、砾壤壤土土抗剪强度指标;抗剪强度指标;l3 30 0 坝高坝高101030m30m,设马道坡度上陡,下缓,设马道坡度上陡,下缓,坡比差小于坡比差小于0.50.5,马道宽,马道宽1.51.52.0m;2.0m;l表64列出经验参考值 l4、护坡l作用 范围:最低水位以下2.5m。l护坡种类:l10砌石护坡 20 砼及钢筋砼板护坡 l30 草皮护坡:先铺0.10.2m厚的腐殖土,上面种草或移植草皮。适用于均质坝,不用于砂壳坝。l二、防渗设施二、防渗设施l主要目的:主要目的:减少通过坝体和坝基的渗漏
9、量;减少通过坝体和坝基的渗漏量;l 降低浸润线,增加下游坝坡的降低浸润线,增加下游坝坡的稳定性;稳定性;l 降低渗透坡降,防止渗透变形。降低渗透坡降,防止渗透变形。l主要部位:主要部位:坝体;坝体;坝基;坝基;坝身与坝基接坝身与坝基接触部;触部;坝身与岸坡及其他建筑物连坝身与岸坡及其他建筑物连l接处。;接处。;l(一一)坝体防渗坝体防渗l 坝体防渗形式的选择是同坝型选择同时进坝体防渗形式的选择是同坝型选择同时进行的。除均质坝因坝体土料透水性较小行的。除均质坝因坝体土料透水性较小(一般一般K10-4cm/s)K 最高静水位;最高静水位;l上游保护层:上游保护层:1.0m1.0m;l下游侧:垫层下
10、游侧:垫层(按反滤原则设计按反滤原则设计);l上游坡度:满足保护层,斜墙稳定上游坡度:满足保护层,斜墙稳定(计算确计算确定定)l下游坡度:一般不陡于下游坡度:一般不陡于1:2(1:2(坝体为砂砾石坝体为砂砾石)l粘土心墙、斜墙坝优缺点比较:l对于斜墙坝 心墙坝 l(3)斜心墙l(4)铺盖及其他防渗体l(二)坝基防渗l 1、坝基为透水性较大的岩基l 主要工程措施:l 2 2、坝基为砂及砂卵石透水地基、坝基为砂及砂卵石透水地基l (1)(1)截水槽:属于均质坝体、斜墙或心墙向截水槽:属于均质坝体、斜墙或心墙向透水坝基中的延伸部分透水坝基中的延伸部分(见图见图6 65)5)l 实施:平行于坝轴线方向
11、开挖直达不透水实施:平行于坝轴线方向开挖直达不透水层的梯形槽,然后回填弱透性土料,分层压实,层的梯形槽,然后回填弱透性土料,分层压实,与坝体防渗体边成整体。与坝体防渗体边成整体。l 适用场合:深度适用场合:深度101010时,以较细颗粒部分作为时,以较细颗粒部分作为被保护土,被保护土,(以累积含量为以累积含量为3030的细颗粒作为的细颗粒作为被保护土被保护土),重新点绘颗粒曲线,在新的,重新点绘颗粒曲线,在新的(修正修正后后)颗粒曲线基础,依以上步骤进行,当反滤颗粒曲线基础,依以上步骤进行,当反滤料第一层的砂砾料料第一层的砂砾料5 58 8时,选用时,选用5mm5mm以下以下的细粒部分的的细粒
12、部分的D15D15作为计算粒径,且大于作为计算粒径,且大于5mm5mm的的砾石含量砾石含量6060。l 特小颗粒:(2)对粘性土料保护的反滤层(自学)粘性土的抗冲蚀能力 l反滤料选用考虑因素 反滤层厚度:l(3)新型反滤材料:土工合成材料l 种类:有纺、无纺;l 优点:施工简便,缩短工期,易控制质量,造价低;l 选用:根据被保护土的有关特性,通过渗流模型实验选用确保作为反滤材料的土工织物与被保护土的匹配性。即满足反滤层的要求。l第四节第四节 土坝的稳定计算土坝的稳定计算l稳稳 定:定:由于土坝的体积和重量较大,且由于土坝的体积和重量较大,且坝身是散粒体的土料,因此,不会因水平荷截坝身是散粒体的
13、土料,因此,不会因水平荷截而产生整体的水平滑动;而产生整体的水平滑动;l 失稳形式:由于坝坡陡,坝体或坝基失稳形式:由于坝坡陡,坝体或坝基的抗剪能力不足而产生的坝坡滑动或坝坡连同的抗剪能力不足而产生的坝坡滑动或坝坡连同坝基一起滑动的剪切破坏。坝基一起滑动的剪切破坏。l稳定计算目的:验算土坝在各种工作条件下,稳定计算目的:验算土坝在各种工作条件下,坝坡是否安全经济。坝坡是否安全经济。l可能工作条件:可能工作条件:l1 1、施工期、施工期(包括竣工时包括竣工时)的上、下游坝坡;的上、下游坝坡;l2 2、稳定渗流期的下游坝坡;、稳定渗流期的下游坝坡;l3 3、水库水位降落期的上游坝坡。、水库水位降落
14、期的上游坝坡。l正常工作条件:正常工作条件:l1 1、水库水位处于正常高水位、水库水位处于正常高水位(或设计洪水位或设计洪水位)与死水与死水位之间的各种水位下的稳定渗流期;位之间的各种水位下的稳定渗流期;l2 2、水库水位在上述范围内的经常性的正常降落;、水库水位在上述范围内的经常性的正常降落;l3 3、抽水蓄能电站的水库水位的经常性变化和降落。、抽水蓄能电站的水库水位的经常性变化和降落。l非常工作条件:非常工作条件:l1 1、施工期;、施工期;l2 2、校核洪水位下有可能形成稳定渗流的情况;、校核洪水位下有可能形成稳定渗流的情况;l 3 3、水库水位的非常降落,如自校核洪水位降、水库水位的非
15、常降落,如自校核洪水位降落至死不位以下,大流量快速空等落至死不位以下,大流量快速空等l 4 4、正常工作条件遇地震。、正常工作条件遇地震。l一、土石坝滑动面的形状一、土石坝滑动面的形状l滑动面的可能形状:滑动面的可能形状:l粘性土,均质土坡:顶部陡,底部渐缓近于粘性土,均质土坡:顶部陡,底部渐缓近于圆弧圆弧(圆弧圆弧);l 非粘性土坝:近于直线或折线,顶陡底缏非粘性土坝:近于直线或折线,顶陡底缏(折线折线);l 斜墙坝:主要是沿斜墙与坝体接触面或斜斜墙坝:主要是沿斜墙与坝体接触面或斜墙上部保护层与斜境接触面之间的折线墙上部保护层与斜境接触面之间的折线(复合复合滑裂面滑裂面)。l二、作用力与安全
16、系数l作用力:1、坝体自重;l2、渗透压力;l3、孔隙水压力;l4、地震荷载。l(二)荷载组合l三、土石料抗剪强度指标l四、稳定分析方法四、稳定分析方法l(一)、圆弧滑动法:(一)、圆弧滑动法:(自学为主自学为主)l注意的问题:注意的问题:l1 10 0 毕肖普法是一种近于精细的方法,考虑了毕肖普法是一种近于精细的方法,考虑了条间力的传递作用,其计算结果条间力的传递作用,其计算结果(即所得安全即所得安全系数系数)比瑞典法约高出比瑞典法约高出1010;l2 20 0 在规范允许安全系数在规范允许安全系数(稳定稳定)的取值方面,的取值方面,瑞典法可直接采用规范规定值,而毕肖普法计瑞典法可直接采用规
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