水利水電工程建筑物網(wǎng)上輔導(4)

1、水利水電工程建筑物網(wǎng)上輔導（4） 本講主要介紹第2章?lián)跛ㄖ锏牡?節(jié)土石壩 （1） 講述土石壩的特點與類型 1）土石壩的特點首先介紹了土石壩的特點，土石壩在實踐中被廣泛采用并得到不斷發(fā)展，與自身的優(yōu)越性是密不可分的。同混凝土壩相比，它的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾方面：筑壩材料來源直接、方便，能就地取材，能節(jié)省大量的鋼材、水泥和木材等建筑材料。適應地基變形的能力強。土石壩為土料或石料填筑的散粒結構，能較好地適應地基的變形，對地基的要求在各種壩型中是最低的。構造簡單，施工技術容易掌握，適應于大型機械化施工。運用管理方便，工作可靠，壽命長，維修加固和擴建均較容易。同其他的壩型一樣，土石壩自身也有缺點：壩

2、頂不能溢流。受散土石料強度的限制，土石壩壩身通常不允許過流，需單獨設置泄水建筑物。施工導流不如混凝土壩方便。壩體填筑工程量大，而且土料施工受氣候條件的影響較大。2）土石壩的類型按壩體高度可分為：高壩、中壩、低壩。其中，低壩的高度為30m以下，中壩的高度為3070m，高壩的高度為70m以上。按施工方法可分為：碾壓式土石壩，拋填式土石壩，水力沖填壩和定向爆破堆石壩等。其中應用最為廣泛的是碾壓式土石壩。按土料在壩體中的配置和防滲體所用的材料又可分為：均質壩、分區(qū)壩、人工防滲材料壩。（2）講述土石壩的組成和基本剖面1）土石壩的組成及作用土石壩的壩體剖面由壩身、防滲體、排水體、護坡四部分組成。 壩身 壩

3、身是土石壩的主體，壩坡的穩(wěn)定主要靠壩身來維持，并對防滲體起到保護作用。 防滲體防滲體是土石壩的重要組成部分，其作用是防滲，必須滿足降低壩體浸潤線、降低滲透坡降和控制滲流量的要求，另外還需滿足結構和施工上的要求。常見的防滲體型式有心墻、斜墻等。 排水設備土石壩設置壩身排水的目的主要是有三個：降低壩體浸潤線及孔隙壓力，改變滲流方向，增加壩體穩(wěn)定；防止?jié)B流逸出處的滲透變形，保護壩坡和壩基；防止下游波浪對壩坡的沖刷及凍脹破壞，起到保護下游壩坡的作用。常見的排水型式有：棱體排水、貼坡排水、褥墊排水和綜合式排水等。 護坡為保護土石壩壩坡免受波浪淘刷、冰層和漂浮物的損害、降雨沖刷，防止壩體土料發(fā)生凍結、膨脹

4、和收縮以及人畜破壞等，需設置護坡結構。上游護坡常采用堆石、干砌石或漿砌石、混凝土或鋼筋混凝土、瀝青混凝土等型式。下游護坡要求略低，可采用草皮、干砌石、堆石等型式。2）土石壩的基本剖面土石壩基本剖面尺寸主要包括：壩頂高程、壩頂寬度、上下游邊坡、防滲和排水設備的基本尺寸等。 壩頂高程壩頂高程由水庫靜水位加上風壅高度、波浪爬高及安全超高決定。壩頂超出靜水位以上的超高按下式計算：Y = R+e+A 式中：Y壩頂在水庫靜水位以上的超高（m）， R最大波浪在壩坡上的爬高（m）；e最大風壅水面高度（m）；A 安全加高(m)；壩頂高程的計算，應同時考慮以下三種情況：設計洪水位加正常運用情況的壩頂超高；校核洪水

5、位加非常運用情況的壩頂超高；正常高水位加非常運用情況的壩頂超高值再加地震區(qū)安全超高。最后取其中最大值作為壩頂高程。 壩頂寬度 壩頂寬度主要取決于交通、運行、施工、構造、抗震、防汛及其他特殊要求。一般情況下，壩越高壩頂寬度取值也越大。當無特殊要求時，對高壩壩頂最小寬度可選用1015m，對中低壩可選用510m。當壩頂有交通要求時，其寬度應按照道路等級要求遵照交通部門的有關規(guī)定來確定。（3）講述土石壩滲流分析方法1）土石壩滲流分析的目的及方法土石壩滲流分析的目的是：確定壩體浸潤線和下游逸出點位置，繪制壩體及地基內的等勢線分布圖或流網(wǎng)圖，為壩體穩(wěn)定核算、應力應變分析和排水設備的選擇提供依據(jù)；計算壩體和

6、壩基滲流量，以便估算水庫的滲漏損失和確定壩體排水設備的尺寸；確定壩坡出逸段和下游地基表面的出逸比降，以及不同土層之間的滲透比降，以判斷該處的滲透穩(wěn)定性；確定庫水位降落時上游壩殼內自由水面的位置，估算由此產(chǎn)生的孔隙壓力，供上游壩坡穩(wěn)定分析之用。 其分析方法主要有：流體力學法、水力學法、流網(wǎng)法、試驗法和數(shù)值解法。2）滲流分析的水力學法用水力學法進行土石壩滲流分析時，常作如下一些假定：壩體土是均質的，壩內各點在各方向的滲透系數(shù)相同；滲透水流為二元穩(wěn)定層流狀態(tài)，符合達西定律；滲透水流是漸變的，任一鉛直過水斷面內各點的滲透坡降和流速相等。滲流計算的基本公式圖表示一不透水地基上的矩形土體，土體滲透系數(shù)為，

7、應用達西定律和假定，全斷面內的平均流速等于： 設單寬滲流量為q，則： 將上式分離變量后，從上游面（x=0，y=H1）至下游面（x=L，y=H2）積分，得： 即： 若將上式積分限改為：x由0至x，y由H1至y，則得浸潤線方程： 即： （4） 土石壩滲透穩(wěn)定分析在滲透水流的物理或化學作用下，導致土石壩壩身及地基中的土體顆粒流失，土壤發(fā)生局部破壞，稱為滲透變形。滲透變形的型式及其發(fā)生、發(fā)展過程，與土料性質、土粒級配、水流條件以及防滲、排水措施等因素有關，一般有管涌、流土、接觸沖刷和接觸流失等類型。工程中以管涌和流土最為常見。防止?jié)B透變形的工程措施包括： 1）采取水平或垂直防滲措施，以便盡可能地延長滲

8、徑，達到降低滲透坡降的目的；2）采取排水減壓措施，以降低壩體浸潤線和下游滲流出口處的滲透壓力。3）對可能發(fā)生管涌的部位，需設置反濾層，攔截可能被滲流帶走的細顆粒；對下游可能產(chǎn)生流土的部位，可以設置蓋重以增加土體抵抗?jié)B透變形的能力。（5） 講述土石壩的穩(wěn)定分析土石壩的上下游壩坡較緩，剖面尺寸較大，一般不會產(chǎn)生整體水平滑動。但是，由于土石壩的材料是散粒體，其抗剪強度較低，當壩體或壩基材料的抗剪強度不足時，有可能發(fā)生壩體或壩體連同壩基的塌滑失穩(wěn)；另外，當壩基內有軟弱夾層時，也可能發(fā)生塑性流動，影響壩體的穩(wěn)定。1）土石壩滑動破壞型式進行穩(wěn)定計算時，應先假定滑動面的形狀。土石壩滑坡的型式與壩體結構、筑壩

9、材料、地基性質以及壩體工作條件等密切相關，常見的滑動破壞型式有：曲線滑動面、折線滑動面和復合式滑動面。曲線滑動面，通過粘性土部位時，其形狀通常為一頂部陡而底部漸緩的曲面。折線滑動面，多發(fā)生在非粘性土的壩坡中，如薄心墻壩，斜墻壩中；當壩坡部分浸水，常為折線的滑動面。復合式滑動面，厚心墻或由粘土及非粘性土構成的多種土質壩，當壩基內有軟弱夾層時形成復合滑動面2）荷載及其組合a. 荷載土石壩穩(wěn)定計算考慮的荷載主要有自重、滲透力、孔隙水壓力和地震慣性力等。b. 荷載組合 正常運用包括以下幾種情況： 水庫蓄滿水（正常高水位或設計洪水位）時下游壩坡的穩(wěn)定計算； 上游庫水位最不利時上游壩坡的穩(wěn)定計算，這種不利

10、水位大致在壩底以上1/3壩高處，當壩剖面比較復雜時，應通過試算來確定； 庫水位正常降落，上游壩坡內產(chǎn)生滲透力時，上游壩坡的穩(wěn)定計算。非常運用包括以下幾種情況：庫水位驟降時（一般當土壤滲透系數(shù)K10-3cm/s，水庫水位下降速度V3m/d時屬于驟降），上游壩坡的穩(wěn)定計算；施工期到竣工期，壩坡連同粘性土基一起的穩(wěn)定計算，特別是對于高壩厚心墻的情況，必須考慮孔隙壓力的作用；校核水位有可能形成穩(wěn)定滲流時，下游壩坡的穩(wěn)定計算。正常情況遇地震作用的上、下游壩坡的穩(wěn)定計算。3) 穩(wěn)定分析方法目前,土石壩的穩(wěn)定分析仍基于極限平衡理論,采用假定滑動面的方法。依據(jù)滑裂面的不同型式，可分為圓弧滑動法、折線滑動法和復

11、合滑動法。(6) 講述土石壩地基處理 土石壩既可建在巖基上，也可建在土基上。由于土石壩是由散粒材料填筑而成，對地基變形的適應性比混凝土壩好，因此，土石壩對地基的強度和變形方面的要求比混凝土壩低。土石壩地基處理的主要目的是為了控制滲流量，防止?jié)B透變形，以保證大壩的安全運行。巖石地基的處理措施與重力壩相同，主要講砂卵石地基的處理措施。當土石壩修建在砂卵石地基上時，地基的承載力通常是足夠的，而且地基因壓縮產(chǎn)生的沉降量一般也不大。對砂卵石地基的處理主要是解決防滲問題，通過采取“上堵”、“下排”相結合的措施，達到控制地基滲流的目的。土石壩滲流控制的基本方式有垂直防滲、水平防滲和排水減壓等。前兩者體現(xiàn)了“

12、上堵”的基本原則，后者則體現(xiàn)了“下排”的基本原則。垂直防滲可采用明挖回填截水槽、混凝土防滲墻、灌漿帷幕等基本型式，水平防滲常用防滲鋪蓋。1）明挖回填截水槽當透水砂卵石覆蓋層深度在1015m以內，可在透水壩基上開挖深槽直達不透水層或基巖，向槽內回填與壩體防滲體相同的土料，并與防滲體緊密結合成整體。采用粘性土截水槽防滲，由于其結構簡單、工作可靠、防滲效果好，在我國得到廣泛的應用。2）混凝土防滲墻當壩基透水層較厚，采用明挖回填截水槽施工有困難時，可采用混凝土防滲墻，其優(yōu)點是施工快、材料省、防滲效果好，但需要一定的機械設備。3）灌漿帷幕3）帷幕灌漿當砂卵石層很深時，用上述處理方法都較困難或不夠經(jīng)濟，可采用帷幕灌漿防滲。4）高壓噴射灌漿用高壓旋噴灌漿法主要目的是用于防滲也提高地基承載力。5）防滲鋪蓋鋪蓋是一種由粘性土等防滲材料做成的水平防滲設施，通過延長滲徑的方式起到防滲的作用。其防滲效果不如鉛直防滲好，多用于透水層厚、采用垂直防滲措施有困難的場合（見圖2-3-21），常與下游排水減壓設施聯(lián)合使用，以保證滲透穩(wěn)定。6） 壩基排水設施 如果在透水地基表層存在有粘性土層時，由于滲流出口排水不暢，使?jié)B透壓力增加，有可能引起壩基發(fā)生滲透破壞，影響壩體的穩(wěn)定?？稍谙掠螇位O置排水設施。壩基排水設施有水平排水層、反濾排水溝、排水減壓井和透水蓋重等型式。(7) 講述碾壓混凝