第三章_土石壩及碾壓課件

1、1 土石壩是利用壩址附近土料、石料及砂礫料填筑土石壩是利用壩址附近土料、石料及砂礫料填筑而成的一種擋水壩；而成的一種擋水壩； 是土壩、堆石壩和土石混合壩的總稱；是土壩、堆石壩和土石混合壩的總稱； 筑壩材料基本來源于當(dāng)?shù)?，故又將其稱為筑壩材料基本來源于當(dāng)?shù)?，故又將其稱為“當(dāng)?shù)禺?dāng)?shù)夭牧蠅尾牧蠅巍薄?是人類最早建造的壩型，具有悠久的發(fā)展歷史，是人類最早建造的壩型，具有悠久的發(fā)展歷史，在各國使用都極為普遍。在各國使用都極為普遍。PP.25第三節(jié) 土石壩( the Rock-fill Dam ( the Rock-fill Dam ）2同混凝土壩相比，土石壩的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾方面 ：就地取材，可節(jié)省

2、大量木材、鋼材和水泥等； 較能適應(yīng)地基變形，對地基要求比砼壩要低；結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠,便于維修和加高、擴建；施工技術(shù)簡單，工序少，便于機械化施工。當(dāng)然，土石壩也存在一些缺點： 壩頂不能過流，需在壩外單獨設(shè)置泄水建筑物； 施工導(dǎo)流不如 砼壩便利； 剖面大，所以填筑量大；粘性土施工容易受氣候條件影響較大。3一、土石壩的工作條件和設(shè)計的一般要求滲流方面：壩體為散粒體結(jié)構(gòu)，庫水在上下游水位差作用下經(jīng)壩體和地基向下游滲透，產(chǎn)生滲透壓力和滲透變形，嚴(yán)重時會導(dǎo)致壩體失事。4沖刷方面： 顆粒間粘結(jié)力小，因此土石壩抗沖能力較低；沉降方面： 顆粒間存在孔隙，受力后產(chǎn)生沉陷，分為均勻沉降和非均勻沉降；其它方面：冰凍

3、、地震、動物巢穴等。穩(wěn)定方面： 會沿壩基面整體滑動，失穩(wěn)形式主要是壩坡滑動或連同部分地基一起滑動。5（1）不允許水流漫頂，要求壩體有一定的超高；（2）滿足滲流要求；（3）壩體和壩基必須穩(wěn)定；（4）應(yīng)避免有害裂縫，還必須能抵抗其他自然現(xiàn)象的破壞作用；（5）安全使用前提下，力求經(jīng)濟美觀。PP.26 為使土石壩能安全有效工作，在設(shè)計時一般要求：6二、土石壩的類型1、按施工方法分類：（1）碾壓式土石壩 （2）拋填式堆石壩（2）水力沖填壩（3）水墜壩（4）定向爆破堆石壩PP.2772、碾壓式土石壩按筑壩材料和防滲體的位置可細分為以下五種：優(yōu)點：材料單一， 施工簡單；缺點：當(dāng)壩身材料粘性較大時，雨季或冬季

4、施工較困難。（1 1）均質(zhì)土壩：）均質(zhì)土壩：壩體剖面的全部或絕大部分由一種土料填筑。8（2 2）心墻土壩：）心墻土壩：用透水性較好的砂或砂礫石做壩殼，以防滲性較好的材料作為防滲體設(shè)在壩的剖面中心位置。 防滲體：粘土、瀝青砼或鋼筋砼，土工膜等優(yōu)點：坡陡，剖面較均質(zhì)壩小，工程量少，心墻占總方量比重不大，施工受季節(jié)影響相對較小；缺點：要求心墻與壩殼大體同時填筑，干擾大, 一旦建成，難修補；9堆石壩以心墻作為防滲體魯布革大壩典型剖面圖10（3 3）斜墻土壩）斜墻土壩優(yōu)點：斜墻與壩殼之間的施工干擾相對較小，在調(diào)配勞動力和縮短工期方面比心墻壩有利；缺點：上游坡較緩，粘土量及總工程量較心墻壩大，抗震性及對不

5、均勻沉降的適應(yīng)性不如心墻壩。防滲體置于壩的上游面，稱為斜墻。1112小浪底斜心墻壩典型斷面圖13（4 4）多種土質(zhì)壩：）多種土質(zhì)壩：（5 5）土石混合壩：）土石混合壩： 如壩址附近砂、砂礫不足，而石料較多，上述的多種土質(zhì)壩的一些部位可用石料代替砂料。壩體是由透水性不同的多種土料分區(qū)填筑而成。14三、筑壩土料的性質(zhì)1、粘性土：顆粒小，結(jié)構(gòu)緊密，顆粒間有凝聚力，水流滲過這種土壤時，遇到的阻力大，因此其防滲性能好。2、非粘性土：砂粒、卵石等 顆粒大，顆粒間基本無凝聚力，但顆粒間摩擦力大，因而其自然穩(wěn)定坡度比粘性土陡。粒間空隙大，容易透水，防滲性能差。15四、土石壩的剖面和構(gòu)造1、壩頂高程： 靜水位

6、+ 波浪爬高+壩頂超高d(二) 土石壩的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(shè)備的輪廓尺寸 (一) 土石壩的組成 壩身、防滲體、排水設(shè)備和護坡16 壩頂高程應(yīng)分別按正常情況和非常情況進行計算，并選用其中的較大值。對于地震區(qū)還需考慮地震涌浪高度。 壩頂上游設(shè)防浪墻時，計算得到的壩頂高程應(yīng)為防浪墻頂高程。172、壩頂寬度取決于交通需要、構(gòu)造要求和施工條件。當(dāng)壩高在30m100m時,B min = 0.1H ，不小于5m;當(dāng)壩高大于100m時， B min = H 0.5 .3、壩坡 取決于壩高、筑壩材料性質(zhì)、運用情況、地基條件、施工方法及壩型等因素。土料相同

7、時上游坡緩于下游坡；水下緩于水上；粘土均質(zhì)壩的壩坡與壩高有關(guān)，壩高越大壩坡越緩；均質(zhì)壩的上下游坡度比心墻壩的壩坡緩；粘土斜墻壩的上游坡比心墻的壩坡緩，而下游壩坡可比心墻壩陡些；變坡處設(shè) 馬道，寬1.52.0m。18(三) 土石壩的主要構(gòu)造1、防滲體 由滲透系數(shù)較小的粘性土料構(gòu)成，其尺寸和結(jié)構(gòu)需滿足減小滲透量、降低浸潤線和控制滲透坡降的要求。 粘性土心墻 、粘性土斜墻、粘性土斜心墻瀝青混凝土防滲墻192021 降低壩體浸潤線及孔隙壓力，改變滲流方向，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；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?jié)B流逸出處的滲透變形，保護壩坡和壩

8、基；防止下游波浪對壩坡的沖刷及凍脹破壞，起到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。保護下游壩坡的作用。2、排水設(shè)備和反濾層常見的型式有:棱體排水、褥墊排水、貼坡排水、綜合式排水22 在下游壩腳處用塊石堆成棱體，需設(shè)反濾層。在下游壩腳處用塊石堆成棱體，需設(shè)反濾層。特點：特點： 可降低浸潤線，防止壩坡凍脹和滲透變形，可降低浸潤線，防止壩坡凍脹和滲透變形，保護下游壩腳不受尾水淘刷且有支持壩體增加其保護下游壩腳不受尾水淘刷且有支持壩體增加其穩(wěn)定的作用，是一種可靠的排水型式，但石料用穩(wěn)定的作用，是一種可靠的排水型式，但石料用量大，費用高，檢修困難。量大，費用高，檢修困難。適用：適用

9、：較高的土壩及石料較多的地區(qū)。較高的土壩及石料較多的地區(qū)。（1）棱體排水：23 用塊石、礫石平鋪在靠下游側(cè)的壩基上，并用塊石、礫石平鋪在靠下游側(cè)的壩基上，并在其周圍布置反濾層而構(gòu)成的水平排水體，伸入在其周圍布置反濾層而構(gòu)成的水平排水體，伸入壩體長度壩體長度 1/31/3 1/41/4壩底寬。壩底寬。特點：特點：下游無水時，能有效降低浸潤線，有助于下游無水時，能有效降低浸潤線，有助于壩基排水，但對不均勻沉降的適應(yīng)性較差。壩基排水，但對不均勻沉降的適應(yīng)性較差。適用適用: : 下游無水或水位較低的情況下游無水或水位較低的情況. .（2）褥墊排水：24 也稱表層排水。設(shè)置在下游壩坡底部，由也稱表層排水

10、。設(shè)置在下游壩坡底部，由1 1 2 2層層堆石或砌石構(gòu)成，在石塊與壩坡之間設(shè)反濾層；堆石或砌石構(gòu)成，在石塊與壩坡之間設(shè)反濾層；特點：特點：形式簡單，省料且易于檢修，可防止?jié)B透破形式簡單，省料且易于檢修，可防止?jié)B透破壞。因未伸入壩體，不能降低浸潤線，且防凍性較壞。因未伸入壩體，不能降低浸潤線，且防凍性較差。差。適用：適用：中小型且下游無水中小型且下游無水 的均質(zhì)壩及防滲體浸潤線的均質(zhì)壩及防滲體浸潤線較低的中等高度的土壩。較低的中等高度的土壩。（3）貼坡排水：25（4）混合式排水 將上述幾種排水混合使用。26反濾層反濾層: :設(shè)在滲透坡降較大設(shè)在滲透坡降較大, ,流速較高流速較高, ,土壤易于變形

11、的土壤易于變形的滲流出口處或進入排水處滲流出口處或進入排水處. .作用作用: :防止土體在滲流作用下發(fā)生滲透變形防止土體在滲流作用下發(fā)生滲透變形. .組成組成: :二至三層粒徑不同的砂、石料鋪筑而成，二至三層粒徑不同的砂、石料鋪筑而成，層面與滲流方向盡量垂直，層面與滲流方向盡量垂直，小粒徑小粒徑 大粒徑。大粒徑。273、護坡上游壩坡受波浪淘刷、滲流、冰凍等破壞作用；上游壩坡受波浪淘刷、滲流、冰凍等破壞作用；下游面有雨水、風(fēng)、動物以及干裂等破壞。下游面有雨水、風(fēng)、動物以及干裂等破壞。上游護坡：上游護坡： 砌石護坡、堆石護坡、砼板護坡等；砌石護坡、堆石護坡、砼板護坡等；下游護坡：下游護坡： 碎石或

12、礫石護坡，還可采用草皮護坡。碎石或礫石護坡，還可采用草皮護坡。28( (一一) )滲流分析滲流分析1 1、滲流的概念：水庫蓄水后，由于上下游、滲流的概念：水庫蓄水后，由于上下游水位差的關(guān)系，水流會通過壩體土粒之水位差的關(guān)系，水流會通過壩體土粒之間的空隙從上游向下游流動。間的空隙從上游向下游流動。五、土壩的滲流、穩(wěn)定和沉陷292、滲流分析的目的：確定壩體內(nèi)浸潤線的位置；確定壩體內(nèi)浸潤線的位置；確定壩體及壩基的滲流量，以估算水確定壩體及壩基的滲流量，以估算水庫的滲漏損失；庫的滲漏損失；確定壩體和壩基滲流逸出區(qū)的滲流坡確定壩體和壩基滲流逸出區(qū)的滲流坡降，檢查產(chǎn)生滲透變形的可能性；降，檢查產(chǎn)生滲透變形

13、的可能性；為壩體穩(wěn)定分析和布置觀測設(shè)備提供為壩體穩(wěn)定分析和布置觀測設(shè)備提供依據(jù)。依據(jù)。30滲透變形滲透變形管涌管涌 壩體或地基中的土壤細顆粒被滲透水流壩體或地基中的土壤細顆粒被滲透水流帶走，并逐步形成滲流通道的現(xiàn)象。帶走，并逐步形成滲流通道的現(xiàn)象。流土流土 在滲流作用下，產(chǎn)生的土體浮動或流失現(xiàn)在滲流作用下，產(chǎn)生的土體浮動或流失現(xiàn)象；象；它主要發(fā)生在粘性土及均勻非粘性土體的滲它主要發(fā)生在粘性土及均勻非粘性土體的滲流出口處。流出口處。 多發(fā)生在壩的下游坡或閘壩下游地基面滲流多發(fā)生在壩的下游坡或閘壩下游地基面滲流逸出處。粘性土因顆粒之間存在凝聚力且滲透系逸出處。粘性土因顆粒之間存在凝聚力且滲透系數(shù)較

14、小，一般不易發(fā)生管涌破壞，而在缺乏中間數(shù)較小，一般不易發(fā)生管涌破壞，而在缺乏中間粒徑的非粘性土中極易發(fā)生。粒徑的非粘性土中極易發(fā)生。31(二) 穩(wěn)定分析重力壩 沿壩基面的整體抗滑穩(wěn)定分析拱壩 壩肩(拱座)的穩(wěn)定分析土壩 主要指上下游壩坡的抗滑穩(wěn)定分析土石壩壩坡的滑動面型式： 圓弧滑動面：滑動面通過粘性土部位時， 折線滑動面：滑動面通過非粘性土部位時； 復(fù)式滑動面：滑動面通過粘性土和非粘性土構(gòu)成的多種土質(zhì)壩時。3233(三)土壩的沉陷 在自重或外力的作用下，土體孔逐漸隙中的水、氣被逐漸排出，孔隙縮小，土體被壓實，這個過程稱為 固結(jié)。 粘性土常需要一個較長的時間才能完成固結(jié)，而砂性土固結(jié)速度則較快

15、。34六、土石壩的地基處理一、地基處理1、目的： 滲流控制、穩(wěn)定控制、變形控制2、砂礫石地基的處理 砂礫石地基的特點：具有較高的抗剪能力和承載能力，壓縮變形小，抗?jié)B性能差，因此對這類地基的處理以滲流控制為主。垂直防滲：粘土截水槽、砼防滲墻和灌漿帷幕；水平防滲：鋪蓋；35當(dāng)?shù)鼗疃仍?015米以內(nèi)時，采用粘土截水墻。如果深度更大但不超過30米時，可采用混凝土截水墻。36當(dāng)砂礫石透水層深度大于30米, 采用混凝土防滲墻。3738第四節(jié) 碾壓砼壩與砼面板堆石壩一、碾壓混凝土壩 采用水泥含量比較低的超干硬性混凝土，經(jīng)碾壓而成的混凝土壩。 從根本上改革了常規(guī)混凝土的澆搗方法，是將土石壩碾壓設(shè)備和技術(shù)應(yīng)用

16、混凝土壩施工的一種新壩型。碾壓混凝土壩的特點： 運輸、澆筑均可實現(xiàn)機械化；因此，施工速度快，工期短。39 單位水泥用量和用水量少，每m3砼水泥用量一般不超過100kg，較常態(tài)砼節(jié)約30%50%，用水量也少30%40%，相應(yīng)地可大大簡化混凝土的溫控措施； 砂率大，且要求有一定的粉粒含量； 采用通倉薄層澆筑，一般不設(shè)縱縫，可節(jié)省模板及接縫灌漿等費用； 工程造價省。40 砼面板堆石壩以堆石體為支承結(jié)構(gòu)，采用砼面板作為壩的防滲體，并將其設(shè)置在堆石體上游面。 (一)混凝土面板堆石壩的發(fā)展第一階段(1850年1940年)， 為拋填堆石階段；第二階段(1940年1965年)，是由拋填堆石向碾壓堆石發(fā)展的過渡

17、階段；第三階段（1965年以后至今），主要是以碾壓堆石為特征，同時在壩體結(jié)構(gòu)、施工技術(shù)上有很達的進步，所筑壩也越來越高 。二、混凝土面板堆石壩41 早在19世紀(jì)中葉，美國就開始修建面板堆石壩。最初這些壩是以木面板防滲，后來為承受更高的水壓力，木面板逐漸被混凝土面板代替。當(dāng)時堆石均采用拋填施工，并輔以高壓水槍沖實，所獲得的堆石體不太密實，沉陷和水平位移均較大。 進入上世紀(jì)進入上世紀(jì)4040年代以來，筑壩高度呈現(xiàn)增年代以來，筑壩高度呈現(xiàn)增加趨勢。對采用拋填法施工的堆石體，當(dāng)壩高加趨勢。對采用拋填法施工的堆石體，當(dāng)壩高大于大于70m70m時，混凝土防滲面板已不能承受堆石時，混凝土防滲面板已不能承受堆

18、石體的較大變形而發(fā)生裂縫漏水，從而導(dǎo)致在較體的較大變形而發(fā)生裂縫漏水，從而導(dǎo)致在較長時期內(nèi)，這種壩型的發(fā)展處于停滯狀態(tài)。長時期內(nèi)，這種壩型的發(fā)展處于停滯狀態(tài)。42 與此相反，帶有反濾層的粘土心墻卻能與此相反，帶有反濾層的粘土心墻卻能適應(yīng)拋填堆石的較大變形，滿足壩體防滲需要，適應(yīng)拋填堆石的較大變形，滿足壩體防滲需要，加上加上5050年代土力學(xué)理論、土工試驗技術(shù)、土壤碾年代土力學(xué)理論、土工試驗技術(shù)、土壤碾壓設(shè)備的發(fā)展，使得以粘性土料作防滲心墻或斜壓設(shè)備的發(fā)展，使得以粘性土料作防滲心墻或斜墻的堆石壩在這期間得到迅速發(fā)展，并建成不少墻的堆石壩在這期間得到迅速發(fā)展，并建成不少高壩。高壩。 進入進入6060年代以后，將大型振動碾運用于壩體年代以后，將大型振動碾運用于壩體堆石碾壓，使堆石體的密實度更高，從而大幅度堆石碾壓，使堆石體的密實度更高，從而大幅度降低了堆石體變形，再配合接縫止水設(shè)施和改進降低了