河海大水利水電工程概論課件第5章 土石壩

第五章土石壩第一節(jié)

概述一：概念：

利用當?shù)赝潦牧咸钪傻膿跛畨?，又稱當?shù)夭牧蠅巍v史悠久，發(fā)展很快，國內(nèi)、外廣泛采用。二：土石壩的類型

1、按施工方法分類：（1）碾壓式；（2）水力沖填式；（3）水中填土式；（4）定向爆破堆石壩。2、按材料在壩體內(nèi)的配置和防滲體的位置分類

(對于碾壓混凝土壩)：

（1）均質(zhì)土壩：壩體剖面的全部或絕大部分由一種土料填筑。

優(yōu)點：材料單一，施工簡單；

缺點：當壩身材料粘性較大時，雨季或冬季施工較困難。

（2）土質(zhì)心墻壩：用透水性較好的砂或砂礫石做壩殼，以防滲性較好的粘性土作為防滲體設在壩的剖面中心位置，心墻材料可用粘土也可用瀝青混凝土和鋼筋混凝土；

優(yōu)點：坡陡，壩剖面較（1）小，工程量少，心墻占總方量比重不大，因此施工受季節(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；（3）土質(zhì)斜墻壩：防滲體置于壩剖面的一側。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，抗震性及對不均勻沉降的適應性不如心墻壩。（4）土質(zhì)斜心墻壩：由相對不透水或弱透水土料構成防滲體，其下部為斜墻、上部為心墻，在他們的上下游兩側以透水土石料組成壩殼，支撐和保護防滲體。（5）人工材料心墻壩：中央防滲體由瀝青混凝土或混凝土、鋼筋混凝土等人工材料構成，壩殼由透水或半透水砂礫土石料或者再加上塊石等組成。（6）人工材料面板壩。上游防滲面板由鋼筋混凝土、瀝青混凝土、塑料膜或土工膜等材料構成，其支撐體由透水或半透水砂礫土石料或者加上塊石等組成。[（4）多種土質(zhì)壩：壩址附近有多種土料用來填筑的壩。（5）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。]二、土石壩廣泛應用的原因：優(yōu)點：（1）筑壩材料可以就地取材，可節(jié)省大量鋼材和水泥，免修公路；（2）較能適應地基變形，對地基的要求比砼壩要低；（3）結構簡單，工作可靠，便于維修和加高、擴建；（4）施工技術簡單，工序少，便于組織機械化快速施工。不足之處：

壩頂不能過流，必須另開溢洪道，施工導流不如砼壩便利，對防滲要求高，因為剖面大，所以填筑量大而且施工容易受季節(jié)影響。三、土石壩的工作特點

（1）穩(wěn)定方面：不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；（2）滲流方面：壩體為散粒體結構，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，嚴重時會導致壩體失事，浸潤面和浸潤線的概念；（3）沖刷方面：顆粒間粘結力小，因此土石壩抗沖能力較低；）（4）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；（5）其他方面：冰凍、地震、動物筑窩等.四、土石壩的設計要求

為使土石壩能安全有效地工作，在設計方面的一般要求：（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）應避免有害裂縫及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。第二節(jié)土石壩的剖面和構造

一、基本尺寸1、壩頂高程：壩頂超高

其中，hB——爬高，a——安全加高，

e——壩前水位因風浪引起的壅高。2、壩頂寬度

取決于交通需要、構造要求和施工條件。當壩高在30m~100m時，Bmin

=0.1H;當壩高大于100m時，Bmin

=H0.5.3、壩面坡度

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。

(1)均質(zhì)壩的上下游坡度比心墻壩的壩坡緩；

(2)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；

(3)土料相同時上游坡緩于下游坡；

(4)粘土均質(zhì)壩的壩坡與壩高有關，壩高越大壩坡越緩；

(5)碾壓式堆石壩的壩坡比土壩陡。土石壩的筑壩材料一、土石壩筑壩土料設計的任務：對壩體各部位的土料進行選擇，然后確定土料的填筑標準。（土石壩主要由壩殼、防滲體、排水設備、護坡等組成，還有反濾層及過渡層。）二、土石壩筑壩土料的選擇：一般土料原則上均可作為碾壓式土石壩的筑壩材料，或經(jīng)處理后用于壩的不同部位。但下列土料不宜采用：沼澤土、斑脫土、地表土及含有未完全分解有機質(zhì)的土料。

1、均質(zhì)壩對土料的要求

2、防滲體對土料的要求

3、壩殼對土石料的要求（壩殼保持大壩穩(wěn)定）

4、排水、護坡對土石料的要求

5、反濾料及過渡層土料

6、關于風化料及特殊粘土料的采用.(一)、均質(zhì)壩對土料的要求

(1)強度指標Φ、c較大。

(2)滲透系數(shù)k較小，<10-4cm/s。

(3)要有一定的塑性：

塑性指數(shù)Ip=ωL-ωP=7～17。

→能適應壩基變形而不會產(chǎn)生裂縫。

(4)有機雜質(zhì)含量≤5%。

(5)土質(zhì)：絕大多數(shù)采用粘性土。二、壩的內(nèi)部構造

土石壩的內(nèi)部構造包括：防滲體、排水設備、反濾層和護坡。

1、防滲體：一般采用塑性、心墻和斜墻，均由滲透系數(shù)較小的粘性土料構成，其尺寸和結構需滿足減小滲透量、降低浸潤線和控制滲透坡降的要求。其種類有：粘性土心墻（圖6-3）、粘性土斜墻（圖6-4，6-5）、粘性土斜心墻（圖6-6）、瀝青混凝土防滲墻(圖6-7)(二)、防滲體對土料的要求

(1)滲透系數(shù)k較小，<10-5cm/s。→抗?jié)B性

(2)有較好的塑性以適應壩體及壩基變形，塑性指數(shù)Ip大于10～12。

(3)有機雜質(zhì)含量≤2%，水溶鹽含量按重量比≤3%，有良好級配。

(4)浸水和失水時體積變化較小。

(5)土質(zhì)：粘粒含量（粒徑<0.005mm）為15%~30%或塑性指數(shù)為10～17的中、重壤土以及粘粒含量30%~40%或塑性指數(shù)為17～202、排水設備

主要作用：降低壩體浸潤線，有利于下游壩坡穩(wěn)定并防止土壩可能出現(xiàn)的滲透破壞。型式：貼坡排水、棱體排水、褥墊排水、混合排水圖6-8貼坡排水（1）貼坡排水（圖6-8）：又稱表層排水。設置在下游壩坡底部，由1~3層堆石或砌石構成，在石塊與壩坡之間應設反濾層；特點：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，且防凍性較差。適用：中小型且下游無水的均質(zhì)壩及防滲體浸潤線較低的中等高度的土壩。圖6-9棱體排水

（2）棱體排水（圖6-9）：在下游壩腳處用塊石堆成棱體，需設反濾層。特點：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。

適用：較高的土壩及石料較多的地區(qū)。

（3）褥墊排水（圖6-10）：用塊石、礫石平鋪在靠下游側的壩基上，并在其周圍布置反濾層而構成的水平排水體，伸入壩體長度￡1/3~1/4壩底寬。特點：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性較差，當下游水位高于排水設備時，降低浸潤線的效果明顯降低，我國應用較少。適用:

下游無水或水位較低的情況.（4）混合式排水：將上述幾種排水混合使用。

*反濾層（圖6-12）:設在滲透坡降較大,流速較高,土壤易于變形的滲流出口處或進入排水處.

作用:防止土體在滲流作用下發(fā)生滲透變形.

組成: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，小粒徑—?大粒徑。圖6-12反濾層(五)、反濾料及過渡層土料

(1)應具有必要的透水性、強度，具有高度的抗水性和抗風化能力。

(2)必須具有良好的級配，粒徑小于0.1mm的顆粒含量小于5%，不應含有粒徑小于0.05mm的粉土和粘粒。

(3)土質(zhì)：反濾料應盡量采用天然砂礫篩分，也可用人工碎石。3、護坡：占總體造價的10%

（1）上游壩坡受波浪淘刷、滲流、冰凍等破壞作用；上游護坡：砌石護坡、堆石護坡、瀝青砼護坡等；（2）下游面有雨水、風、動物、根部發(fā)達的植物以及干裂等破壞。下游護坡：碎石或礫石護坡，還可采用草皮護坡。

4、排水、護坡對土石料的要求

(1)良好的抗水性、抗凍性和抗風化性。

(2)具有一定的強度：抗壓強度≥50Mpa

(3)巖質(zhì)：不宜用風化料，用新鮮巖石、卵石、碎石。料場開采的石料、開挖的石渣。(三)、壩殼對土石料的要求

(1)強度指標Φ、c較大，具有抗震、抗滑穩(wěn)定性。

(2)排水性能好，k>103×k防滲體?！?jīng)過防滲體后，迅速降低浸潤線。

(3)有良好級配：級配連續(xù)；不均勻系數(shù)η=d60/d10≈30～100。

(4)土質(zhì)：級配良好的無粘性土（砂、礫石、卵石、碎石等）三、土石料填筑標準設計：1、粘性土料的填筑標準：

(1)設計指標：

設計填筑干重度：按壓實度P確定。影響土的壓實性的因素很多，主要有含水量、擊實功能以及土的種類和級配等。

(2)施工時主要控制填筑含水量ω，選在最優(yōu)含水量附近。(3)粘性土料設計的步驟：

①初擬設計含水量ω：

②計算填土的最大干重度：

理論最大干重度一般難以達到，所以一般估算填土的最大干重度：

③擬定填土的設計填筑干重度,

④校驗填土的設計干重度,應滿足

⑤調(diào)整含水量ω使?jié)M足填筑要求。一般碾壓式土壩設計干重度為15.7～17.2kN/m3，I、II級壩及高壩的壓實度P（）不低于0.96～0.99，對III、IV、V級壩應不低于0.93～0.96。施工時壓實干重度的合格率，對I、II級壩及高壩的防滲體為90%，對中小型土壩的防滲體和I、II級均質(zhì)土為85%～90%，對中小型均質(zhì)壩為80%～85%。2、非粘性土料的填筑標準：

(1)壓實程度與填筑含水量關系不大，主要與砂石料的級配和壓實功能有關。

(2)壓實程度用相對緊密度Dr表示，要求Dr不低于0.7～0.75，若為地震區(qū)，要求浸潤線以上不小于0.7，浸潤線以下不低于0.75～0.85。

(3)非粘性土料設計的步驟：計算相對緊密度Dr：

②計算設計干重度：

③計算不同含礫量的砂礫料填筑干重度

非粘性土料的施工合格率要求一般為80%～85%。第三節(jié)土石壩的滲流分析

一、滲流的概念：水庫蓄水后，由于上下游水位差的關系，水流會通過壩體土粒之間的空隙從上游向下游流動。二、滲流分析的目的：

（1）確定壩體內(nèi)浸潤線的位置；（2）確定壩體及壩基的滲流量，以估算水庫的滲漏損失；（3）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；（4）為壩體穩(wěn)定分析和布置觀測設備提供依據(jù)。常用的滲流分析方法：流體力學方法、水力學方法、流網(wǎng)法和試驗法。三、滲流基本方程土壩滲流為層流，因此滿足達西定律(Darcy’sLaw),滲流區(qū)內(nèi)任一點勢函數(shù)應滿足拉普拉斯方程：

kx,ky——分別為x,y方向的滲透系數(shù)對于簡單的邊界條件，上述方程能解，復雜邊界條件，需借助數(shù)值方法。四、滲流的水力學問題假設:均質(zhì),層流,穩(wěn)定漸變流.

應用達西定律，并假定任一鉛直過水斷面內(nèi)各點的滲透坡降相等，對不透水地基上的矩形土體，流過斷面上的平均流速為：單寬流量：圖6-14

不透水地基上矩形土體的滲流計算圖

自上游向下游積分：

圖6-15

土壩浸潤線示意圖

自上游向區(qū)域中某點（x,y）積分，得浸潤線方程：圖6-16

流網(wǎng)的繪制五、流網(wǎng)法

第四節(jié)土石壩的穩(wěn)定分析一、目的

分析壩體及壩基在各種不同的工作條件下可能產(chǎn)生的穩(wěn)定破壞形式，通過必要的力學計算，校核壩剖面的安全度，經(jīng)過反復修改定出經(jīng)濟剖面。確定土壩穩(wěn)定性，主要指邊坡的抗滑穩(wěn)定。二、壩坡的滑動面形式

壩坡的滑動面形式主要與壩體結構型式、筑壩材料和地基情況、壩的工作條件等因素有關。1、曲線滑動面：滑動面通過粘性土部位時，2、折線滑動面：滑動面通過非粘性土部位時；3、復式滑動面：滑動面通過粘性土和非粘性土構成的多種土質(zhì)壩時。圖6-17

壩坡坍滑破壞形式

1-壩殼或者壩體；2-防滲體；3-滑動面；4-軟弱夾層

三、荷載及其組合（一）作用力

1、自重：水上——濕容重，水下——浮容重。

2、滲透力：與滲透坡降有關。

3、孔隙水壓力：總應力法和有效應力法.4、地震力：地震區(qū)應考慮地震慣性力。地震慣性力殼擬靜力法計算。（二）荷載組合：正常運用：（1）水庫蓄滿水（一般為正常蓄水位）形成穩(wěn)定滲流時，驗算下游壩坡穩(wěn)定。（2）水庫水位為最不利水位時，上游坡的計算。（3）庫水位降落，使上游坡產(chǎn)生滲透壓力時的穩(wěn)定計算非常運用：（1）庫水位驟降時的上游壩坡的計算（2）施工期（含竣工期）考慮孔隙水壓力上下游壩坡穩(wěn)定計算（3）地震情況下，上下游壩坡計算（4）校核水位時下游坡的計算四、穩(wěn)定分析方法

強度分析法和剛體極限平衡法。1、圓弧滑動法：針對粘性土的壩坡；2、折線滑動法：針對非粘性土的壩坡；圖6-18

壩坡穩(wěn)定計算示意圖圖6-19

非粘性土坡穩(wěn)定計算示意圖

第五節(jié)土石壩的應力應變分析目的：１）分析土石壩在承載時的內(nèi)力傳遞情況；２）計算壩體的位移和沉降；３）分析可能的滑動破壞過程；４）研究壩體發(fā)生裂縫以及防滲體遭受水力劈裂的可能性；５）分析壩體發(fā)生塑性流動的可能性。模型：研究比較深入的是以連續(xù)介質(zhì)力學為基礎的彈塑性本構模型。（但是這些模型在一定的條件下能成功地描述了土的特性，但應用于工程設計仍有一定困難，主要是計算復雜，應用的參數(shù)較多，通過實驗確定這些參數(shù)比較困難，更重要的則是缺乏足夠數(shù)量的實際工程檢驗。因此土的本構模型還需要進一步的發(fā)展完善。）應用較多的是鄧肯－張模型———雙曲線性非線性彈性模型。比較簡單，所需要的參數(shù)容易獲取，計算剛度矩陣方便，同時又能近似地反映土石材料的非線性特性。第六節(jié)土石壩的裂縫及其控制

土石壩裂縫類型及控制措施

1、類型：干縮、凍融、不均勻沉降、滑坡、水力劈裂等。

2、控制措施：合理設計土石壩的剖面和細部結構；選擇適宜的筑壩材料并采用合理的設計參數(shù)；嚴格控制施工質(zhì)量，精心管理第七節(jié)土石壩的地基處理地基處理1、目的（1）滲流控制（2）穩(wěn)定控制（3）變形控制2、常見地基（1）巖基或淺覆蓋地基（2）砂礫石地基（3）細砂或有淤泥地基（4）粘土或黃土地基3、砂礫石地基處理

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。

(1)垂直防滲：粘土截水槽、砼防滲墻，灌漿帷幕；

(2)水平防滲：鋪蓋；

(3)下游設排水減壓設施。*當砂礫石透水層深度不大時(10～15米以內(nèi)),采用水平鋪蓋加截水槽的措施圖6-20

粘土截水墻

圖6-21

粘土截水墻與不透水土層的連接

圖6-22

混凝土防滲墻

當砂礫石透水層較深時(>10～15米),