項(xiàng)目三 土石壩講解

土石壩第一節(jié)概述

土石壩的特點(diǎn)與類型

小浪底土石壩樞紐壩址密云水庫小浪底壩體剖面圖

土石壩的優(yōu)點(diǎn)①筑壩材料可以就地取材。

②能適應(yīng)各種不同的地形、地質(zhì)和氣候條件。

③適應(yīng)大型機(jī)械化。④構(gòu)造簡單，運(yùn)用管理方便。

土石壩的缺點(diǎn)：

①壩頂不能溢流。②施工導(dǎo)流不方便。③壩體填筑工程量大。一、土石壩設(shè)計(jì)的基本要求（1）具有足夠的斷面維持壩體的穩(wěn)定（2）設(shè)置良好的防滲和排水設(shè)施控制滲流（3）設(shè)計(jì)合理（4）泄洪建筑物具有足夠的泄洪能力（5）采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施土石壩的工作條件⑴

滲流影響⑵沖刷影響⑶沉陷影響⑷其他影響二、土石壩的類型按壩體高度可分為：高壩、中壩、低壩。按施工方法可分為：碾壓式土石壩，沖填式土石壩，水中填土壩和定向爆破堆石壩等。均質(zhì)壩土質(zhì)心墻壩土質(zhì)斜墻壩按土料在壩身內(nèi)的配置和防滲體所用的材料又可分為：

土質(zhì)斜心墻壩多種土質(zhì)壩人工材料心墻壩人工材料斜墻壩第二節(jié)土石壩的基本剖面

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(hù)坡四部分組成。

土石壩由壩身、防滲體、排水體和護(hù)坡等四部分組成。壩身主要用來保持壩體的穩(wěn)定，壩身料應(yīng)具有比較高的強(qiáng)度。下游壩身的水下部分以及上游壩身的水位變動(dòng)區(qū)則要求具有良好的排水性能。防滲體的作用控制壩內(nèi)浸潤線的位置，并保持穩(wěn)定滲流，這部分的土體比壩殼其他部分更不透水。排水體的作用是控制和引導(dǎo)滲流，降低浸潤線，加速孔隙水壓力消散，以增強(qiáng)壩的穩(wěn)定，并保護(hù)下游免遭凍脹破壞。

上游護(hù)坡為了防止風(fēng)浪淘刷、順坡水流沖刷、冬季結(jié)冰和庫區(qū)漂浮物對(duì)上游坡面的破壞，下游護(hù)坡為了避免雨水沖刷，保護(hù)下游尾水部位的壩坡免受風(fēng)浪、冰層和水流的作用以及動(dòng)物、凍脹干裂等因素的破壞。

排水設(shè)備(常見的排水型式)棱體排水貼坡排水褥墊排水綜合式排水

一、壩頂高程壩頂超出靜水位以上的超高按下式計(jì)算：

d=h0+e+A二、壩頂寬度

三、壩坡第三節(jié)土石壩的構(gòu)造一、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(jié)構(gòu)和施工上的要求。常見的防滲體型式有心墻、斜墻、斜墻+鋪蓋、心墻+截水墻、斜墻+截水墻等。

(一）

土質(zhì)防滲體（1）土質(zhì)心墻心墻一般布置在壩體中部，有時(shí)稍偏向上游并略傾斜，以便于和防浪墻相連接，通常采用透水性很小的粘性土筑成。心墻頂部高程應(yīng)高于正常運(yùn)用情況下的靜水位0.3～0.6m，且不低于非常運(yùn)用情況下的靜水位。（2）土質(zhì)斜墻

斜墻位于壩體上游面，斜墻頂部高程應(yīng)高于正常運(yùn)用情況下的靜水位0.6～0.8m，且不低于非常運(yùn)用情況下的靜水位。（3）土質(zhì)斜心墻

為了克服心墻壩可能產(chǎn)生的拱效應(yīng)和斜墻壩對(duì)變形敏感等問題，有時(shí)將心墻設(shè)在壩體中央向上游傾斜，成為斜心墻。（二）人工材料防滲體

（1）瀝青混凝土

用混凝土作防滲體，其抗?jié)B性能較好，但由于其剛度較大，常因與壩體及壩基間變形不協(xié)調(diào)而發(fā)生裂縫。用作防滲體的瀝青混凝土，應(yīng)具有良好的熱穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、防滲性、可撓性、和易性和足夠的強(qiáng)度，土石壩中常用瀝青混凝土作為防滲心墻或面板。（2）復(fù)合土工膜土工膜是土工合成材料的一種，包括聚乙烯、聚氯乙烯、氯化聚乙烯等。土工膜具有很好的物理、力學(xué)和水力學(xué)特性，其滲透系數(shù)一般都小于10-8～10-12cm/s，高密度聚乙烯薄板的滲透系數(shù)可以小于10-13cm/s，具有很好的防滲性。如云南楚雄州塘房廟堆石壩，壩高50m，采用復(fù)合土工膜作防滲材料，布置在壩體斷面中間，現(xiàn)已竣工運(yùn)行。二、壩頂及護(hù)坡（一）壩頂壩頂需設(shè)路面，當(dāng)有交通要求時(shí)應(yīng)按道路要求設(shè)計(jì)，如無交通要求，則可用單層砌石或礫石護(hù)面以保護(hù)壩體。壩頂設(shè)防浪墻可降低壩頂路面高程，防浪墻高度約為1.2m左右，可用漿砌石或混凝土筑成。為便于排除壩頂雨水，壩頂路面常設(shè)直線或折線型橫坡，坡度宜采用2%～3%。（二）護(hù)坡為保護(hù)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(jié)、膨脹和收縮以及人畜破壞等，需設(shè)置護(hù)坡結(jié)構(gòu)上游護(hù)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(hù)坡要求略低，可采用草皮、干砌石、堆石等型式。

圖砌石護(hù)坡構(gòu)造（a）馬道；（b）護(hù)坡坡腳三、壩體排水和反濾層（一）壩體排水壩身排水的目的主要是為了：①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；②防止?jié)B流逸出處的滲透變形，保護(hù)壩坡和壩基；③防止下游波浪對(duì)壩坡的沖刷及凍脹破壞，起到保護(hù)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，另外還有網(wǎng)狀排水帶、排水管和豎式排水體等型式。（1）棱體排水這種型式排水效果好，除了能降低壩體浸潤線防止?jié)B透變形外，還可支撐壩體、增加壩體的穩(wěn)定性和保護(hù)下游壩腳免遭淘刷。（2）貼坡排水貼坡排水又稱表層排水，它不能降低浸潤線，但能提高壩坡的抗?jié)B穩(wěn)定性和抗沖刷能力。

（3）褥墊排水

排水伸入壩體內(nèi)部，能有效地降低壩體浸潤線，但對(duì)增加下游壩坡的穩(wěn)定性不明顯，常用于下游水位較低或無水的情況。（4）組合式排水兼有各種單一排水型式的優(yōu)點(diǎn)。

（二）反濾層及過渡層

它可起到濾土、排水的作用。通常在土質(zhì)防滲體（包括心墻、斜墻、鋪蓋、截水槽等）與壩殼和壩基透水層之間，以及下游滲流出逸處。≤4～5且≥5四、土工合成材料在土石壩防滲和排水反濾中的應(yīng)用（一）土工膜（二）土工織物五、土石壩的裂縫控制（1）縱縫（2）橫縫（3）內(nèi)部裂縫

（拱效應(yīng)）第九節(jié)土石壩與壩基、岸坡及其他建筑物的連接一、壩體與壩基及岸坡的連接1壩體與土基（清基、夯實(shí)）2壩體與巖基（混凝土結(jié)合槽）

第十節(jié)土石壩的抗震設(shè)計(jì)一、土石壩的地震震害二、土的動(dòng)力特性1.加載速率的影響（短時(shí)的荷載）2.循環(huán)加載的影響（液化）

第四節(jié)

土石壩滲流分析方法土石壩滲流分析的內(nèi)容及目的土石壩滲流分析的內(nèi)容：①確定浸潤線的位置；②確定滲流的主要參數(shù)——滲流流速與坡降；③確定滲流量。土石壩滲流分析的目的：①對(duì)初選的壩的形狀與尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)，確定滲流作用力，為核算壩坡穩(wěn)定提供依據(jù)；②進(jìn)行壩體防滲布置與土料配置，根據(jù)壩體內(nèi)部的滲流參數(shù)和滲流逸出坡降，檢驗(yàn)土體的滲流穩(wěn)定，防止發(fā)生管涌與流土，在此基礎(chǔ)上確定壩體及壩基中防滲體的尺寸與排水設(shè)施的容量和尺寸；③確定通過壩和河岸的滲流水量損失并設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)的容量。

教材209頁一、土石壩中的滲流特性

υ=κＪ1/β二、滲流分析的基本方程根據(jù)達(dá)西定律教材210頁

浸潤線：滲流在土壩壩體內(nèi)的自由水面與垂直壩軸線剖面的交線。滲流分析方法主要有：流體力學(xué)法、水力學(xué)法、流網(wǎng)法、試驗(yàn)法和數(shù)值解法。三、水力學(xué)法（基本假定）

應(yīng)用達(dá)西定律和假定，全斷面內(nèi)的平均流速等于：

設(shè)單寬滲流量為q，則：

浸潤線方程：

矩形土體單寬滲流量為：下游有褥墊排水的情況根據(jù)流體力學(xué)的分析，圖所示的浸潤線可用通過E點(diǎn)并以排水起點(diǎn)D為焦點(diǎn)的拋物線表示。若B點(diǎn)高度為h0，則C點(diǎn)距D點(diǎn)的距離為。由于浸潤線過點(diǎn)B（x=L′，y=h0）和C（x=L′+h0/2，y=0），故浸潤線方程可表示為：

又因浸潤線通過點(diǎn)E（x=0，y=H1）,故：

通過壩身單寬滲流量q為：

b=Hm11+2m1b有棱體排水時(shí)當(dāng)下游無水時(shí)，按上述褥墊排水情況計(jì)算。當(dāng)下游有水時(shí)，可將下游水面以上部分按照褥墊式下游無水情況處理，即：

單寬滲流量可按下式求得：

浸潤線仍按式計(jì)算。

圖透水地基上帶截水槽的心墻壩的滲流計(jì)算圖圖透水地基上帶截水槽的斜墻壩的滲流計(jì)算圖有限深透水地基上均質(zhì)壩滲流計(jì)算

首先按不透水地基上均質(zhì)壩的計(jì)算方法，確定壩體的滲流量；再假定壩體不透水，根據(jù)滲流的達(dá)西定律，按式下式計(jì)算地基的滲流量；然后取總單寬流量q為兩者之和。

L0/T20543211.051.181.231.301.441.87（二）流網(wǎng)法是一種圖解法，滲流場不復(fù)雜時(shí)，采用此方法精度能滿足工程要求。圖土壩總滲透流量計(jì)算示意圖（三）總滲流量的計(jì)算

前面計(jì)算的是通過壩體和壩基的單寬滲流量。由于沿壩軸線的各斷面形狀及地基地質(zhì)條件并不相同，因此計(jì)算通過壩體的總滲流量，可根據(jù)具體情況將壩體沿壩軸線劃分為若干段。

四、土石壩滲透變形及其防護(hù)滲透變形的型式：一般有管涌、流土、接觸沖刷、剝離和化學(xué)管涌等類型。工程中以管涌和流土最為常見。

滲透變形防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)：管涌、流土217頁防止?jié)B透變形的工程措施有以下幾種：（1）設(shè)置防滲設(shè)施；（2）設(shè)置排水溝或減壓井；（3）設(shè)置反濾層。

圖太平湖土壩減壓井和透水蓋重（單位：m）第五節(jié)

土石壩的穩(wěn)定分析一、土石壩滑動(dòng)破壞型式

失穩(wěn)的原因土石壩的壩坡較緩，在外荷載及自重作用下，不會(huì)產(chǎn)生整體水平滑動(dòng)。由于其壩體材料為散粒體，如果剖面尺寸不當(dāng)或壩體、壩基材料的抗剪強(qiáng)度不足，在一些不利荷載組合下有可能發(fā)生壩體或壩體連同部分壩基一起局部滑動(dòng)的現(xiàn)象，造成失穩(wěn)。土石壩失穩(wěn)的原因：土石壩產(chǎn)生滑坡的原因往往是由于壩體抗剪強(qiáng)度太小，壩坡偏陡，滑動(dòng)土體的滑動(dòng)力超過抗滑力，或由于壩基土的抗剪強(qiáng)度不足因而會(huì)連同壩體一起發(fā)生滑動(dòng)。滑動(dòng)力大小主要與壩坡的陡緩有關(guān)，壩坡越陡，滑動(dòng)力越大。常見的滑動(dòng)破壞型式曲線滑動(dòng)面復(fù)合式滑動(dòng)面

折線滑動(dòng)面

1）曲線滑動(dòng)面，當(dāng)滑動(dòng)面通過粘性土部位時(shí)，其形狀通常為一頂部陡而底部漸緩的曲面，在穩(wěn)定分析中多以圓弧代替。

2）折線滑動(dòng)面，多發(fā)生在非粘性土的壩坡中。如薄心墻壩，斜墻壩中；當(dāng)壩坡部分浸水，則常為近于折線的滑動(dòng)面，折點(diǎn)一般在水面附近。

3）復(fù)式滑動(dòng)面，厚心墻或由粘土及非粘性土構(gòu)成的多種土質(zhì)壩形成復(fù)合滑動(dòng)面。當(dāng)壩基內(nèi)有軟弱夾層時(shí)，因其抗剪強(qiáng)度低，滑動(dòng)面不再往下深切，而是沿該夾層形成曲、直面組合的復(fù)合滑動(dòng)面。二、荷載及其組合

1）荷載土石壩穩(wěn)定計(jì)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。

2）計(jì)算工況與安全系數(shù)施工期穩(wěn)定滲流期水庫水位降落期正常情況遇地震期新規(guī)范三、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測定和選擇

四、穩(wěn)定分析方法

依據(jù)滑裂面的不同型式，可分為圓弧滑動(dòng)法、折線滑動(dòng)法和復(fù)合滑法。圖圓弧滑動(dòng)法穩(wěn)定計(jì)算有效應(yīng)力法：總應(yīng)力法：

圓弧滑動(dòng)法折線滑動(dòng)法β

θδ

P

圖復(fù)合滑動(dòng)面穩(wěn)定計(jì)算復(fù)式滑動(dòng)法穩(wěn)定分析方法的發(fā)展土石壩的固結(jié)、沉降與應(yīng)力分析一、固結(jié)與沉降分析壩在施工和蓄水過程中荷載和應(yīng)力狀態(tài)不斷發(fā)生變化，粘性土在外荷載作用下產(chǎn)生壓縮時(shí)，由于孔隙水壓力不能及時(shí)排出，外荷載便由土粒、孔隙中的水共同承擔(dān)。隨著超靜孔隙水壓力的逐漸消散，所加的外荷載逐漸向土料骨架上轉(zhuǎn)移。使之發(fā)生壓縮變形直到穩(wěn)定，這一過程成為固結(jié)。

固結(jié)分析的目的是，了解防滲體和粘性土壩基中的孔隙水壓力及其沉降變形隨時(shí)間的變化情況，評(píng)價(jià)其對(duì)壩坡穩(wěn)定和壩基承載力的影響。（一）固結(jié)分析1、固結(jié)分析的基本方程（太沙基、比奧固結(jié)理論（4條假定）土體變形主要由孔隙水壓力和超靜孔隙水壓力消散而引起。2、固結(jié)分析的近似計(jì)算（關(guān)注孔隙水壓力對(duì)壩體的影響）u=u0+△u(二）沉降分析孔隙水壓力消散，導(dǎo)致土體被壓縮產(chǎn)生沉降。根據(jù)壓縮曲線確定相應(yīng)的孔隙比△e總沉降量壓縮曲線近似為直線時(shí)二、應(yīng)力分析

目前還缺乏比較完善的計(jì)算模型，廣泛使用的是鄧肯——張（DuncanandChang)模型。計(jì)算成果只能供設(shè)計(jì)參考。第六節(jié)筑壩用土石料及填筑標(biāo)準(zhǔn)一、防滲體土料

防滲體是土石壩防滲的核心部分，它主要是利用低透水性的材料將滲流控制在允許范圍內(nèi)。防滲體應(yīng)具有足夠的防滲性和一定的抗剪強(qiáng)度，高心墻還應(yīng)具有低壓縮性。土料選擇原則防滲性、抗剪強(qiáng)度、壓縮性、抗?jié)B穩(wěn)定性、含水量、顆粒級(jí)配、膨脹量及體縮量、可溶鹽。

二.壩殼土石料土石壩的壩殼材料主要起保護(hù)、支撐防滲體并保持壩體的穩(wěn)定，因而對(duì)強(qiáng)度有一定的要求。壩殼材料在壓實(shí)后，應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和一定的抗風(fēng)化能力，對(duì)于下游壩殼水下部位及上游壩殼水位變動(dòng)區(qū)材料還應(yīng)有良好的透水性。分化巖的應(yīng)用與填筑標(biāo)準(zhǔn)。常見的滑動(dòng)破壞型式曲線滑動(dòng)面復(fù)合式滑動(dòng)面

折線滑動(dòng)面

三、反濾料、過渡層及排水體采用質(zhì)地致密堅(jiān)硬，具有高抗水性和抗風(fēng)化能力的材料。第七節(jié)土石壩的地基處理

土石壩地基處理的主要目的是為了滿足控制滲流，減少滲透坡降。保持壩體和壩基的靜力和動(dòng)力穩(wěn)定，不產(chǎn)生過大的有害變形，不發(fā)生明顯的不均勻沉降。以保證壩的安全運(yùn)行。一、巖石地基的處理主要是防滲二、砂礫石壩基處理1）粘土截水槽2）混凝土防滲墻3）灌漿帷幕4）防滲鋪蓋5）下游排水減壓設(shè)施三、細(xì)砂、軟粘土和濕陷性黃土壩基處理

（一）細(xì)砂壩基（液化）（二）軟粘土壩基（三）濕陷性黃土壩基處理第八節(jié)土石壩與壩基、岸坡及其他建筑物的連接一、壩體與壩基及岸坡的連接1壩體與土基（清基、夯實(shí)）2壩體與巖基（混凝土結(jié)合槽）

二、壩體與混凝土建筑物的連接

1.插入式（見圖5-39）

2.翼墻（見圖5-40）第九節(jié)土石壩