高职高专水工建筑物教案土石坝.doc

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第四章土石坝

§4-1土石坝的特点和类型

一、土石坝的特点和设计要求

分析土石坝的四大问题

（1）稳定方面。

土石坝不会产生水平整体滑动。

土石坝失稳的形式，主要是坝坡的滑动或坝坡连同部分坝基一起滑动。

（2）渗流方面。

土石坝挡水后，在坝体内形成由上游向下游的渗流。

渗流不仅使水库损失水量,还易引起管涌、流土等渗透变形。

坝体内渗流的水面线叫做浸润线。

浸润线以下的土料承受着渗透动水压力，并使土的内磨擦角和粘结力减小，对坝坡稳定不利。

（3）冲刷方面。

土石坝为散粒体结构，抗冲能力很低；

l工程措施：

①在土石坝上下游坝坡设置护坡，坝顶及下游坝面布置排水措施，以免风浪、雨水及气温变化带来有害影响；②坝顶在最高库水位以上要留一定的超高，以防止洪水漫过坝顶造成事故；③布置泄水建筑物时，注意进出口离坝坡要有一定距离，以免泄水时对坝坡产生淘刷。

（4）沉陷方面。

由于土石料存在较大的孔隙，且易产生相对的移动，在自重及水压力作用下，会有较大的沉陷。

为防止坝顶低于设计高程和产生裂缝，施工时应严格控制碾压标准并预留沉陷量，使竣工时坝顶高程高于设计高程。

可按坝高的（1～2）％预留沉陷值。

二、土石坝的类型

（一）按坝高分类

土石坝按坝高可分为：

高度在30m以下的为低坝，

高度在30~70m之间的为中坝，

高度超过70m的为高坝。

土石坝的坝高均从清基后的地面算起。

（二）按施工方法分类

（1）碾压式土石坝。

（2）水力冲填坝。

（3）水坠坝。

（4）水中填土坝或水中倒土坝。

（5）土中灌水坝。

（6）定向爆破堆石坝。

（三）按坝体材料的组合和防渗体的相对位置分类

1．土坝

（1）均质坝：

（2）粘土心墙坝和粘土斜墙坝：

（3）人工材料心墙和斜墙坝：

（4）多种土质坝：

2．土石混合坝

上述多种土质坝中，粗粒土改用砂砾石料筑成的坝，或用土石混合在一起的材料筑成的坝，称为土石混合坝。

3．堆石坝

除防渗体外，坝体的绝大部分或全部由石料堆筑起来的称为堆石坝

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§4-2土石坝的剖面与构造

一、坝顶高程

l坝顶高程根据正常运用和非常运用的静水位加相应的超高Y予以确定。

l计算情况：

①设计洪水位+正常运用情况的坝顶超高；

②校核洪水位+非常运用情况的坝顶超高；最大值为坝顶高程

③正常高水位+非常运用情况的坝顶超高+地震安全加高

l坝顶设防浪墙时，超高值Y是指静水位与墙顶的高差。

l计算的坝顶高程是指坝体沉降稳定后的数值。

lY按下式计算。

Y=R+e+A

（4-2）

式中R——波浪在坝坡上的最大爬高，m;

e——最大风壅水面高度，即风壅水面超出原库水位高度的最大值，m;

Hm——坝前水域平均水深，m;

K——综合摩阻系数，其值变化在（1.5～5.0）之间，计算时一般取K=3.6;

——风向与水域中线（或坝轴线的法线）的夹角，度；v0、D——计算风速和风区长度，见第二章；

A——安全加高，m;根据坝的等级和运用情况，按表4-1确定。

l波浪爬高:

波浪沿建筑物坡面爬升的垂直高度（由风壅水面算起）称为波浪爬高，波浪爬高R的计算，土石坝设计规范推荐采用蒲田试验站公式，其具体计算方法如下：

（1）计算波浪的平均爬高：

当坝坡系数m=1.5～5.0时，平均爬高计算公式：

式中——斜坡的糙率渗透性系数

——经验系数，由计算风速v0（m/s）、水域平均水深（m）和重力加速度g组成的无维量；

m—单坡的坡度系数，若单坡坡角为，则m=ctg；

、——平均波高和波长，m;

薄田试验站的波高和波长计算：

1）平均波高hm用式计算：

2）平均波长Lm由平均周期Tm和平均水深Hm按下述理论公式计算：

平均周期Tm=4.438

当0.5时，称为深水波，其波长与周期有关：

当<0.5时，称为浅水波，其波长与周期和水深有关：

（2）计算设计爬高值R：

不同累计频率的爬高与的比，可根据爬高统计分布表确定。

当风向与坝轴的法线成一夹角时，波浪爬高应乘以折减系数,其值由表确定。

二、坝顶宽度

坝顶宽度应根据运行、施工、构造、交通和人防等方面的要求综合研究后确定。

坝顶宽度应按照交通规定选定。

当无特殊要求时，高坝的坝顶最小宽度可选用10～15m，中低坝可选用5～10m。

坝顶宽度必须考虑心墙或斜墙顶部及反滤层布置的需要。

在寒冷地区，坝顶还须有足够的厚度以保护粘性土料防渗体免受冻害。

三、坝坡

（1）上游坝坡常比下游坝坡为缓，但堆石坝上、下游坝坡坡率的差别要比砂土料为小。

（2）土质防渗体斜墙坝上游坝坡的稳定受斜墙土料特性的控制，斜墙的上游坝坡一较心墙坝为缓。

而心墙坝，特别是厚心墙坝的下游坝坡，因其稳定性受心墙土料特性的影响，一般较斜墙坝为缓。

（3）粘性土料的稳定坝坡为一曲面，上部坡陡，下部坡缓，所以用粘性土料做成的坝坡，常沿高度分成数段，每段10～30m,从上而下逐渐放缓，相邻坡率差值取0.25或0.5。

砂土和堆石的稳定坝坡为一平面，可采用均一坡率。

由于地震荷载一般沿坝高呈非均匀分布，所以，砂土和石料有时也做成变坡形式。

（4）由粉土、砂、轻壤土修建的均质坝，透水性较大，为了保持渗流稳定，一般要求适当放缓下游坝坡。

（5）当坝基或坝体土料沿坝轴线分布不一致时，应分段采用不同坡率，在各段间设过渡区，使坝坡缓慢变化。

土石坝坝坡确定的步骤是：

根据经验用类比法初步拟定，再经过核算、修改以及技术经济比较后确定。

马道的形式及布置要求。

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§4-3土石坝的渗流分析

一、渗流分析的目的和方法

（一）渗流分析的目的

（1）确定坝体浸润线和下游渗流出逸点的位置。

（2）确定坝体与坝基的渗流量,以便估计水库渗漏损失和确定坝体排水设备的尺寸。

（3）确定坝坡出逸段和下游地基表面的出逸坡降,,以判断该处的渗透稳定性。

（4）确定库水位降落时上游坝壳内自由水面的位置,估算由此产生的孔隙水压力,供上游坝坡稳定分析之用。

（二）渗流分析的方法

解析法分为流体力学法和水力学法。

本节主要介绍水力学法。

手绘流网法是一种简单易行的方法,能够求渗流场内任一点渗流要素,并具有一定的精度,但在渗流场内具有不同土质,且其渗透系数差别较大的情况下较难应用。

二、渗流分析的水力学法

l计算情况:

①上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；

②上游设计洪水位与下游相应的最高水位；

③上游校核洪水位与下游相应的最高水位；

④库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。

（一）渗流基本公式

对于不透水地基上矩形土体内的渗流,如图所示。

渗流计算图

q=

即

由式可知,浸润线是一个二次抛物线。

式当渗流量q已知时,即可绘制浸润线,若边界条件已知,即可计算单宽渗流量。

（二）不透水地基上均质土石坝的渗流计算

（1）土石坝下游有水而无排水设备的情况。

当下游无水时,以上各式中的H2=O;当下游有贴坡排水时,因贴坡式排水基本上不影响坝体浸润线的位置,所以计算方法与下游不设排水时相同。

以下游有水而无排水设备的情况为例。

计算时将土坝剖面分为上游楔形体,中间段和下游楔形体三段,如图所示。

l等效矩形宽度：

，值由下式计算:

式中——上游坝面的边坡系数,如为变坡则取平均值；

——上游水深。

l计算对象：

坝身段（AMB”）及下游楔形体段（B’B”N）。

l坝身段的渗流量为:

（4-15）

式中——浸润线出逸点在下游水面以上高度；

K——坝身土壤渗透系数；

H1——上游水深；

H2——下游水深；

——见图（4-6）。

l下游楔形体的渗流量：

可分下游水位以上及以下两部分计算。

根据试验研究认为，下游水位以上的坝身段与楔形体段以1：

0.5的等势线为分界面，下游水位以下部分以铅直面作为分界面，与实际情况更相近，则通过下游楔形体上部的渗流量为：

通过下游楔形体下部的渗流量为

通过下游楔形体的总渗流量为:

式中

l水流连续条件：

l未知量的求解：

两个未知数渗流量和逸出点高度。

浸润线由式（4-13）确定。

上游坝面附近的浸润线需作适当修正:

自A点作与坝坡AM正交的平滑曲线,曲线下端与计算求得的浸润线相切于A’点,。

当下游无水时,以上各式中的H2=O;当下游有贴坡排水时,因贴坡式排水基本上不影响坝体浸润线的位置,所以计算方法与下游不设排水时相同。

（1）有褥垫排水的均质坝

（2）有棱体排水的均质坝

当下游无水时,按上述褥垫式排水情况计算。

（三）有限深透水地基上土石坝的渗流计算

（1）均质土石坝

l渗流量：

可先假定地基不透水,按上述方法确定坝体的渗流量和浸润线；然后再假定坝体不透水,计算坝基的渗流量；最后将和相加,即可近似地得到坝体和坝基的渗流量。

l坝体浸润线：

可不考虑坝基渗透的影响,仍用地基不透水情况下的结果。

对于有褥垫排水的情况,因地基渗水而使浸润线稍有下降,可近似地假定浸润线与排水起点相交。

由于渗流渗入地基时要转一个90的弯,流线长度比坝底长度要增大些。

根据实验和流体力学分析,增大的长度约为0.44T。

（T为地基透水层的厚度）。

这时,通过坝体和坝基的渗流量可按下式计算:

式中的q用坝身的渗流量。

（2）心墙土石坝

心墙、截水墙段:

其土料一般是均一的,可取平均厚度进行计算。

若心墙后的浸润线高度为h，则通过心墙、截水墙的渗流量

下游坝壳和坝基段:

由于心墙后浸润线的位置较低,可近似地取浸润线末端与堆石棱体的上游端相交,然后分别计算坝体和坝基的渗流量。

当下游有水时,可近似的假定浸润线逸出点在下游水面与堆石棱体内坡的交点处,用上述同样的方法进行计算。

（3）斜墙土石坝有限深透水地基上的斜墙土坝,一般同时设有截水墙或铺盖。

前者用以拦截透水地基,后者用以延长渗径、减小渗透坡降,防止渗透变形,两种结构的布置如图所示。

1）有截水墙的情况它与心墙土坝的情况类似,

当下游无水时，H2=0，L1=L。

当T=0时，也可得出不透水地基上斜墙坝的渗流计算公式。

2）有铺盖的情况当铺盖与斜墙的渗透系数比坝体和坝基的渗透系数小很多时，可近似地认为铺盖与斜墙是不透水的，并以铺盖末端为分界线，将渗流区分为两段进行计算。

（四）总渗流量计算

计算总流量时，应根据地形及透水层厚度的变化情况，将土石坝沿坝轴线分为若干段，如图所示，然后分别计算各段的平均单宽流量，则全坝的总渗透流量Q可按下式计算：

Q=

式中、——各段坝长；

、——断面1、断面2处的单宽流量；

渗流量计算图

三、渗流分析的手绘流网法

（一）流网的特性

（1）流线和等势线都是圆滑的曲线。

（2）流线和等势线是互相正交的，即在相交点，二曲线的切线互相垂直。

（二）流网的绘制

以不透水地基上均质坝为例说明手绘流网的方法，如图所示。

l首先确定渗流区的边界：

上、下游水下边坡线AF和DE均为等势线，初拟的浸润线AC及坝体与不透水地基接触线FE均为流线。

下游坡出逸段CD既不是等势线，也不是流线，所以流线与等势线均不与它垂直正交，但其上各点反映了该处逸出渗流的水面高度。

l其次，将上、下游水头差分成n等分，每段为（如图中分为10等分，每段为0.1），然后引水平线与浸润线相交，从交点处按照等势线与流线正交的原则绘制等势线，形成初步的流网。

l最后，不断修改流线（包括初拟浸润线）与等势线，必要时可插补流线和等势线，直至使它们构成的网格符合要求，通常使之成为扭曲正方形。

（三）流网的应用

（1）渗透坡降与渗透流速：

在图中任取一网格i，两等势线相距为ΔLi，两流线间相距为ΔMi,水头差为，则该网格的平均渗透坡降为：

通过该网格两流线间（流带）的平均渗透流速为：

由于K、在同一流网中为常数，及大小与网格的中线长成反比，即网格小的地方坡降和流速大，反之则小。

因此，从流网中可以很清楚地看出流速的分布情况和水力坡降的变化。

（2）渗流量单宽渗流量q为所有流带流量的总和。

网格i所在流带中的渗流量为：

如果绘制的网格是扭曲正方形（），则：

如整个流网分成m个流带（图中分为3个），则单宽总渗透流量为：

（3） 渗透动水压力因为任意两相邻等势线的水头差为，所以任一网格i范围内的土体所承受的渗透动水压力为：

式中Ai——网格i的面积；

γ——水的重度。

五、土石坝的渗透变形及其防止措施

（一）渗透变形的型式

（1）管涌在渗流作用下，坝体或坝基中的细小颗粒被渗流带走逐步形成渗流通道的现象称为管涌，常发生在坝的下游坡或闸坝下游地基面渗流逸出处。

没有凝聚力的无粘性砂土、砾石砂土中容易出现管涌；粘性土的颗粒之间存在有凝聚力（或称粘结力），渗流难以把其中的颗粒带走，一般不易发生管涌。

（2）流土在渗流作用下，成块土体被掀起浮动的现象称为流土。

它主要发生在粘性土及均匀非粘性土体的渗流出口处。

发生流土时的水力坡降称为流土的破坏坡降。

（3）接触冲刷当渗流沿两种不同土壤的接触面流动时，把其中细颗粒带走的现象，称为接触冲刷。

接触冲刷可能使临近接触面的不同土层混合起来。

（4）接触流土和接触管涌渗流方向垂直于两种不同土壤的接触面时，例如在粘土心墙（或斜墙）与坝壳砂砾料之间，坝体或坝基与排水设施之间，以及坝基内不同土层之间的渗流，可能把其中一层的细颗粒带到另一层的粗颗粒中去，称为接触管涌。

当其中一层为粘性土，由于含水量增大凝聚力降低而成块移动，甚至形成剥蚀时，称为接触流土。

（二）渗透变形型式的判别

试验研究表明，土壤中的细颗粒含量是影响土体渗透性能和渗透变形的主要因素。

（三）渗透变形的临界坡降

（1）管涌的临界坡降对中小型工程及初步设计时，当渗流方向为由下向上时，可用南京水利科学研究院的经验公式推算：

式中d3——相应于粒径曲线上含量为3%的粒径

K——渗透系数，cm/s；

n——土壤孔隙率。

容许渗透坡降[J]，可根据建筑物的级别和土壤的类型选用安全系数2～3。

[J]值还可参照不均匀系数值选用：

10<<20的非粘性土，[J]=0.20；>20的非粘性土，[J]=0.10。

（2） 流土的临界坡降当渗流自下向上作用时，常采用根据极限平衡得到的太沙基公式计算， 即：

式中G——土粒比重；

n——土的孔隙率。

JB一般在0.8～1.2之间变化。

南京水利科学研究院建议把上式乘以1.17。

容许渗透坡降[JB]也要采用一定的安全系数，对用粘性土，可用1.5；对于非粘性土，可用2.0～2.5。

（四）防止渗透变形的工程措施

设置反滤层是提高抗渗破坏能力、防止各类渗透变形特别是防止管涌的有效措施。

在任何渗流流入排水设施处一般都要设置反滤层。

（1）反滤层的结构反滤层一般是由２～３层不同粒径的非粘性土、砂和砂砾石组成的。

层次排列应尽量与渗流的方向垂直，各层次的粒径则按渗流方向逐层增加，如图所示。

（２）反滤层的材料反滤层的材料首先应该是耐久的、能抗风化的砂石料。

为保证滤土排水的正常工作，材料的布置和要求应满足如下原则：

1）被保护土壤的颗粒不得穿过反滤层。

但对细小的颗粒（如粒径小于0.1mm的砂土），则可允许被带走。

因为它的被带走不会使土的骨架破坏，不至于产生渗透变形。

2）各层的颗粒不得发生移动。

3）相临两层间，较小的一层颗粒不得穿过较粗一层的孔隙。

4）反滤层不能被堵塞，而且应具有足够的透水性，以保证排水畅通。

5）应保证耐久、稳定，其工作性能和效果应不随时间的推移和环境的改变而遭受破坏。

（３）反滤层级配的设计根据上述要求，《碾压式土石坝设计规范》中提出如下的设计方法：

对于被保护的第一层反滤层，建议用：

式中——反滤层的粒径，小于该粒径的土重占总重的15%；

——被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总重的85%；

——被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总重的15%。

（４）土工织物简介土工织物已在国内外的水利工程、铁路路基和海港等工程中广泛应用，我国也在广泛的研究和试用中。

土工织物是由聚合物形成的纤维制成的。

使用最广泛的聚合物是聚酯、聚丙稀、聚乙稀和聚酰胺，它们都具有较高的机械强度。

按其制成的方法可分为三种类型：

①有纺型——由相互正交的纤维组成；②编织型——用一根根单一的纤维按一定的方式编成；③无纺型——其纤维呈无规则编列的状态。

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§4-4土石坝的稳定分析①

一．概述

坝坡稳定计算时，应先确定滑裂面的形状，大体可归纳为如下几种：

（1）曲线滑裂面当滑裂面通过粘性土的部位时，其形状常是上陡下缓的曲面，由于曲线近似圆弧，因而在实际计算中常用圆弧代替。

（2）直线或折线滑裂面滑裂面通过无粘性土时，滑裂面的形状可能是直线或折线形。

当坝坡干燥或全部浸入水中时呈直线形；当坝坡部分浸入水中时呈折线形[图。

斜墙坝的上游坡失稳时，通常是沿着斜墙与坝体交界面滑。

（3）复合滑裂面当滑裂面通过性质不同的几种土料时，可能是由直线和曲线组成的复合形状滑裂面。

二、荷载组合及稳定安全系数的标准

（一）荷载

土石坝稳定计算必须考虑的荷载有自重、渗透动水压力和地震惯性力等。

（1）自重坝体自重一般在浸润线以上的土体按湿重度计算，浸润线以下、下游水位以上的按饱和重度计算，下游水位以下的按浮重度计算。

（2）渗透动水压力动水压力的方向与渗透方向相同，作用在单位土体上的渗透动水压力为γJ，γ为水的重度，J为该处的渗透坡降。

（3）孔隙水压力这是粘性土体中常存在的一种力。

粘性土在外荷载作用下产生压缩时，由于土内空气和水一时来不及排除，外荷载便由土粒及空隙中水和空气共同承担。

土粒骨架承担的应力称为有效应力，它在土体滑动时能产生摩擦力，而水和空气承担的应力称为孔隙压力，它是不能产生摩擦力的。

土壤中的有效应力为总应力与孔隙压力u之差，所以土壤的有效抗剪强度为：

式中、分别为内摩擦角和凝聚力。

（二）稳定计算情况

根据经验，应对以下几种荷载组合情况进行稳定计算：

（1）正常运用情况（设计情况）包括：

①上游为正常蓄水位，下游为相应的最低水位或上游为设计洪水位，下游为相应的最高水位时，在稳定渗流情况下的上、下游坝坡的稳定计算；

②水库水位正常降落时，上游坝坡的稳定计算。

（2）非常运用情况（校核情况）包括：

①施工期，凡粘性填土均应考虑孔隙水压力的影响，考虑孔隙水压力消散的条件为填筑密度低，饱和度>80%,K在cm/s之间的大体积填土；

②水库水位非常降落，如自校核洪水位降落、降落至死水位以下，大流量泄空等情况下的上游坝坡稳定计算；

③校核洪水位下有可能形成稳定渗流时的下游坝坡稳定计算。

（三）稳定安全系数标准

坝坡的抗滑稳定安全系数应不小于规定的数值。

三、土料抗剪强度指标的选取

稳定计算时应该采用粘性土固结后的强度指标。

确定抗剪强度指标的方法有前述的有效应力法和总应力法两种，《碾压式土石坝设计规范》规定，对Ⅰ级坝和Ⅱ级以下高坝在稳定渗流期必须采用有效应力法作为依据。

Ⅲ级以下中低坝可采用两种方法的任一种。

四、稳定分析方法

（一）圆弧滑动法

土石坝设计中目前最广泛应用的圆弧滑动静力计算方法有瑞典圆弧法和简化的毕肖普法。

1．基本原理

假定滑动面为圆柱面，将滑动面内土体视为刚体，边坡失稳时该土体绕滑弧圆心O作旋转运动，计算时沿坝轴线取单宽按平面问题进行分析。

由于土石坝工作条件复杂，滑动体内的浸润线又呈曲线状，而且抗剪强度沿滑动面的分布也不一定均匀，因此，为了简化计算和得到较为准确的结果，实践中常采用条分法，即将滑动面上的土体按一定宽度分为若干个铅直土条，分别计算各土条对圆心O的抗滑力矩和滑动力矩，再分别取其总和，其比值即为该滑动面的稳定安全系数K：

2．不计条块间作用力的瑞典圆弧法

现以渗流稳定期，用总应力法计算为例分析如下。

（1）将土条编号土条宽度常取半径R的，即b=0.1R。

各块土条编号的顺序为：

零号土条位于圆心之下，向上游（对下游坝坡而言）各土条的顺序为1、2、3…n,往下游的顺序为-1、-2…-m。

（2）分别计算各土条上的作用力（不包括底面反力）对圆心的力矩Ms；

以土条i为例说明计算方法如下：

由图可求得Wi为：

Wi=[γ1h1+γ3（h2+h3）+γ4h4]b

式中h1~h4——土条各分段的中线高度

γ1、γ3、γ4——分别为坝体土的湿重度、浮重度和坝基土的浮重度。

将土条自重在土条底面中点处分解为两个分力：

切线方向分力Ti=Wisin

法线方向分力=Wicos

l注意：

在图示垂线左边为正，右边为负。

通过圆心，对圆心不产生力矩，故该土条自重对圆心产生的力矩：

（3）土条底部抗滑力产生的抗滑力矩Mr根据库伦定律可求得土条底部的抗剪力Si=CiLi+Nitg。

其对圆心的抗滑力矩为：

当土条底部为无粘性土时，Ci=0。

（4）求稳定安全系数按上述方法可求得每个土条的Ms、Mr,由式可得

如果两端土条的宽度不等于b，可将其高度换算成宽度为b的高度h=/b。

若取b=0.1R,则sin=ib/R=0.1i,，对每个滑弧都是固定数，不必每次计算。

当采用有效应力时，式中的应改为、应改用有效抗剪强度指标、，Ui为孔隙水压力。

3．简化的毕肖普（Bishop）法

瑞典圆弧法不满足每一土条力的平衡条件，一般计算出的安全系数偏低。

毕肖普法在这方面作了改进，近似考虑了土条间相互作用力的影响，其计算简图如图所示。

图中Ei和Xi分别表示土条间的法向力和切向力；Wi为土条自重，在浸润线上、下分别按湿重度和饱和重度计算；Qi为水平力，如地震力等；Ni和Ti分别为土条底部的总法向力和总切向力，其余符号意义如图4-14所示。

简化的毕肖普法

为使问题可解，毕肖普假设Xi=Xi+1，