高职高专水工建筑物教案土石坝.doc

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教学内容

板书或旁注

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