第6章土石坝.docx
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第6章土石坝
第六章土石坝
第一节概述
一、概念:
利用当地土石材料填筑而成的挡水坝,又称当地材料坝。
历史悠久,发展很快,国内、外广泛采用。
碧口水电站
碧口水电站建在甘肃文县白龙江,控制流域面积26000平方公里。
多年平均流量275秒立M,设计洪水流量7630秒立M。
总库容为521亿立M,设计灌溉面积0.89万亩,装机容量30.0万千瓦。
主坝坝型为壤土心墙土石坝。
最大坝高101M,坝顶长度297M,坝基岩石为干枚岩和凝灰岩。
坝体项目量424.1万立M,主要泄洪方式溢洪道和隧洞。
密云水库
密云水库建北京密云潮白河,控制流域面积15788平方公里,多年平均流量50秒立M,设计洪水流量16500秒立M,总库容43.75亿立M,设计灌溉面积400万亩,装机容量8.8万千瓦。
主坝坝型为粘土斜墙土坝,最大坝高66M(白河主坝>,坝顶长度960M(白河主坝>,坝基岩石为砂砾石复盖层,坝钵项目量1105万立M。
主要泄洪方式为岸边溢洪道,大坝特点是坝基混凝土墙和灌浆防渗。
南水水电站
南水水电站建在广东乳源的南水,控制流域面积608平方公里,多年平均流量33.4秒立M,设计洪水流量4190秒立M,总库容12.18亿立M,装机容量7.5万千瓦。
主坝坝型为粘土斜墙堆石坝,最大坝高81.3M,坝顶长度215M,坝基岩石为砂岩,坝体项目量171.1万立M,主要泄洪方式为隧洞,大坝特点是定向爆破筑坝。
以礼河毛家村水电站
建设地点在云南会泽,所在河流为以礼河,控制流域面积868平方公里,多年平均流量15.9秒立M,设计洪水流量1700秒立M,总库容5.53亿立M,设计灌溉面积74万亩,装机容量1.6万千瓦。
主坝坝型为粘土心墙土石坝,最大坝高80.5M,坝顶长度467M,坝基岩石为玄武岩,坝体项目量664.3万立M,主要泄洪方式为隧洞。
岳城水库
岳城水库建设地点在河北磁县,所在河流为漳河,控制流域面积18100平方公里,多年平均流量62.2秒立M,设计洪水流量19300秒立M,总库容10.9亿立M,设计灌溉面积200万亩,装机容量1.7万千瓦。
主坝坝型为均质土坝,最大坝高53M,坝顶长度3570M,坝基岩石为砂砾石复盖层,坝体项目量2900万立M,主要泄洪方式岸边溢洪道,大坝特点是坝下泄洪洞<涵管)。
二、土石坝广泛应用的原因:
优点:
<1)筑坝材料可以就地取材,可节省大量钢材和水泥,免修公路;
<2)较能适应地基变形,对地基的要求比砼坝要低;
<3)结构简单,工作可靠,便于维修和加高、扩建;
<4)施工技术简单,工序少,便于组织机械化快速施工。
不足之处:
坝顶不能过流,必须另开溢洪道,施工导流不如砼坝便利,对防渗要求高,因为剖面大,所以填筑量大而且施工容易受季节影响。
三、土石坝的工作特点
<1)稳定方面:
不会沿坝基面整体滑动,失稳形式主要是坝坡滑动或连同部分地基一起滑动;
<2)渗流方面:
坝体为散粒体结构,在上下游水位差作用下经坝体和地基向下游渗透,产生渗透压力和渗透变形,严重时会导致坝体失事,浸润面和浸润线的概念;
<3)冲刷方面:
颗粒间粘结力小,因此土石坝抗冲能力较低;
<4)沉降方面:
颗粒间存在孔隙,受力后产生沉陷,分为均匀沉降和非均匀沉降;
<5)其他方面:
冰冻、地震、动物筑窝等.
四、土石坝的设计要求
为使土石坝能安全有效地工作,在设计方面的一般要求:
<1)不允许水流漫顶,要求坝体有一定的超高;
<2)满足渗流要求;
<3)坝体和坝基必须稳定;
<4)应避免有害裂缝及必须能抵抗其他自然现象的破坏作用;
<5)安全使用前提下,力求经济美观。
五、土石坝的类型
1、按施工方法分类:
<1)碾压式;
<2)水力冲填式;
<3)水中填土式;
<4)定向爆破。
2、按材料在坝体内的配置和防渗体的位置分类<图6-1 )
<1)均质土坝:
坝体剖面的全部或绝大部分由一种土料填筑。
优点:
材料单一,施工简单;
缺点:
当坝身材料粘性较大时,雨季或冬季施工较困难。
<2)塑性心墙坝:
用透水性较好的砂或砂砾石做坝壳,以防渗性较好的粘性土作为防渗体设在坝的剖面中心位置,心墙材料可用粘土也可用沥青混凝土和钢筋混凝土;
优点:
坡陡,坝剖面较<1)小,项目量少,心墙占总方量比重不大,因此施工受季节影响相对较小;
缺点:
要求心墙与坝壳大体同时填筑,干扰大,一旦建成,难修补;
<3)塑性斜墙坝:
防渗体置于坝剖面的一侧。
优点:
斜墙与坝壳之间的施工干扰相对较小,在调配劳动力和缩短工期方面比心墙坝有利;
缺点:
上游坡较缓,粘土量及总项目量较心墙坝大,抗震性及对不均匀沉降的适应性不如心墙坝。
<4)多种土质坝:
坝址附近有多种土料用来填筑的坝。
<5)土石混合坝:
如坝址附近砂、砂砾不足,而石料较多,上述的多种土质坝的一些部位可用石料代替砂料。
图6-1 碾压式土石坝类型
第二节土石坝的剖面和构造
一、基本尺寸
1、坝顶高程:
坝顶超高
其中,hB——爬高,a——安全加高,e——坝前水位因风浪引起的壅高。
2、坝顶宽度
取决于交通需要、构造要求和施工条件。
当坝高在30m~100m时,Bmin=0.1H。
当坝高大于100m时,Bmin=H0.5.
3、坝面坡度
取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、
施工方法及坝型等因素。
(1>均质坝的上下游坡度比心墙坝的坝坡缓;
(2>粘土斜墙坝的上游坡比心墙的坝坡缓,而下游坝坡可比心墙坝陡些;
(3>土料相同时上游坡缓于下游坡;
(4>粘土均质坝的坝坡与坝高有关,坝高越大坝坡越缓;
(5>碾压式堆石坝的坝坡比土坝陡。
二、坝的内部构造
土石坝的内部构造包括:
防渗体、排水设备、反滤层和护坡。
1、防渗体:
一般采用塑性、心墙和斜墙,均由渗透系数较小的粘性土料构成,其尺寸和结构需满足减小渗透量、降低浸润线和控制渗透坡降的要求。
其种类有:
粘性土心墙<图6-3)、粘性土斜墙<图6-4,6-5)、粘性土斜心墙<图6-6)、沥青混凝土防渗墙(图6-7>
图6-3 粘土心墙坝(突出心墙>
2、排水设备
主要作用:
降低坝体浸润线,有利于下游坝坡稳定并防止土坝可能出现的渗透破坏。
型式:
贴坡排水、棱体排水、褥垫排水、混合排水
<1)贴坡排水<图6-8):
又称表层排水。
设置在下游坝坡底部,由1~3层堆石或砌石构成,在石块与坝坡之间应设反滤层;
特点:
形式简单,省料且易于检修,可防止渗透破坏。
因未伸入坝体,不能降低浸润线,且防冻性较差。
适用:
中小型且下游无水的均质坝及防渗体浸润线较低的中等高度的土坝。
图6-8 贴坡排水
<2)棱体排水<图6-9):
在下游坝脚处用块石堆成棱体,需设反滤层。
特点:
可降低浸润线,防止坝坡冻胀和渗透变形,保护下游坝脚不受尾水淘刷且有支持坝体增加其稳定的作用,是一种可靠的排水型式,但石料用量大,费用高,检修困难。
适用:
较高的土坝及石料较多的地区。
图6-9 棱体排水
<3)褥垫排水<图6-10):
用块石、砾石平铺在靠下游侧的坝基上,并在其周围布置反滤层而构成的水平排水体,伸入坝体长度1/3~1/4坝底宽。
特点:
下游无水时,能有效降低浸润线,有助于坝基排水,但对不均匀沉降的适应性较差,当下游水位高于排水设备时,降低浸润线的效果明显降低,我国应用较少。
适用:
下游无水或水位较低的情况.
<4)混合式排水<图6-11):
将上述几种排水混合使用。
*反滤层<图6-12):
设在渗透坡降较大,流速较高,土壤易于变形的渗流出口处或进入排水处.
作用:
防止土体在渗流作用下发生渗透变形.
组成:
二至三层粒径不同的砂、石料铺筑而成,层面与渗流方向尽量垂直,小粒径—大粒径。
图6-12 反滤层
3、护坡:
占总体造价的10%
<1)上游坝坡受波浪淘刷、渗流、冰冻等破坏作用;上游护坡:
砌石护坡、堆石护坡、沥青砼护坡等;
<2)下游面有雨水、风、动物、根部发达的植物以及干裂等破坏。
下游护坡:
碎石或砾石护坡,还可采用草皮护坡。
第三节土石坝的筑坝材料
一、土石坝筑坝土料设计的任务:
对坝体各部位的土料进行选择,然后确定土料的填筑标准。
<土石坝主要由坝壳、防渗体、排水设备、护坡等组成,还有反滤层及过渡层。
)
二、土石坝筑坝土料的选择:
一般土料原则上均可作为碾压式土石坝的筑坝材料,或经处理后用于坝的不同部位。
但下列土料不宜采用:
沼泽土、斑脱土、地表土及含有未完全分解有机质的土料。
1、均质坝对土料的要求
2、防渗体对土料的要求
3、坝壳对土石料的要求<坝壳保持大坝稳定)
4、排水、护坡对土石料的要求
5、反滤料及过渡层土料
6、关于风化料及特殊粘土料的采用.
(一>、均质坝对土料的要求
(1>强度指标Φ、c较大。
(2>渗透系数k较小,<10-4cm/s。
(3>要有一定的塑性:
塑性指数Ip=ωL-ωP=7~17。
→能适应坝基变形而不会产生裂缝。
(4>有机杂质含量≤5%。
(5>土质:
绝大多数采用粘性土。
(二>、防渗体对土料的要求
(1>渗透系数k较小,<10-5cm/s。
→抗渗性
(2>有较好的塑性以适应坝体及坝基变形,塑性指数Ip大于10~12。
(3>有机杂质含量≤2%,水溶盐含量按重量比≤3%,有良好级配。
(4>浸水和失水时体积变化较小。
(5>土质:
粘粒含量<粒径<0.005mm)为15%~30%或塑性指数为10~17的中、重壤土以及粘粒含量30%~40%或塑性指数为17~20
(三>、坝壳对土石料的要求
(1>强度指标Φ、c较大,具有抗震、抗滑稳定性。
(2>排水性能好,k>103×k防渗体。
→经过防渗体后,迅速降低浸润线。
(3>有良好级配:
级配连续;不均匀系数η=d60/d10≈30~100。
(4>土质:
级配良好的无粘性土<砂、砾石、卵石、碎石等)
4、排水、护坡对土石料的要求
(1>良好的抗水性、抗冻性和抗风化性。
(2>具有一定的强度:
抗压强度 ≥50Mpa
(3>岩质:
不宜用风化料,用新鲜岩石、卵石、碎石。
料场开采的石料、开挖的石渣。
(四>、排水、护坡对土石料的要求
(1>良好的抗水性、抗冻性和抗风化性。
(2>具有一定的强度:
抗压强度 ≥50Mpa
(3>岩质:
不宜用风化料,用新鲜岩石、卵石、碎石。
(五>、反滤料及过渡层土料
(1>应具有必要的透水性、强度,具有高度的抗水性和抗风化能力。
(2>必须具有良好的级配,粒径小于0.1mm的颗粒含量小于5%,不应含有粒径小于0.05mm的粉土和粘粒。
(3>土质:
反滤料应尽量采用天然砂砾筛分,也可用人工碎石。
三、土石料填筑标准设计:
1、粘性土料的填筑标准:
(1>设计指标:
设计填筑干重度:
按压实度P确定。
影响土的压实性的因素很多,主要有含水量、击实功能以及土的种类和级配等。
(2>施工时主要控制填筑含水量ω,选在最优含水量附近。
(3>粘性土料设计的步骤:
①初拟设计含水量ω:
②计算填土的最大干重度:
理论最大干重度一般难以达到,所以一般估算填土的最大干重度:
③拟定填土的设计填筑干重度,
④校验填土的设计干重度,
应满足
⑤调整含水量ω使
满足填筑要求。
一般碾压式土坝设计干重度为15.7~17.2kN/m3,I、II级坝及高坝的压实度P<
)不低于0.96~0.99,对III、IV、V级坝应不低于0.93~0.96。
施工时压实干重度的合格率,对I、II级坝及高坝的防渗体为90%,对中小型土坝的防渗体和I、II级均质土为85%~90%,对中小型均质坝为80%~85%。
2、非粘性土料的填筑标准:
(1>压实程度与填筑含水量关系不大,主要与砂石料的级配和压实功能有关。
(2>压实程度用相对紧密度Dr表示,要求Dr不低于0.7~0.75,若为地震区,要求浸润线以上不小于0.7,浸润线以下不低于0.75~0.85。
(3>非粘性土料设计的步骤:
计算相对紧密度Dr:
②计算设计干重度
:
③计算不同含砾量的砂砾料填筑干重度
非粘性土料的施工合格率要求一般为80%~85%。
第四节土石坝的渗流分析
一、渗流的概念:
水库蓄水后,因为上下游水位差的关系,水流会通过坝体土粒之间的空隙从上游向下游流动。
图6-13 渗流示意图
二、渗流分析的目的:
<1)确定坝体内浸润线的位置;
<2)确定坝体及坝基的渗流量,以估算水库的渗漏损失;
<3)确定坝体和坝基渗流逸出区的渗流坡降,检查产生渗透变形的可能性;
<4)为坝体稳定分析和布置观测设备提供依据。
常用的渗流分析方法:
流体力学方法、水力学方法、流网法和实验法。
三、渗流基本方程
土坝渗流为层流,因此满足达西定律(Darcy’sLaw>,渗流区内任一点势函数应满足拉普拉斯方程:
kx,ky——分别为x,y方向的渗透系数
对于简单的边界条件,上述方程能解,复杂边界条件,需借助数值方法。
四、渗流的水力学问题
假设:
均质,层流,稳定渐变流.
应用达西定律,并假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等,对不透水地基上的矩形土体,流过断面上的平均流速为:
单宽流量:
图6-14 不透水地基上矩形土体的渗流计算图
自上游向下游积分:
自上游向区域中某点 图6-15 土坝浸润线示意图 五、流网法 图6-16 流网的绘制 第五节土石坝的稳定分析 一、目的 分析坝体及坝基在各种不同的工作条件下可能产生的稳定破坏形式,通过必要的力学计算,校核坝剖面的安全度,经过反复修改定出经济剖面。 确定土坝稳定性,主要指边坡的抗滑稳定。 二、坝坡的滑动面形式 坝坡的滑动面形式主要与坝体结构型式、筑坝材料和地基情况、坝的工作条件等因素有关。 1、曲线滑动面: 滑动面通过粘性土部位时, 2、折线滑动面: 滑动面通过非粘性土部位时; 3、复式滑动面: 滑动面通过粘性土和非粘性土构成的多种土质坝时。 图6-17 坝坡坍滑破坏形式 1-坝壳或者坝体;2-防渗体;3-滑动面;4-软弱夹层 三、荷载及其组合 <一)作用力 1、自重: 水上——湿容重,水下——浮容重。 2、渗透力: 与渗透坡降有关。 3、孔隙水压力: 总应力法和有效应力法. 4、地震力: 地震区应考虑地震惯性力。 地震惯性力壳拟静力法计算。 <二)荷载组合: 正常运用: <1)水库蓄满水<一般为正常蓄水位)形成稳定渗流时,验算下游坝坡稳定。 <2)水库水位为最不利水位时,上游坡的计算。 <3)库水位降落,使上游坡产生渗透压力时的稳定计算 非常运用: <1)库水位骤降时的上游坝坡的计算 <2)施工期<含竣工期)考虑孔隙水压力上下游坝坡稳定计算 <3)地震情况下,上下游坝坡计算 <4)校核水位时下游坡的计算 四、稳定分析方法 强度分析法和刚体极限平衡法。 1、圆弧滑动法: 针对粘性土的坝坡; 2、折线滑动法: 针对非粘性土的坝坡; 图6-18 坝坡稳定计算示意图 图6-19 非粘性土坡稳定计算示意图 第六节土石坝的裂缝及其控制 土石坝裂缝类型及控制措施 1、类型: 干缩、冻融、不均匀沉降、滑坡、水力劈裂等。 2、控制措施: 合理设计土石坝的剖面和细部结构;选择适宜的筑坝材料并采用合理的设计参数;严格控制施工质量,精心管理 第七节土石坝的地基处理 地基处理 1、目的 <1)渗流控制 <2)稳定控制 <3)变形控制 2、常见地基 <1)岩基或浅覆盖地基 <2)砂砾石地基 <3)细砂或有淤泥地基 <4)粘土或黄土地基 3、砂砾石地基处理 砂砾石地基的特点: 具有较高的抗剪能力和承载能力,压缩变形小,抗渗性能差,因此对这类地基的处理以渗流控制为主。 (1>垂直防渗: 粘土截水槽、砼防渗墙,灌浆帷幕; (2>水平防渗: 铺盖; (3>下游设排水减压设施。 *当砂砾石透水层深度不大时(10~15M以内>,采用水平铺盖加截水槽的措施. 图6-20 粘土截水墙 图6-21 粘土截水墙与不透水土层的连接 *当砂砾石透水层较深时(>10~15M>,采用水平铺盖加混凝土防渗墙的措施. 图6-22 混凝土防渗墙 *当砂砾石透水层很深时, 采用水平铺盖加灌浆帷幕的措施. 图6-23 排水减压设置 图6-24 减压井布置 图6-25 用盖重提高地基的抗渗稳定性 第八节堆石坝 一、堆石坝的发展 三个阶段: 1、1850~1940,最高100M,为具有刚性防渗体的抛填式堆石坝。 美国盐泉 2、1940~1960,土力学和土工技术迅速发展,建成许多以粘性土料为防渗体的堆石坝。 其塑性较高,比刚性防渗体更能适应堆石体变形. 3、1960以后,振动碾问世,使得堆石体密度和变形模量大大增加,堆石体在各种荷载作用下的变形量大幅度减低。 美国(NewExcheguer>,150m。 中国80年开始,第一座为湖北西北口。 图6-26 天生桥一级面板堆石坝 二、面板堆石坝迅速发展的原因 1、面板设计于堆石体上游面,水压力在上游坝面的铅直分力有助于坝的稳定,坝体项目量是土石坝中最小的; 2、振动碾压使得高密实度堆石体变形小; 3、面板兼有护坡防浪作用,经济合理; 4、面板在上游面,便于检查维修; 5、坝体填筑没有粘性土填方,施工干扰小,气候影响也小,基本可全年施工。 弱点: 面板对基础沉陷敏感,不抗漂浮物冲击。 三、组成: 堆石体、面板、底座<趾板)。 土石坝与混凝土坝的比较 坝型 类别 土石坝 混凝土坝 重力坝 拱坝 剖面 最大 介于两者之间 最小 荷载 渗透压力 扬压力 温度荷载 溢流<坝顶) 不可以 可以 可以 对地基的要求 岩基或土基 岩基 完整均匀的岩基 稳定计算 坝坡稳定 整体稳定 坝肩稳定 材料利用 不充分 充分 永久缝 有 无 施工 容易 比较容易 困难
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