第一、二节 概述、基本剖面.ppt

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1、第五章第五章 土土 石石 坝坝Earth-Rock Dam2022/12/301第一节第一节 概概 述述什么是土石坝？什么是土石坝？利用坝址附近的土石料填筑（利用坝址附近的土石料填筑（碾压或夯实）碾压或夯实）而成的挡水建筑物。亦称当地材料坝。而成的挡水建筑物。亦称当地材料坝。历史久远：历史久远：公元前公元前600多年，我国开始填筑土堤，防御洪多年，我国开始填筑土堤，防御洪水，蓄水兴利。如：安徽芍陂、浙江海塘等。水，蓄水兴利。如：安徽芍陂、浙江海塘等。解放后至今，我国内已建成的八万多座水坝，解放后至今，我国内已建成的八万多座水坝，土石坝约占土石坝约占90%90%左右。左右。国际上：古印度、古埃及

2、等，也很早开始修建国际上：古印度、古埃及等，也很早开始修建土坝。土坝。2022/12/302土石坝优点l就地取材，节省三材；就地取材，节省三材；l筑坝经验丰富；筑坝经验丰富；l对地形、地质条件适应性强；对地形、地质条件适应性强；l施施工工技技术术简简单单；便便于于快快速速施施工工、便便于于维维修、加高、培厚和扩建。修、加高、培厚和扩建。因因此此，在在国国内内外外应应用用十十分分广广泛泛。据据统统计计，国国内内已已建建成成的的八八万万多多座座水水坝坝，土土石石坝坝约约占占90%90%左右。左右。2022/12/303土石坝建设情况土石坝建设情况v特特别别是是最最近近十十几几年年以以来来，随随着着

3、大大型型高高效效的的土土石石方方施施工工机机械械的的采采用用，岩岩土土力力学学理理论论和和电电子子计计算算机机技技术术在在土土石石坝坝设设计计中中的的广广泛泛使使用用，为为建建筑筑高高土土石石坝坝提提供供了了有有利利条条件件，土土石石坝坝得得到到了了飞飞跃跃发发展展，成成为为当当今今世世界界上上坝坝体体高高度度最最高高、应应用用最最广广泛的坝型。泛的坝型。v 目目前前世世界界上上最最高高的的水水坝坝为为塔塔吉吉克克斯斯坦坦的的罗罗贡贡土石坝，坝高土石坝，坝高335m335m。v我我国国已已建建的的最最高高土土石石坝坝为为小小浪浪底底土土石石坝坝，坝坝高高154m154m，在在建建的的水水布布垭

4、垭面面板板堆堆石石坝坝高高达达233m233m。在在本世纪，我国将发展更高的土石坝。本世纪，我国将发展更高的土石坝。2022/12/3042022/12/3052022/12/3062022/12/307小小浪浪底底 参参数数 2022/12/308水水布布垭垭水布垭水布垭水库（湖北清江）水库（湖北清江）2022/12/309水水布布垭垭水水库库2022/12/3010施工中的水布垭施工中的水布垭水库水库 2022/12/3011一、土石坝的工作特点一、土石坝的工作特点l1 1坝体、坝基的透水性坝体、坝基的透水性 挡水时：由于上、下游水位差的作用，挡水时：由于上、下游水位差的作用，水将经坝体和

5、坝基的颗粒孔隙向下游渗水将经坝体和坝基的颗粒孔隙向下游渗透。透。1 1）使水库的水量大量流失；）使水库的水量大量流失；2 2）而且还会引起坝体或坝基产生管涌、）而且还会引起坝体或坝基产生管涌、流流 土等渗透变形，导致溃坝事故。土等渗透变形，导致溃坝事故。以坝体以坝体浸润线浸润线为界，线上的土为非饱和为界，线上的土为非饱和状态，线下土体则呈饱和状态。状态，线下土体则呈饱和状态。第第一一节节概概述述2022/12/3012土石坝的工作特点土石坝的工作特点l饱和土体饱和土体，其抗剪强度指标也将相应降，其抗剪强度指标也将相应降低，低，对坝坡稳定不利。对坝坡稳定不利。为此，应设置防渗和排水措施，以减少水

6、为此，应设置防渗和排水措施，以减少水库的渗漏损失和保证坝坡的稳定性。库的渗漏损失和保证坝坡的稳定性。l2、土石坝的局部失稳破坏形式、土石坝的局部失稳破坏形式l以局部坝坡坍塌的形式出现，剪切破坏以局部坝坡坍塌的形式出现，剪切破坏滑坡滑坡选择适宜的坡度。使坝体，保选择适宜的坡度。使坝体，保证安全稳定，经济合理。证安全稳定，经济合理。2022/12/3013工作特点工作特点l3抗冲性能差抗冲性能差 坝体材料是松散的颗粒：坝体材料是松散的颗粒：当洪水漫过坝顶时，水流必然会携带土粒流当洪水漫过坝顶时，水流必然会携带土粒流失，从而失，从而 引起坝体局部破坏或整体溃决。引起坝体局部破坏或整体溃决。例如，例如

7、，1975年年8月，我国淮河上游两座土坝，月，我国淮河上游两座土坝，因溢洪道泄洪能力不足发生洪水漫顶而溃坝。因溢洪道泄洪能力不足发生洪水漫顶而溃坝。由于波浪的作用，必然导致坡面土料的流由于波浪的作用，必然导致坡面土料的流失和坍塌，削弱坝体剖面尺寸，对坝体稳定不失和坍塌，削弱坝体剖面尺寸，对坝体稳定不利。利。2022/12/3014土石坝的工作特点土石坝的工作特点l设计中，要求：设计中，要求：1）坝体应有足够的超高）坝体应有足够的超高 2）坝坡应有相应的防冲措施。）坝坡应有相应的防冲措施。3）保证泄洪措施有足够的泄洪能力。）保证泄洪措施有足够的泄洪能力。l4、坝体沉陷量大、坝体沉陷量大(竣工时预

8、留竣工时预留1.0%H)过大沉陷将会降低坝顶的设计高程，而过大沉陷将会降低坝顶的设计高程，而不均匀沉陷将会使坝体产生纵向、横向不均匀沉陷将会使坝体产生纵向、横向和各种走向的裂缝，危及坝身安全。和各种走向的裂缝，危及坝身安全。2022/12/3015二、土石坝的类型二、土石坝的类型l土石坝的类型，从不同的角度有不同的分类方法。下面主要按施工方法、筑坝材料和坝体防渗型式进行分类。1按筑坝材料分类2按施工方法分类按施工方法分类3按防渗体的型式分类按防渗体的型式分类2022/12/3016土石坝的类型 1按筑坝材料分类 按筑坝材料分类:分为:1)土坝 2)土石混合坝 3)堆石坝。(坝体绝大部分由土料筑

9、成时称为土坝；绝大部分由石料筑成时称为堆石坝；由土石混合堆筑时称为土石混合坝。)2022/12/30172 2按施工方法分类按施工方法分类1）碾压式土石坝 碾压式土石坝是由适宜的土石料分层填筑，并用压实机械逐层碾压而成的坝型。近二十多年来，随着大型碾压机械的采用，使得这种坝型得到最广泛的应用。本章将重点介绍这种坝型本章将重点介绍这种坝型的设计。第第一一节节概概述述土石坝的类型土石坝的类型2022/12/3018土石坝的类型l 2）水力冲填坝 l水力冲填坝是利用水力和简易的水力机水力冲填坝是利用水力和简易的水力机械完成土料开采、运输和填筑等主要工械完成土料开采、运输和填筑等主要工序而筑成的坝型。

10、具体地说，是用高压序而筑成的坝型。具体地说，是用高压水枪驱动高压水流向料场的土料喷射冲水枪驱动高压水流向料场的土料喷射冲击，使之成为泥浆，然后通过泥浆泵和击，使之成为泥浆，然后通过泥浆泵和输浆管把浆液输送到坝体预定位置分层输浆管把浆液输送到坝体预定位置分层淤积、沉淀、排水和固结后形成的坝型。淤积、沉淀、排水和固结后形成的坝型。2022/12/3019我国西北地区创造的水坠坝与这种坝型的施我国西北地区创造的水坠坝与这种坝型的施工原理相似，其料场位于坝顶高程以上的山工原理相似，其料场位于坝顶高程以上的山体，泥浆输送是利用浆液的重量经沟渠自流体，泥浆输送是利用浆液的重量经沟渠自流到坝面，因而有学者也

11、把水坠坝归类为水力到坝面，因而有学者也把水坠坝归类为水力冲填坝。这种坝型因冲填坝。这种坝型因施工质量难以保证施工质量难以保证.3 3）水中填土坝）水中填土坝 水水中中填填土土坝坝是是将将易易于于崩崩解解的的土土料料分分层层倒倒入入静静水水中中，依依靠靠土土体体自自身身重重量量和和运运输输工工具具压压实实而而成成。施施工工时时，一一般般在在施施工工仓仓面面上上用用堤堤埝埝围围埂分格，并在格中灌水倒土逐层填筑。埂分格，并在格中灌水倒土逐层填筑。第第一一节节概概述述二、土石坝的类型二、土石坝的类型2022/12/3020 4 4）定向爆破土石坝）定向爆破土石坝 这种坝型是在坝肩山体的预定位置开挖洞室

12、，埋这种坝型是在坝肩山体的预定位置开挖洞室，埋放炸药，引爆后使土石料按照物体平抛运动的轨迹放炸药，引爆后使土石料按照物体平抛运动的轨迹抛到预定的设计位置，完成大部分坝体填筑，再经抛到预定的设计位置，完成大部分坝体填筑，再经过加高修复而形成的坝型。过加高修复而形成的坝型。这种筑坝方法由于爆破力很大，可能造成坝址附这种筑坝方法由于爆破力很大，可能造成坝址附近地质构造破坏等方面问题，因而，一般采用较少。近地质构造破坏等方面问题，因而，一般采用较少。我国已建成这种土坝或堆石坝约有我国已建成这种土坝或堆石坝约有4040余座，最高的余座，最高的有陕西石砭峪水库大坝，坝高有陕西石砭峪水库大坝，坝高82.5m

13、82.5m，广东乳源南水广东乳源南水电站的主坝，坝高电站的主坝，坝高81.3m81.3m。第第一一节节概概述述二、土石坝的类型二、土石坝的类型2022/12/3021第第一一节节概概述述3按防渗体的型式分类按防渗体的型式分类l按防渗设施可分为均质坝、土质防渗体按防渗设施可分为均质坝、土质防渗体分区坝和非土质材料防渗体坝分区坝和非土质材料防渗体坝(碾压式碾压式)：l1）均质坝：均质坝绝大部分由均一的土）均质坝：均质坝绝大部分由均一的土料分层填筑而成。筑坝料多用透水性较料分层填筑而成。筑坝料多用透水性较小的粘性壤土或砂质粘土，坝体具有防小的粘性壤土或砂质粘土，坝体具有防渗作用。因此，无需设置专门的

14、防渗措渗作用。因此，无需设置专门的防渗措施，如图施，如图5-1(a)所示。所示。2022/12/3022按防渗体的型式分类按防渗体的型式分类l2）土质防渗体分区坝：由透水性很小的）土质防渗体分区坝：由透水性很小的土质防渗体和若干种透水土石料分区分层土质防渗体和若干种透水土石料分区分层填筑而成。粘性土质防渗体设在坝体中部填筑而成。粘性土质防渗体设在坝体中部或上游，称为粘土心墙坝或粘土斜心墙坝，或上游，称为粘土心墙坝或粘土斜心墙坝，如图如图5-1(b)、(c)、(d)；设在坝体上游面设在坝体上游面的称为粘土斜墙坝，如图的称为粘土斜墙坝，如图5-1(e)、(f)、(g)。l此外，还有其他型式的分区坝

15、，如坝体此外，还有其他型式的分区坝，如坝体上游部分为防渗土料，下游部分为透水土上游部分为防渗土料，下游部分为透水土料的分区坝等等，如图料的分区坝等等，如图5-1(j)所示所示2022/12/3023 3 3）非土质材料防渗体坝）非土质材料防渗体坝 这种坝型的防渗体一般由钢筋混凝土、沥这种坝型的防渗体一般由钢筋混凝土、沥青混凝土或其他非土质材料做成。其中防青混凝土或其他非土质材料做成。其中防渗体布置在坝体中央附近的称为心墙坝，渗体布置在坝体中央附近的称为心墙坝，如图如图5-1(h)5-1(h)；防渗体布置在上游面的称为防渗体布置在上游面的称为面板土石坝，如图面板土石坝，如图5-1(i)5-1(i

16、)。在堆石坝中，在堆石坝中，一般将防渗体设在上游坝面，又称面板堆一般将防渗体设在上游坝面，又称面板堆石坝。石坝。第第一一节节概概述述按防渗体的型式分类按防渗体的型式分类2022/12/3024图5-1碾压式土石坝的类型2022/12/30252022/12/30262022/12/30272022/12/30282022/12/3029第二节第二节 土石坝剖面的基本尺寸土石坝剖面的基本尺寸l土石坝的剖面设计土石坝的剖面设计 影响因素：影响因素：1）坝坝址址附附近近的的土土石石料料分分布布状状况况（包包括括土土石石料料的种类、性能、储量、运距等）；的种类、性能、储量、运距等）；2）坝址的地形地质

17、条件；）坝址的地形地质条件；3）运行要求和施工条件等；）运行要求和施工条件等；l参参照照已已建建工工程程，初初拟拟剖剖面面的的尺尺寸寸，然然后后计计算算和和修修正正，使使之之成成为为安安全全、经经济济、合合理理的的剖剖面面。土土石石坝坝剖剖面面包包括括坝坝顶顶高高程程、坝坝顶顶宽宽度度、坝坝坡坡、防防渗体渗体。2022/12/3030坝顶高程应为水库静水位加坝顶超高，坝顶坝顶高程应为水库静水位加坝顶超高，坝顶超高可按式（超高可按式（5-15-1）计算）计算,图图 5-2 5-2 坝顶超高坝顶超高计算图计算图 （5-1）式中式中 坝顶超高，坝顶超高，m m；最大波浪在坝坡上的爬高，最大波浪在坝坡

18、上的爬高，m m；A A安全加高，安全加高，m m，按表按表5-15-1采用；采用；e e最大风雍水面高度，最大风雍水面高度，m m，按式按式 （5-25-2）计算。计算。一、一、坝顶高程坝顶高程2022/12/3031图 5-2坝顶超高计算图坝顶高程坝顶高程2022/12/3032表表5-1 5-1 土石坝安全加高土石坝安全加高 A A 值值(m)(m)坝的级别IIIIIIIVV设计1.51.000.700.50校核山区、丘陵区0.700.500.400.30平原、滨海区1.000.700.500.30安全加高 A 值2022/12/3033（5-2）式中式中 综合摩阻系数，其值在（综合摩阻

19、系数，其值在（1.51.55.05.0）1010-6-6之间，计算时一般取之间，计算时一般取3.63.61010-6-6；D D 风区长度（风区长度（m m）；）；坝前风区水域平均水深（坝前风区水域平均水深（m m）；）；计算风向与坝轴线法线的夹角（计算风向与坝轴线法线的夹角（）；）；计计算算风风速速（m/sm/s），正正常常运运用用情情况况，1 1、2 2级坝，取级坝，取 =（1.51.52.02.0），3 3、4 4级坝取级坝取1.5 1.5 ；非常运用情况，取；非常运用情况，取 =。为坝址多年平均最大风速。为坝址多年平均最大风速。最大风雍水面高度最大风雍水面高度2022/12/3034

20、波波浪浪爬爬高高 ：指指波波浪浪沿沿建建筑筑物物坡坡面面爬爬升升的的垂垂直直高高度度（从从风风雍雍水水面面起起算算），其其值值以以蒲蒲田田公公式式计计算算为为宜宜。采采用用蒲蒲田田公公式式计计算算波波浪浪爬爬高高应应首首先先计计算算平平均均爬爬高高 ，再再按按表表5-25-2换换算算所所需需概概率率的的爬爬高高 。当当坝坝坡坡的的单单坡坡系系数数 1.51.55.05.0时时，平平均均爬高可按式（爬高可按式（5-35-3）计算）计算 （5-35-3）式中式中 坝面糙率系数，按表坝面糙率系数，按表5-35-3选用；选用；经验系数，按表经验系数，按表5-45-4选用；选用；=波浪爬高波浪爬高202

21、2/12/3035平均波高和平均波长（平均波高和平均波长（m），），计算计算方法见第二章；方法见第二章；坝坡系数，当静水位附近变坡且设坝坡系数，当静水位附近变坡且设马道时，应采用折算坡度系数马道时，应采用折算坡度系数代替代替，折算坡度折算坡度，、为变坡处马道以上、为变坡处马道以上、以下坝坡系数。以下坝坡系数。表5-2爬高统计分布P P（%）0.112345101520305050(1)0.12.662.232.071.971.901.841.641.51.391.23096(2)0.10.32.442.081.941.861.801.751.571.461.361.210972022/12/3

22、036表表5 5-3 -3 糙率及渗透性系数糙率及渗透性系数K K 护护 面面 类类 型型K护护 面面 类类 型型K光滑不透水护面光滑不透水护面（沥青混凝土）（沥青混凝土）1砌石护面砌石护面0.750.80混凝土板护面混凝土板护面0.9抛填两层块石（不透水基础）抛填两层块石（不透水基础）0.600.65草皮护面草皮护面0.850.90抛填两层块石（透水基础）抛填两层块石（透水基础）0.5 0.55糙率及渗透性系数糙率及渗透性系数K K2022/12/3037经验系数经验系数表表5-4 5-4 经验系数经验系数1.01.52.02.53.03.54.05.01.01.021.081.161.22

23、1.251.281.302022/12/3038 求求出出 后后，按按工工程程等等级级选选用用设设计计累累计计频频率率(%)(%)(对对I I级级土土石石坝坝取取 ；对对IVIVV V级级坝坝取取 )，并由，并由 值查表值查表5-25-2，求得设计爬高值，求得设计爬高值 。当风向线与坝轴线的法线成夹角当风向线与坝轴线的法线成夹角时，波浪爬时，波浪爬高高 应有所降低。因此，应将爬高值应有所降低。因此，应将爬高值 乘以风向折乘以风向折减系数减系数 后作为设计值，后作为设计值，值按表值按表5-55-5选用。选用。对于小型的土石坝，波浪爬高可按式（对于小型的土石坝，波浪爬高可按式（5-45-4）近）近

24、似计算。似计算。（5-45-4）式中式中 波高（波高（m m），），可按官厅公式计算；可按官厅公式计算；静水位坝面坡角（静水位坝面坡角（）。第二节第二节 土石坝剖面的基本尺寸土石坝剖面的基本尺寸2022/12/3039对对有有防防渗渗体体的的土土石石坝坝，防防渗渗体体顶顶部部的的超超高高，并并预预留竣工后沉降量。留竣工后沉降量。具体要求是：正常运用情况，心墙坝超高值取具体要求是：正常运用情况，心墙坝超高值取0.30.30.6m0.6m，斜墙坝取斜墙坝取0.60.60.8m0.8m；非常运用情况，非常运用情况，防渗体顶部应不低于相应的静水位。防渗体顶部应不低于相应的静水位。斜向波折减系数斜向波折

25、减系数表5-5 斜向波折减系数010203040506010.980.960.920.870.820.762022/12/3040 当坝顶上游侧设有稳定、坚固和不透水且与防当坝顶上游侧设有稳定、坚固和不透水且与防渗体紧密接合的防浪墙时，坝顶高程可用防浪墙渗体紧密接合的防浪墙时，坝顶高程可用防浪墙墙顶的高程；墙顶的高程；但此时在正常运用情况下，坝顶最少应高出相但此时在正常运用情况下，坝顶最少应高出相应的静水位应的静水位0.5m0.5m；在非常情况运用情况下，坝顶在非常情况运用情况下，坝顶应不低于相应的静水位。应不低于相应的静水位。最后指出：最后指出：确定坝顶高程应分别按正常运用和非常运用情况确定

26、坝顶高程应分别按正常运用和非常运用情况计算，取其最大值作为设计坝顶高程。当坝址地计算，取其最大值作为设计坝顶高程。当坝址地震烈度大于震烈度大于6 6度时，应考虑地震影响。度时，应考虑地震影响。防浪墙防浪墙2022/12/3041二、坝顶宽度坝顶宽度取决于：坝顶宽度取决于：l交通：当坝顶有交通要求时，应按交通部交通：当坝顶有交通要求时，应按交通部门的门的 有关规定执行。有关规定执行。l防汛抢险：车辆运输、人员工作等。防汛抢险：车辆运输、人员工作等。l施工：碾压机械宽度施工：碾压机械宽度l其他专门性要求；其他专门性要求；对于高坝，坝顶宽度可选用对于高坝，坝顶宽度可选用101015m15m，对于对于

27、中、低坝，可选用中、低坝，可选用5 510m10m。一般情况下：顶宽一般情况下：顶宽 Tm=0.1HTm=0.1H2022/12/3042v土石坝的坝坡主要取决于：坝型、坝高、坝土石坝的坝坡主要取决于：坝型、坝高、坝基和坝体材料性质以及工作条件等因素；基和坝体材料性质以及工作条件等因素；v 一般可参照已建工程初步拟定，然后由坝坡一般可参照已建工程初步拟定，然后由坝坡稳定计算确定合理的坝坡。稳定计算确定合理的坝坡。v 规律：规律：碾压式土石坝陡于水力冲填、水中填土坝；碾压式土石坝陡于水力冲填、水中填土坝；非粘性土分区坝陡于粘土均质坝坝坡。非粘性土分区坝陡于粘土均质坝坝坡。下游坝坡陡于上游坝坡。下

28、游坝坡陡于上游坝坡。岩基坝坡陡于土基坝坡。岩基坝坡陡于土基坝坡。坝的上部陡于下部。由上向下逐级变缓。每坝的上部陡于下部。由上向下逐级变缓。每高差约高差约151520m20m，变化不宜大于变化不宜大于0.250.250.500.50；常用坝坡一般取常用坝坡一般取1:2.01:2.01:4.01:4.0。见表。见表5-65-6。三、坝坡三、坝坡2022/12/3043第二节第二节 土石坝剖面的基本尺寸土石坝剖面的基本尺寸表表5-6 5-6 均质坝参考坝坡比值均质坝参考坝坡比值塑性指数较高的亚粘土塑性指数较低的亚粘土坝高（m）平台上游坡下游坡坝高（m）平台上游坡下游坡顶宽（m）级数由上而下由上而下顶

29、宽（m）级数由上而下由上而下151.511:2.501:2.751：2.251：2.50151.511:2.251:2.501:2.001:2.251525221:2.751:3.001：2.501：2.751525221:2.501:2.751:2.251:2.502535231:2.751:3.001:3.501：2.501：2.751：3.002535231:2.501:2.751:3.251:2.251:2.501:2.752022/12/3044注：表表中中坝坝壳壳部部分分边边坡坡变变化化范范围围可可根根据据不不同同土土质质选选用用，土土质质较较好好可可用用较较陡陡值值。心心墙墙部部

30、分分边边坡坡变变化化范范围围根根据据塑塑性性材材料料透透水水性性的的强强弱弱选选用用，透透水水性性弱弱者可用陡值。者可用陡值。表5-7心墙坝参考坝坡比值坝壳部分心墙部分坝高（m）平台顶宽（m）平台级数上游坡（由上而下）下游坡（由上而下）顶宽边坡151.511:22.251:2.252.51:0.752.01:2.02.251.51:0.215252.0121:2.252.51:2.52.751:2.02.251:2.252.52.01:0.150.2525352.021:2.52.751:2.753.01:3.03.501:2.252.51:2.502.751:2.753.02.51:0.15

31、0.252022/12/3045 为为了了方方便便检检修修、观观测测和和拦拦截截雨雨水水，土土石石坝坝一一般般在在下下游游坝坝面面变变坡坡处处设设置置一一定定宽宽度度的的马马道；并在马道上游面设排水沟。道；并在马道上游面设排水沟。马马道道：也也称称纤纤道道、它它的的宽宽度度视视其其用用途途而而定定，一一般般取取1.51.52.0m2.0m。均均质质坝坝和和土土质质防防渗渗体体分分区区坝坝上上游游坝坝面面宜宜少少设设马马道道，非非土土质质防防渗渗体面板坝上游不宜设马道。体面板坝上游不宜设马道。排水沟：排除雨水，横纵向布置。排水沟：排除雨水，横纵向布置。马道、排水沟马道、排水沟2022/12/3046