沥青砼斜墙定向爆破堆石坝.ppt

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1、水工建筑物课件,西安理工大学水利水电学院 水利水电工程系教研室 2007年1月,5.7 土石坝的构造,一、防渗体,1.土质防渗体,心墙和斜墙。 确定防渗体的原则: J【J】及施工条件。 （1）粘土心墙 由于 【J】4 底厚： 0.3 0.5H 0.15 0.2H 顶厚： 3m。 心墙坡比： 1：0.151：0.3， 肥心墙可达：1：0.41：0.5,墙顶高程： 墙顶正常+（0.30.6）m 墙顶设计+（0.30.6）m 且 墙顶校核 墙顶保护层厚度：不小于当地冻土或干燥深度；且1m。 （2）粘土斜墙 底厚： （垂直于斜墙下游坡） 【J】5 顶厚： 斜墙坡比： 内坡不陡于1：2； 外坡不陡于1：

2、2.5； 墙顶高程： 墙顶正常+（0.60.8）m 墙顶设计+（0.60.8）m 且 墙顶校核 墙顶保护层厚度：不小于当地冻土或干燥深度；且1m。 常用23m。,2.沥青砼防渗墙 沥青砼具有较好的塑性和柔性，k=107 1010 cm/s，防渗和适应变形的能力均较好，裂缝时，有一定的自愈功能，且施工受气候的影响也小，适用作土石坝的防渗材料。 【奥地利】欧申力克沥青砼斜墙堆石坝，H=106m； 【石砭峪】沥青砼斜墙定向爆破堆石坝，H=85m。,（1）沥青砼斜墙 早期的斜墙做成双层，在两层沥青砼防渗层之间夹一层排水层，排除透过防渗层的渗水。但实践表明效果并不明显。近年来倾向于不设排水层。斜墙铺设在

3、垫层上，垫层一般为厚13m的碎石，上铺34cm厚的沥青碎石层作为斜墙的基垫。斜墙防渗层厚20cm左右，分层铺压，每一层厚36cm。在迎水面涂一层沥青马蹄脂保护层。按施工要求，斜墙的上游坝坡不应陡于1：1.61：1.7。,图531 沥青砼斜墙和心墙坝（高程：m，尺寸：cm） （a）斜墙坝；（b）心墙坝,（2）沥青混凝土心墙 沥青混凝土心墙可做成竖直的或倾斜的。 顶厚： c=3050cm 底厚： 中低坝 （H坝高） 且40cm。 高坝 且40cm （H为坝高） 。 过渡层：设在心墙两侧。,二、坝顶和护坡,1.坝顶 防浪墙：墙顶高于坝顶1.001.20m。用浆砌石或钢筋混凝土筑成，墙底应和坝体中的防

4、渗体紧密连接。 坝顶面：向两侧或一侧倾斜，作成23的坡度。 坝顶照明：常设。,坝顶构造（单位：cm）,三、坝体排水和反滤层,1.坝体排水,（1）棱体排水，又称滤水坝趾 组成：在下游坝脚处用块石堆成的棱体。 棱体顶宽1.0m；还应保证浸润线位于下游坝坡面的冻层以下。棱体内坡:1：11：1.5，外坡:1：1.51：2。,2. 护坡 上游护坡：干砌石、浆砌石或堆石，近年来砼板护坡使用得也不少。 下游护坡：干砌石，碎石、或砾石护坡，厚约0.3m。对气候适宜地区的粘性土均质坝也可采用草皮护坡，草皮厚约510cm。,（2）贴坡排水，又称表面排水,棱体与坝体以及土质地基之间均应设置反滤层。 优点：可降低浸润

5、线，防止坝坡冻胀，保护下游坝脚不受波浪淘刷，可与坝基排水相接。可发挥支撑坝体增加稳定。 缺点：石料用量大，费用较高，与坝体施工有干扰，检修也较困难。,优：构造简单，用料节省，施工方便，易于检修。防止坝坡土发生渗流破坏，保护坝坡免受下游波浪淘刷。 缺：不能有效地降低浸润线，易因冰冻而失效。 常用于土质防渗体分区坝。,组成：用一至二层堆石或砌石加反滤层，直接铺设在下游坝坡表面。 尺寸：排水顶部须高出浸润线逸出点1.52m。 排水的厚度：应大于当地的冰冻深度。,（3）坝内排水,褥垫排水层、网状排水带、排水管、竖式排水体。 褥垫排水 组成：是沿坝基面平铺一层厚约0.40.5m的块石、 外包反滤层组成。

6、 尺寸：伸入坝体内的深度1/21/3B；倾向下游的纵坡为0.0050.1。 优：当下游无水时能有效地降低浸润线，有助于坝基排水，加速软粘土地基的固结。 缺点：是对不均匀沉降的适应性差，易断裂，且难以检修。当下游水位高过排水设施时，降低浸润线的效果将显著降低。,网状排水 由纵向（平行坝轴线）和横向排水带组成。 横向排水带宽0.5m，间距30100m，坡度1，或由不产生接触冲刷的要求确定。当渗流量大，所需排水带尺寸过大时，可铺设排水管。,竖式排水 排水顶部可伸到坝面附近，厚度由施工条件确定，但不小于1.0m，底部用水平排水带或褥垫排水将渗水引出坝外。规范建议，均质坝和坝壳用弱透水材料填筑的土石坝，

7、宜优先选用竖式排水。,图535 设有竖式排水和水平排水的土坝 （a）竖式排水（与水平排水相连）；（b）水平排水,（4）综合式排水 根据具体情况将几种 不同型式的排水组合在一起， 以兼取各型式的优点。 当下游高水位持续时间不长时，为了节省石料，可考虑在正常水位以上用贴坡排水，以下用棱体排水； 在其它情况下，还可采用褥垫排水与棱体排水组合或贴坡、棱体与褥垫排水组合的型式等。,2.反滤层及过渡层 反滤的作用： 滤土排水， 防止渗流变形破坏及接触冲刷。 位置： 土质防渗体与坝壳或坝基透水层之间， 坝壳与坝基的透水部位均应尽量满足反滤原则。 过渡层：主要对其两侧土料的变形起协调作用。 反滤层可起过渡层的

8、作用，而过渡层却不一定能满足反滤的要求。 在分区坝的防渗体与坝壳之间，根据需要与土料情况可以只设置反滤层，也可同时设置反滤层和过渡层。,反滤层的类型 型反滤，反滤层位于被保护土 的下部，渗流方向主要由上向下，如：斜墙后的反滤层。型反滤要承受被保护土层的自重和渗流压力的双重作用，其防止渗流变形的条件更为不利。 型反滤，反滤层位于被保护土的上部，渗流方向主要由下向上，如:位于地基渗流逸出处的反滤层。 渗流方向水平而反滤层成垂直向的，属过渡型，如：减压井、竖式排水等的反滤层。,反滤层设计要求 1）被保护土层不发生管涌等有害 的渗流变形，在防渗体出现裂缝的情况下， 土颗粒不会被带出反滤层，而且能促使裂

9、缝自行愈合。这就要求反滤料必须具有足够小的孔隙，以防土粒被冲入孔隙或通过孔隙而被冲走。 2）透水性大于被保护土层，能通畅地排出渗透水流，同时不致被细粒土淤塞而失效。要求反滤料必须具有足够大的孔隙。 3) 反滤层组成：由13层级配均匀，耐风化的砂、砾、卵石或碎石构成。 水平反滤层的最小厚度为0.3m； 垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用0.5m。,SL274-2001规定： 当被保护土为无粘性土，且时，第一层反滤料的级配，按太沙基准则选用 （1） （2） 式中 D15反滤料的特征粒径； d85、d15分别为被保护土的控制粒径和特征粒径。,选择第二层反滤料时采用以上相同的准则， 只是以第一层反滤料作

10、为被保护土，其余类推。 当被保护土为粘性土时，SL274-2001推荐采用谢拉德1989年提出的方法。 详细内容可参见规范附录。,现代土石坝的反滤层大多只用一层，有时两层，较少用三层，如：前苏联的萨尔桑格、热瓦理斯克，我国台湾的石门，以及日本的御母衣等坝，均采用一层反滤直接向坝壳过渡。罗贡、努列克、奥罗维尔、石头河等高坝，设两层反滤。,四、新材料土工合成材料 国家技术监督局与建设部发布了土工合成材料应用技术规范（GB5029098）。 1.土工膜 土工膜：k 。 早期用于渠道防渗，20世纪60年代后用于土石坝。 土工膜铺设在上游面，在其上、下部分别设置上垫层和下垫层，再在表面加防护层。,过渡层

11、：可避免刚度相差较大的两侧土料之间产生急剧变化的变形和应力。故在砼面板堆石坝的垫层和堆石之间，沥青砼心墙和坝壳之间均应设置过渡层。,老化和使用寿命：大量室内和现场试验表明薄膜埋设于土石坝内，与温度、紫外线、大气等老化因素基本隔绝，加上抗老化剂的应用，可以认为，老化并不严重。前苏联在有关规程中规定：聚乙稀薄膜可用于使用年限不超过50年的建筑。从实验室加速老化试验的结果推算，埋在坝内的聚乙稀薄膜可使用100年。欧美国家也有类似经验。,2.土工织物 土工织物为用聚酯（PES）、聚酰胺（PA）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和聚乙烯醇（PVA）等高分子聚合物纤维制造的透水性织物。 按加工工艺的不同，可

12、区分为织造土工织物和非织造（无纺）土工织物两类。 土工织物：k= 与面板堆石坝对垫层料的要求相近。 3.其它土工合成材料 由两种或两种以上材料复合而成的称土工复合材料，包括：复合土工膜、复合土工织物、复合防排水材料（排水带、排水管）等，可用于防渗、反滤、排水、加筋及防护等方面。,五、土石坝的裂缝控制,1.类型和成因,（1）纵缝 走向大体上与坝轴线平行，多数发生在坝顶和坝坡中部。 在心墙坝和多种土质坝中，由于心墙土料的固结比较缓慢，坝壳土料的沉降速度比心墙快，坝壳和心墙之间发生应力传递，在坝顶部出现拉应力区导致裂缝。多发生在竣工初期，或初次蓄水时。 土质斜墙坝的坝壳材料，如压实不足，沉降变形大，

13、上部和下部沉降不均，都可使斜墙断裂，形成纵向裂缝。 高压缩性地基上也易形成坝坡面和坝内部的纵向裂缝。,（2）横缝 走向与坝轴线近乎垂直，多发生在两岸坝肩附近。 当岸坡比较陡峻，或是岸坡地形突然变化时，都易发生这种裂缝。横缝常贯穿坝的防渗体，在渗流作用下继续发展，危害极大。,图538 土石坝的裂缝 1湿陷性黄土坝基；2高压缩性土坝基；3压缩性大的粘土心墙；4岸坡陡峻与变坡； 5坝基内含局部压缩性土层；6两岸有湿陷性黄土；7纵缝；8横缝；9水平缝,（3）内部裂缝 主要由坝基和坝体的不均匀沉降引起。在坝体表面很难发现，它可能发展成为集中的渗流通道，危害性也很大。在较薄的粘土心墙坝中，坝壳沉降速度快，

14、较早达到稳定，而心墙由于固结速度慢，还在继续沉降，坝壳将对心墙产生拱效应，使心墙中的竖向应力减小，甚至可能由压应力转变为拉应力，从而产生内部裂缝。 地震区土石坝震害的主要形态是出现纵缝和横缝；由于水力劈裂作用也可以产生裂缝。,2.裂缝的防治措施 （1）改善坝体结构或平面布置 将坝轴线布置成略凸向上游的拱形。 适当放缓坝坡。 采用斜心墙，在两岸或砼建筑物连接处将心墙适当加厚。 设足够厚的反滤层，特别是对易于出现裂缝的部位要适当加厚。 设置过渡层。,（2）重视坝基处理 对不利的岸坡地形，软弱、高压缩性、易液化的坝基土层 均应按下节要求进行必要的处理，以避免过大的不均匀沉降 及水力劈裂冲蚀。 （3）

15、适当选用坝身土料 防渗体：砂砾含量较高、塑性指数较低的粘性土，充分压实后其压缩性较小，但适应变形的能力较低；相反，粘粒含量多、塑性指数高的粘性土，则适应变形能力强而压缩性较高。故宜针对不同要求的防渗体，以及防渗体的不同部位，选用不同的土料。,斜墙对不均匀变形比较敏感，对土料适应变形的能力要求较高，而由于所承受的荷载较小，对土料的压缩性要求则可适当放宽。心墙的中上部对土料的要求与斜墙类似，但心墙的中下部所承受的荷载较大，而不均匀变形的可能性较小，故对变形的要求可适当降低，对土料压缩性的要求则较高。,坝壳料：在浸润线以下不宜采用粉、细、中砂以及粘性土或易软化变细的风化料。在浸水区外也宜采用粒粗质坚

16、、易于压实的砂砾、卵石、堆石，尽量减少其中细粒及泥质含量。,对过渡区及渗流入口处宜填筑自动淤填土料。 对可能的裂缝冲刷区宜采用能抗冲刷的反滤料。,（4）采用适宜的施工措施和运行方式 压实含水率对土的变形性能具有一定的影响。压实含水率高于最优含水率的粘性土，压实后土体的压缩性较大，而适应变形的性能较好，反之亦然。在坝体中、下部宜提高压实度，减小压缩性；河槽坝段中、上部的压实度也宜比两岸坝段稍高；两岸坝肩等易开裂区的防渗体宜填筑柔性较大，适应变形能力较强的塑性土。,心墙、斜墙上部，或易于开裂的部位，其填筑速率可适当放缓，以使下部坝体有比较充分的时间达到预期的沉降量。 当上游坝壳料易于湿陷时，宜边填

17、筑边蓄水。 设有竖直心墙的土坝，其心墙、过渡段和坝壳三者上升的高度不宜相差悬殊。斜墙坝的下游坝壳则宜提前填筑，使沉降早日完成。 在施工间歇期要妥善保护坝面，防止干缩、冻溶裂缝的发生，一旦发现裂缝，应及时处理。 运行期，特别是初次蓄水时，水位的升降速度不宜过快，以免坝体各部位的变形来不及调整，互不协调，产生高应力，同时避免出现水力劈裂。,3.裂缝处理 （1）表面裂缝 砂土填塞，再以低塑性粘性土封填、夯实。对深度不大的裂缝，挖除，回填含水率稍高于最优含水率的土料，分层夯实。 （2）深部裂缝 灌浆，用低塑性粘性土或在其中加少量中、细砂等做灌浆材料自流或加压灌注，但要防止水力劈裂。 （3）严重的裂缝

18、坝内做砼防渗墙。此法效果好，但施工时间长，造价高，在蓄水情况下施工，有一定风险，要慎用。,2.裂缝的防治措施 （1）改善坝体结构或平面布置 将坝轴线布置成略凸向上游的拱形。 适当放缓坝坡。 采用斜心墙，在两岸或砼建筑物连接处将心墙适当加厚。 设足够厚的反滤层，特别是对易于出现裂缝的部位要适当加厚。 设置过渡层。,5.8土石坝的坝基处理,一、岩基处理,岩基处理参见砼坝的有关内容，处理要求应考虑 土石坝的特点，主要是防渗。,二、砂砾石坝基处理,在砂砾石地基的主要问题是渗流控制，做好防渗和排水： (1)垂直防渗设施，包括：粘性土截水槽、砼防渗墙、灌浆帷幕等； (2)上游水平防渗铺盖； (3)下游排水

19、设施，包括：水平排水层、排水沟、减压井、透水盖重等。,1.粘性土截水槽 当T20m，采用粘土截水槽防渗。 底宽： ，且 3m。砂壤土【J】=3，壤土【J】35，粘土【J】510。 开挖边坡：满足稳定原则，由地质条件而定。,2.砼防渗墙 当T20m，截水槽施工有困难时，采用砼防渗墙。 墙厚：根据【J】和强度确定。按施工条件可在0.61.3m范围内选用。 根据已建工程经验，【J】80100可作为 墙厚控制的低限。国内、外挖槽浇筑墙身的最大深度均已达到80m左右。,图540 采用砼防渗墙的土石坝 1粘土斜墙与铺盖；2砂砾料坝壳； 3砼防渗墙；4砂卵石覆盖层；5表面排水,3.灌浆帷幕 当T更深时，截水

20、槽和砼防渗墙施工困难，可采用灌浆帷幕。 土石坝设计规范建议采用可灌比值M评价可灌性。 式中 D15受灌地层土料的特征粒径，mm； d85灌浆材料的控制粒径，mm。 根据反滤原理： M10， 可灌水泥粘土浆； M15， 可灌水泥浆。,图541 采用灌浆帷幕的土石坝,帷幕厚度：T【J】确定，水泥粘土浆【J】34。孔距、排数由试验确定。 灌浆压力：边孔采用低压，中孔采用较高的压力。 灌浆程序：钻孔，泥浆固壁，注入填料，插入灌浆管，自下而上灌浆。,4.防渗铺盖 当覆盖层深厚，采用垂直防渗设施困难时，采用铺盖防渗。作用是延长渗径，降低J，减小Q。,材料：粘土或重壤土， 100（最好1000倍）； 长度：

21、L=（48）H，H作用水头。（超过68倍后，防渗效果增长缓慢）； 厚度： , 前缘 0.51.0m。,5.下游排水减压设施（图542） 排水有水平排水与竖向排水。 坝后反滤盖重由透水材料作成，用以平衡坝基扬压力。,三、细沙、软粘土和湿陷性黄土,1. 细沙等易液化土,地震时存在液化，对坝的稳定性危害很大。 挖除置换； 当挖除困难或很不经济时，对浅层土可振动加密，对深层土以振冲、强夯等方法较为经济和有效。例：官厅水库对中密程度厚24m的中西沙层采用振冲器加密，孔深6m，孔距2m，Dr由0.53提高到0.85。 加盖重、设置砂石桩、加强排水等。,2.软粘土坝基 软弱粘性土抗剪强度低，压缩性高。 挖除

22、置换； 当厚度较大或分布较广，难以挖除时，可利用打砂井、插塑料排水带等加速排水，使大部分沉降在施工期内完成，并调整施工进度，结合加荷预压等措施。,图543 软土地基上利用砂井加固的土坝（高程：m） 1粘土斜墙；2壤土坝体；3砂井；4镇压层；5淤泥质粘土； 6中粗砂混少量碎石；7硬可塑粉质粘土；8碎石混少量砂,3.湿陷性黄土 经过充分论证和处理后可建低坝。 预先浸水处理，使之湿陷量； 破坏黄土的天然结构，使其密实 挖除、翻压； 通过强夯以消除其湿陷性。,5.9 土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接,一、坝体与坝基及岸坡的连接,岩质坝基与岸坡的表面处理要求参见第八节。 土质坝基与岸坡应进行清表与压

23、实。 防渗体邻近岩质岸坡0.51.0m范围内，应用粘土填筑，并控制其含水率略高于最优含水率，以提高其适应变形的能力。 与防渗体结合处的岸坡应大致平顺，不应成台阶状、反坡或突然变坡；当岸坡上缓下陡时，凸出部位变坡角不宜陡于20。 岩石岸坡不陡于1：0.5；土质岸坡不陡于1：1.5。,二、坝体与砼建筑物的连接 与砼坝、溢洪道、船闸、涵管等的连接。,要求：不产生渗透变形延长渗径，降低J。 不产生不均匀沉降夯实填土，紧密结合。 防止水流对上、下游坝坡和坡脚的冲刷,1.插入式 主要用于与砼坝的连接。从砼坝与土石坝的连接部位开始，砼坝的断面逐渐缩小，最后成为刚性心墙插入土石坝心墙内。,如：美国的夏斯塔坝，

24、在坝高48m处与土坝连接，断面逐渐变化，最后形成顶宽1.5m，底宽3.0m的砼心墙伸入河岸地基。,这种连接型式，土石坝的坡脚要向砼坝方向延伸较长，故对中高坝不适于直接与砼溢流坝相连接。从抗震观点看，土与砼两种性质不同的结构地震时易于分离，插入部分断面变化易引起应力集中，结合部位施工不便，开裂后自愈作用小，修复困难。特别是对于高坝，采用高插入墙，根据受力条件，每隔一定高度需设置柔性铰，结构也比较复杂。近年来日本已不再采用。但因结构简单，对于低坝尚有一定的适用性。,2.翼墙式 在结合部位作成砼挡土墙并向上、下游延伸形成翼墙。规范建议下游侧接触面与土石坝轴线的水平夹角宜选在8590之间。土石坝与船闸

25、、砼溢流坝、溢洪道等建筑物连接时常采用这种型式。,图546 土坝与砼坝的翼墙式连接 （a）日本御所坝；（b）日本永源寺坝,5.10 土石坝的抗震设计,一、土石坝的地震震害,20世纪60年代以来，在我国所发生的十多次强震中，有数以百计的土石坝遭受震害。典型实例有唐山地震中的陡河和密云水库土坝。 陡河水库：距唐山地震震中20km，位于9度区，砂壤土均质坝，H=22m，L6115m，震后全坝出现100多条宽大的纵、横向裂缝，坝体发生大幅度沉降和位移，最大一条纵缝的塌陷宽度达2.2m，坝顶最大沉降量1.64m，最大水平位移0.66m。在下游坝脚50m范围内发现喷沙、冒水孔40余处。原因是地基中的中、细

26、砂，沙壤土发生振动液化而失稳。,密云水库白河主坝： 距唐山地震震中20km， 位于6度区，粘土斜墙砂砾石坝， H=66m，T=3040m砂砾石，震后上游坝坡砂砾石保护层大规模坍滑，滑坡范围长达960m，坍滑量15万m3。,【美】1971年圣费尔南多地震中，发生了38m高的下圣费尔南多水力冲填坝的大规模坍滑事故，主要是由坝体饱和砂土的液化所引起。所幸地震时水库水位较低，未出现垮坝事故。震后该坝已不再蓄水，仅作为临时防洪之用。,几点启示： (1) 饱和状态下的砂土坝壳的抗震稳定 斜墙坝的保护层和心墙坝的上游砂土坝壳，如果其级配不良或压实度差，地震时由于饱和砂土中孔隙水压力上升，有可能失稳而滑坡，应

27、检验其抗液化的能力。 (2) 地基的抗震稳定 地基不良可以使土石坝在地震时发生严重震害，诸如：地基液化，地基中软弱夹层的沉降和滑动，以及地基中渗水、管涌等都足以对坝造成危害。 (3) 地震时坝体的裂缝和变形对坝的安全造成的威胁需要注意,二、地震作用下土的动力特性 1.土的动应力应变关系和阻尼特性 地震时由剪切波产生的地面运动分量是对建筑物振动起最主要作用的因素，由地震引起的土石坝振动主要是剪切振动。在地震波作用下，土的剪切刚度随应变幅度发生循环往复的不规则变化，土石坝各部位的应力和变形也随之发生复杂的变化。,希德（Seed）等的等价线性化计算模型 基本思想：将土看作粘弹性介质，以剪切模量G和阻

28、尼比D表示其动态特性。在地震等循环荷载作用下，到达稳定阶段时，土的剪应力和剪应变的关系表现为一封闭曲线，称为滞回圈。变化循环荷载的幅度，得到不同大小和倾度的滞回圈。这些滞回圈顶点的连线称为骨干曲线。骨干曲线上一点与坐标原点连线的斜率称为割线模量，代表通过该点滞回圈的平均斜率，也就是土在该循环中的“平均”模量G（图547）。滞回圈的面积表示该循环中的能量耗散，和土的阻尼特性（阻尼比D或阻尼C）相关联。G和D都是该循环中最大剪应变幅度的函数，希德通过试验得出典型的砂、砾石和粘土的平均G和D曲线如图548所示。,图547 滞回圈与等价线性模型的弹簧、阻尼参数,图548 粘土和砂、砾石的G，D关系,用

29、等价线性化方法分析土石坝地震响应的精度基本上能满足工程上的需要。由于等价线性法只要通过线性分析就可以反映地震作用过程土石材料非线性特性的影响，并且计算简便，得到了比较广泛的应用。,2.土的动强度 饱和无粘性土和少粘性土的振动液化，是土的动强度中最主要的问题。1964年美国阿拉斯加和日本新潟地震时，砂土地基液化造成建筑物的大量破坏引起了工程界的广泛重视。,对液化土层的判别，水利水电工程地质勘查规范GB5028799建议，首先按已有的勘测资料，如：地层年代、颗粒组成、地下水位和剪切波速等进行初判，以排除非液化土层，再根据标准贯入试验结果，并参照相对密度Dr（饱和无粘性土）或含水率W与液性指数（饱和

30、少粘性土）进行复判。对于深度小于15m的饱和砂土或饱和少粘性土，其标准贯入击数值：N63.5Ncr时，可能液化,式中 ds标准贯入点深度（m），小于5m时取5m； dW地下水位深度（m），地面淹没时取零； c粘粒含量百分率，小于3时取3； Nc当ds=3m、dw=2m，c3时，饱和土液化临界标准贯入击数值，按下表采用,ds和dw均应按工程正常运用情况取值，如贯入试验时的和与正常运用时不同，则可按式（583）将实测的标准贯入击数值 修正为 。,室内试验常采用动三轴仪，也有的采用动扭剪仪、动直剪仪或振动台进行试验。室内试验常和地震反应分析相结合进行液化判别。室内试验便于研究各种因素对液化的影响，但

31、取得原状土样比较困难，利用扰动土样试验时，则需考虑土结构变化对液化的影响。,三、土石坝的地震反应分析与抗震稳定评价 1.拟静力法 水工建筑物抗震设计规范DL50732000规定，主要采用拟静力法。沿坝体高度分布的作用于质点i的水平向地震惯性力按式（1）进行计算。 式中 水平向地震加速度代表值，按中国地震动参数区划图GB183062001选用； 地震作用效应折减系数， ；,集中在质点i的重力作用标准值，kN； 质点i的动力放大系数， 为坝顶的动力放大系数，设计烈度为7、8、9度， 分别取为3.0、2.5和2.0。,稳定计算方法： 均质坝、厚心墙和厚斜墙坝可采用瑞典圆弧法； 1、2级坝及H70m以

32、上高坝还宜同时采用简化的毕肖普法； 夹有薄层软粘土的地基，以及薄斜墙坝和薄心墙坝，可采用滑楔法。 c、值，1、2级坝动力试验确定，如动力试验给出的强度高于静力强度时，则应采用静力强度指标。 对设计烈度为8、9度的H70m以上高坝以及坝基中存在可液化土层时，须补充有限元法对坝体和坝基进行动力分析。,（二）动力分析和地震变形 考虑到拟静力法的局限性，我国和国外在进行地震区高土石坝设计时都采用动力分析方法。 等价线性化方法，以反映地震作用过程中土的动态模量和阻尼随应变幅值和约束应力的变化。根据动力响应的计算结果，可以和静力分析一样，采用极限平衡方法来评价土坡的稳定性。,地震变形：认为土坡在地震作用下

33、的稳定性和静力条件下的稳定性具有本质上的差别。静力情况下，作用力保持不变，失稳一旦发生，滑移变形将持续发展，直至破坏。地震作用情况则有所不同，地震作用的大小和方向经常在发生变化，土坡即使在某一瞬间发生失稳，滑移变形也只在短时内发生。,只要地震过程中产生的累积变形 在一定限度内，同时土料的抗剪强度 不发生很大的变化，土坡的安全性将 不会受到很大的影响。所以，以地震变形作为土坡安全性的评价标准可能更为合理。为此，需要解决的问题是提出适当的地震变形的计算方法以及作为安全评价标准的变形指标。工程上比较常用的地震变形的计算方法目前有纽马克（Newmark）提出的滑块位移法以及希德（Seed）等提出的应变

34、势方法等，不过这些方法都有一定的局限性，有待进一步完善。关于安全评价的变形指标，目前还缺乏可以被广泛接受的标准。,四、土石坝的抗震工程措施 1.坝轴线采用直线或微向上游弯曲，避免转折。 坝体各部分的刚性不宜变化过大。设计烈度为8、9度的高烈度地震区，宜选用堆石坝，按震害经验，堆石坝震害较少。防渗体不宜选用刚性心墙。土质心墙或斜墙防渗体与坝壳土料之间宜设置过渡层或较厚的反滤层。在高烈度区应适当加大防渗体厚度，特别是地震时易发生裂缝的坝体顶部、坝体与河岸或砼建筑物等的连接部位。,2. 选择抗震性能和抗渗稳定性较好且级配良好的土石料筑坝。 要求地震时土料的抗剪强度不发生显著变化，并且具有良好 的抗裂

35、和抗冲蚀性能。均匀的中砂、细砂、粉砂及粉土不宜用作地震区的筑坝材料。对坝基中的可液化土层应采取必要的处理措施。,3.设计烈度为8、9度区的土石坝应适当加宽坝顶并放缓上部坝坡。 为调整土质心墙、斜墙防渗体与坝壳之间的应力，使之平稳过渡，避免不连续变形可能形成的裂缝，宜设置较厚的过渡层和反滤层。此外，降低坝体内浸润线的位置将有利于提高坝的抗震能力。建于地震区的1、2级土石坝，不宜在坝下埋设输水管，如有必要，则需采取适当的防护措施。,适当提高压实标准，要求粘性土的压实度取规定值的上限；无粘性土压实的相对密度，在浸润线以上不低于0.75，在浸润线以下根据设计烈度大小选用0.750.85；对于砂砾料，当

36、大于5mm的粗料含量小于50%时，应保证细料的相对密度满足上述对无粘性土压实的要求，并按此提出不同含砾量的压实干密度作为填筑控制标准。要特别注重坝体与河岸或其他建筑物等的连接部位的压实质量。,5.11 堆石坝,一、发展的三个阶段,（1）初期阶段：自19世纪中至1940。以抛填为主，辅以高压水枪冲实。密实度差，沉降和水平位移量都较大，施工期的沉降量可达坝高的5，竣工后沉降量仍有坝高的12，给堆石体的防渗结构造成困难。,（2）过渡阶段：1940年至1965年。由于土力学、土工试验技术以及碾压设备的进步，采用土质防渗体的心墙堆石坝和斜墙堆石坝有了较大的发展。碾压密实的堆石体的变形显著降低，而设计施工

37、良好的土质防渗体则具有较好的适应变形的能力。这一时期200300m级高土石坝的建设促进了高效率重型碾压机具的发展，特别是大型振动碾的出现及其应用于堆石的压实，使堆石填筑质量大大提高，可容许使用过去认为质量较差的石料填筑坝体。,（3）发展阶段： 1965年至今是钢筋砼面板堆石坝（简称面板坝）的发展阶段。面板坝采用振动碾薄层碾压填筑，堆石体压缩性小，面板的防渗效果得以保证，加上面板结构在设计、施工上的改进，使这种坝具有运行性能好，经济效益高等优点，许多国家已成为可行性研究中优先考虑的坝型。世界上最高的是墨西哥187m高的阿瓜米尔帕坝和我国的天生桥一级坝，高178m。在建的水布垭坝，高233m，居于

38、世界面板坝的前列。,二、面板坝优势和特点,（1）结构特点 堆石密度大，抗剪强度高，坝坡较陡，不仅节约了坝的填筑量，而且坝底宽度较小，输水建筑物和泄水建筑物的长度可相应减小，枢纽布置紧凑。,分层填筑和碾压的施工方法使每层的上半部比下半部的平均粒径小而细粒含量高，表面平整，这不仅有利于施工，而且透水性好，因为通过堆石体的渗流在水平方向比垂直方向更容易排出，使堆石体不会被水饱和。坝体处于干燥状态，地震时不存在孔隙水压力上升和材料强度降低的问题，坝的抗震性能较好。,（2）施工特点 根据坝体各部分的受力情况，堆石体可以分区，枢纽中修建泄水建筑物时开挖的石料等可以得到充分应用，降低造价。垫层和过渡层具有半

39、透水性和反滤作用。施工期可以直接挡水或过水，有利加快施工进度，降低临时工程费。面板坝的堆石体施工受雨季和严寒等气候条件的干扰小，可以比较均衡正常地进行施工。,（3）运行和维修特点 碾压堆石体的沉降变形量很小，根据一些坝的实测结果推断，高110m的塞沙那坝，其100年后的坝顶沉降量仅为16cm，为坝高的0.15。砼面板不易出现裂缝，即使出现一些裂缝和渗漏，也比较容易检查和维修。,堆石：泛指通过爆破等方式开采得到的棱角分明的粗粒料； 砂砾石：是指从天然河床开挖的、具有浑圆形状的砂卵石料，不经加工可直接上坝的粗粒土。 堆石和砂砾石统称堆石。工程性质包括堆石的岩性、物理性质、力学性质等。,三、堆石坝料

40、的工程性质,1岩性 工程上常以单轴抗压强度与风化系数进行分类。饱和无侧限抗压强度大于或等于30MPa的岩石为硬岩，否则为软岩。风化程度分级见表5-7。,2抗剪强度 主要由三部分组成： 矿物颗粒滑动的摩擦阻力； 与咬合程度有关的剪胀阻力； 颗粒破碎、重新排列和定向排列所需能量而发展的强度。 堆石体的抗剪强度可通过大型直剪仪或三轴仪试验得到。由于土石坝中堆石料的受力情况不同于三轴仪中试样的受力情况，致使三轴仪测定的指标并不符合坝体实际的应力状态，因而有的研究者研制了平面应变试验仪。不同的试验仪器得到的堆石抗剪强度有所相同。此外，采用的强度破坏标准也影响到抗剪强度的测值。,3压实特性 国内对堆石压实

41、性能的试验有：室内击实试验和现场碾压试验。 室内击实试验与细粒土的击实试验类似。,4渗透性 砼面板堆石坝除下游堆石区水位以上的坝料外，要求堆石的渗透性从上游向下游逐渐增大，并满足水力过渡要求。对心墙堆石坝心墙下游的堆石料也有类似要求。面板堆石坝的垫层料具有辅助渗流控制的作用，即一旦面板或接缝漏水，垫层料应能限制库水进入坝体，起第二道防渗线的作用。,堆石体的粒径大，孔隙大，级配不均匀，水平成层，在每个铺筑层内底部粒径较粗，顶部粒径较细，竖向渗流系数小于水平渗流系数。这些因素使得堆石体的渗流不符合达西定律，其渗流速度与渗流比降的关系是非线性的。,维尔金斯（Wilkins）根据尺寸为1.97.6cm

42、 洁净均匀碎石的试验成果，建议计算公式如下： 式中 、i分别代表孔隙水流的平均流速cm/s与比降； R堆石孔隙的平均水力半径cm，当堆石粒径为3.4、5.1、15.2、20.3、61和122cm时，相应的R值为0.23、0.61、1.91、2.44、7.90和16.3cm； C综合性的形状系数，派金（Parkin）根据粒径2.525cm堆石的试验结果建议对碎石取50.8，对砾石取70.8。,二、砼面板堆石坝 面板坝包括下列主要组成部分：,图552 砼面板堆石坝 （a）硬岩堆石体主要分区示意图；（b）砂砾石坝体材料主要分区示意图； （c）坝顶构造；（d）面板与趾板和特殊垫层区的连接。,（1）堆石

43、体。根据其受力情况和在坝体中所发挥的功能，又可划分为：垫层区，过渡区，主堆石区和次堆石区。 （2）钢筋砼面板及其与河床和岸坡相连接的趾板等构成的防渗系统。,（一）坝剖面与堆石体设计 1、坝顶及坝坡 坝顶：面板坝普遍在其顶部设置L形的钢筋砼防浪墙，墙高46m。防浪墙与面板间要保证良好的止水连接，其底面与坝顶连接处的堆石宽度不宜小于9m，按此设计，坝顶填筑堆石后的宽度约为5m，可以满足交通需要。,坝坡：上、下游多采用11.311.4，接近自卸堆石体的休止角37（11.33）。由于碾压堆石的内摩擦角大于45，所以，采用11.311.4的坡度具有足够的安全度。如果面板坝部分或全部建在覆盖层上，或是坝基

44、中存在不利的节理和软弱面时，则需根据具体情况放缓坝坡。采用软岩筑坝，或是下游堆石体采用任意料时，也宜放缓坝坡。,强震地区的坝顶构造：希德建议在高烈度地震区按滑移变形量0.30.6m来控制坝坡坡度。由于地震时坝顶附近的振动加速度显著放大，特别是位于狭窄河谷中的坝其放大倍数更大，有的研究者建议在高烈度区将坝上部1/4坝高范围内的坝坡放缓，例如：9度区内上部放缓至11.8，而在下部3/4坝高范围内放缓至11.5，并在坝顶部1/10坝高范围内填筑含粘粒的砾石土，面板下的垫层采用水泥土或碾压砼（图553）。,马道：上游坡采用均一坡率以利于面板施工，下游坡如无特殊要求，也不设马道。高山峡谷区的堆石坝，下游

45、坡常布置有“之”字形的上坝公路，比较经济。,图553 强震区的坝顶构造,图554 面板坝的沉降和变形（高程：m） （a）蓄水前完成总沉降量的百分比；（b）蓄水引起的变形形态,2、堆石体材料分区及填筑标准 面板坝的变形规律如图554所示，在水库蓄水前，坝轴线下游的坝体已完成总沉降量的90以上，而靠近面板的坝体仅完成总沉降量的2570。愈靠近上游坡脚，蓄水后产生的沉降变形愈大，因而对面板工作产生的影响也愈大。,（1）材料分区 硬岩堆石料填筑的坝体分区：迎水面为砼面板F；然后从上游向下游方向划分为垫层区、过渡区、主堆石区、下游堆石区；在周边缝下游侧设置特殊垫层区；100m以上高坝，还宜在面板上游面底

46、部设置上游铺盖区及盖重区。,1区为上游防渗铺盖区 1A用防渗土料碾压填筑或水下抛填，其作用是覆盖周边缝及高程较低处的面板，当周边缝张开或面板出现裂缝时，能自动淤堵恢复防渗性能，1B为盖重区可填充任意料，对1A起保护作用。在多泥沙河流上，可利用天然淤积物来形成1区。设置1区造价增加不多，对加强防渗却十分有利。但若水库发生渗漏，设置1区后难以查漏，维修不便。故有些坝不设1区，运行情况也很好。,2区为垫层区 2A直接位于面板下部，为面板提供均匀而可靠的支撑，同时具有半透水性，从防渗角度出发可发挥第二道防线的作用。在周边缝下游侧设置特殊垫层区2B，对周边缝及其附近面板上铺设的堵缝材料及水库泥沙起反滤作

47、用。,3区为堆石区 3A为过渡区，3B为主堆石区，3C远离面板，主要起稳定坝坡的作用，可用任意料填筑，为下游堆石区。E为可变动的主堆石区与下游堆石区的过渡区，其扩展角经综合考虑坝料特性及坝高等因素后加以选定。3D为下游护坡，3F为排水区，各区坝料的渗透性宜从上游向下游增大，并应满足水力过渡要求。用砂砾石料填筑的坝体分区与之类似。,（2）填筑标准 根据坝的等级、坝高、河谷形状、地震烈度及料场特性等因素，参考同类工程经验确定。设计孔隙率或相对密度宜符合下表中的要求，并通过碾压试验加以复核和修正。对重要高坝的填筑标准应作专门讨论。,3、垫层区 垫层料的粒径不能过大，而且含有适量的细料。 能将水荷载引

48、起的变形减至最小限度，以改善面板的受力条件，为此，垫层料应级配良好，细料足以填满粗料间的孔隙，以便压实到很高的密度，具有较高的变形模量。,能发挥一定的防渗作用，在面板浇筑前可用来临时挡水度汛，当面板或接缝产生渗漏时起限制作用，以维持大坝的防渗稳定性，要求含有足够数量的5mm以下的细料，以满足半透水性的要求。但细粒含量不宜过高，渗流系数不宜过小，一般 k= 为宜。垫层区的水平宽度根据坝高、地形、施工工艺等因素通过经济比较加以确定，采用汽车直接卸料、推土机平料等机械化施工时，不宜小于3m；,主堆石区宜采用硬岩堆石料或砂砾料填筑。但美国高95m的贝雷坝、印度高125m的希拉塔坝和澳大利亚高53m的小帕拉坝主堆石区采用了软岩填筑。我国砼面板堆石坝设计规范SL22898规定，主堆石区采用软岩填筑时要作专门论证。,采用软岩堆石料作坝料时，应使其压实后具有较低的压缩性和一定的抗剪强度，多用于高坝坝轴线下游的干燥部位，也可用于中低坝的主堆石区。用作主堆石区的软岩堆石料，如其渗透性不能满足自由排水的要求时，应在