堤防工程手册3章.ppt

《堤防工程手册3章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《堤防工程手册3章.ppt（96页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、,各位专家,下午好! 欢迎莅临南京水利科学研究院 指导工作!,第三章 江河湖土堤设计计算,主讲人: 段祥宝 南京水利科学研究院 水文水资源及水利工程科学国家重点实验室 2010 年 12月 26 日,毛昶熙 段祥宝,堤防工程手册讲稿,江河土堤在防洪体系中是最古老、最广泛、最直接、最基本的防洪措施，由于沿河就地取土筑堤，不像水库优选坝址设计施工，所以遗留问题较多，会遭到各种各样的破坏形式； 因此需要针对这些问题提出相应的措施方案和验算可能破坏的计算方法，以便因地制宜、全面考虑设计建造符合要求的堤防。 但也应注意到堤防与水库土坝的不同特点，不能完全照搬土坝设计“上堵 、下排、中间截”的原则，应当考

2、虑河流演变冲刷而主要采用“截、排、压”的设计原则。 同时也应考虑到河流水位涨落非稳定渗流的设计特点。 这些有关堤防特点的验算设计将是本章叙述的主要内容； 本章主要是渗流方面的，也就是堤防破堤决口“漫决、溃决、冲决”三种类型中的防止溃决部份。至于河流冲刷、波浪冲击方面的防止冲决部分将在第4 章堤岸崩坍中叙述，防止漫决将在第7章防洪抢险中叙述。,摘要,第三章 江河湖土堤设计计算,堤防工程手册讲稿,第三章 江河湖土堤设计计算,3.1 土堤的破坏形式,3.8 土堤抗滑安全验算,3.6 土堤非稳定渗流安全验算,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,3.2 渗流破坏力或作用力,3.4 堤身结构设计,

3、3.3 渗流控制,3.9 沉降计算,3.7 堤基管涌危险性验算,3.10 土堤与建筑物衔接的渗流验算,3.11 建筑物衔接或横穿土堤的渗流控制措施,3.12 湖 堤,3.13 数值计算程序应用简介,3.1 土堤的破坏形式,堤防工程手册讲稿,图3.1 土堤坝岸的破坏形式,土堤坝岸经常发生的破坏形式，除漫顶溢流者外，从剖面上看可归纳为图3.1的12种破坏形式,（a）双层地基中砂基承压水顶穿表层弱透水粘性土覆盖层的薄弱环节，发生局部集中渗流形成流土泉涌的地面管涌现象，若险情发展将继而由管涌出口沿堤底砂基面向上游冲蚀发展成连通的管道，此时如果管道扩大失去拱的作用，堤坝即裂缝下沉而破坏; 严重者还会在临

4、水侧堤脚附近引起水流漩涡。 （b）是背水坡脚大面积发生小泉涌砂（土）沸现象，使坡脚软化或受浮力后失去支承力而引起大滑坡，如图中的大圆弧所示。渗流来水可能是砂基的承压水，也可能是沿覆盖土层上面较透水薄层粉土渗过来的表层水，还可能是由于堤坝本身渗透造成的堤脚软化而在浸润线出渗点以下形成局部小滑坡，如图中的虚线小圆弧所示。,3.1 土堤的破坏形式,堤防工程手册讲稿,（c）堤坝本身或地基的渗流，在背水坡面出渗处发生管涌带走细土粒堆积于坡脚，逐渐在坡面形成局部凹陷小沟，直至坡面冲蚀破坏。 （d）洪水位下降时饱和堤身的孔隙水压力来不及排出而在临水坡发生滑坡，滑弧下边缘多出现在下降水位的附近。若堤前受河水淘

5、刷，就更易造成大滑坡。 （e）降雨入渗造成的滑坡，多发生在阴雨连绵很久时，堤身全部处于饱和状态，由于孔隙水压力增大，土体抗剪强度降低而滑坍。,3.1 土堤的破坏形式,堤防工程手册讲稿,（f）是雨水对堤坡面的冲刷，由于排水不好，在暴雨时造成雨淋沟剥蚀坡面。 （g）是波浪（风浪和船行波）袭击坡面，如果没有护坡面层等或块石面层下没有垫层时，土坡细粒就会被波浪冲击及其诱发渗流淘刷而流失，使坡面局部坍陷。 （h）是堤体内有薄层粉细砂，会形成流沙通道，若埋设涵管漏水或管土接触不紧密，也会形成渗流通道，危机堤体稳定。,3.1 土堤的破坏形式,堤防工程手册讲稿,（i）堤体内有软弱夹层或堤底有淤泥层，降低堤体抗

6、滑稳定性，会发生小圆弧加大圆弧或直线复合滑动面或折线滑动面滑坡。 （j）堤坝肩堆积静荷载，将助长堤坡滑动或造成堤肩的局部滑坍破坏。 （k）堤坝肩的活荷载振动将使坡顶局部破坏，同样在地震的作用下，也将造成顺堤坝方向的裂缝及大滑坡。 （l）坡脚下挖危及边坡的稳定性。,3.1 土堤的破坏形式,堤防工程手册讲稿,堤坝岸坡的破坏形式，(a)(d)是明显的渗流破坏 (e)(i)也是与渗流孔隙水压力密切相关的，说明渗流对边坡土体破坏的重要性。 1998年长江洪水险情有85以上是渗流险情，其中有62.4是管涌险情，而且遭致溃口决堤的几处堤防都是源于管涌险情。,3.1 土堤的破坏形式,堤防工程手册讲稿,土堤岸坡

7、的12种破坏形式 大致可将渗流破坏性分为： （1）个别部位的集中渗流冲刷。即由于大的渗压或出渗坡降使地基或坡面发生管涌或流土的冲蚀或渗透变形；继而沿着渗流阻力小的薄弱环节向上游发展，例如夹砂层或不同土层的接触面等会被渗流冲蚀形成管涌通道，甚至堤破溃决。 （2）整个渗流范围内的滑坡。即由于普遍存在的孔隙水压力或渗透力所造成的大体积土体滑动；多发生在浸润线高、孔隙水压力消散慢的较陡粘性土坡。 管涌与滑坡是代表土体渗流破坏的两种基本类型，也只有满足这两种渗流稳定性（局部与整体），才称得上渗流安全。,3.1 土堤的破坏形式,堤防工程手册讲稿,护坡面层局部破坏形式 ： （a）为波浪冲击局部坏， （b）水

8、流冲刷局部坏， （c）护坡块体被渗流承压水顶出， （d）块体下基土冲蚀下滑， （e）抛石护坡下基土流失， （f）护坡面层浪击或沉陷变形。,3.1 土堤的破坏形式,堤防工程手册讲稿,图3.2 护坡面层破坏形式,堤防的破坏力主要是水入侵使土体失去平衡 外水直接冲击坡面见第6章叙述外 本章主要讨论内水渗流作用力，即静水压力与动水压力（或超静水压力），两者都是孔隙水所传递的，它们通称为孔隙水压力，密切关系着土体的渗流稳定性。例如局部的管涌、流土等的渗透变形问题或整体性的滑坡，崩岸问题，都与孔隙水流动的渗流作用力密切相关；而且在渗流力的应用中还有误解。 下面简要介绍概念。,3.2 渗流破坏力或作用力,堤

9、防工程手册讲稿,3.2.1 渗流作用力及其分解 3.2.1.1 单位渗流作用力 3.2.1.2 力的分解 3.2.2 渗流的两个分力及其破坏性 3.2.3 渗透力与边界水压力的转换关系 3.2.4 单位土体渗流各力的图示与平衡算法,3.2 渗流破坏力或作用力,堤防工程手册讲稿,达西定律条件下，可概括为二：即垂直于颗粒周界表面的动水压力（图(a)）和与颗粒表面相切的水流摩擦剪应力（图(b)）。这两个力经过对颗粒表面进行积分都可各用一个向量和代表，并得其合力（图(c)）。 此合力可称为渗流作用力，该力作用到每个颗粒上的大小和方向各有不同。如果考虑体积为V的土体，则可将其中各土粒所受的力几何相加再除

10、以体积即得单位体积土体中固相颗粒所受的渗流作用力为,3.2.1 渗流作用力及其分解 （1）单位渗流作用力,3.2 渗流破坏力或作用力,堤防工程手册讲稿,图3.3 颗粒上的渗流作用力,常把这个渗流作用力f分解成两个方向的两个分力，例如图3.4 (a)所示，把单位体积的土体所受渗流作用力f分成垂直于等压力线的分力与沿流线方向的分力。但是从渗流场的方便来说，则以分成铅直向上的分力与沿流线方向的分力为好，如图3.4 (b)所示。也就是分解成静水压力所产生的浮力u与动水压力所产生的渗透力fs 。在研究渗透稳定性问题时经常只考虑这两个分力，而不再去涉及到合力f了。,3.2 渗流破坏力或作用力,堤防工程手册

11、讲稿,3.2.1 渗流作用力及其分解 （1）单位渗流作用力,图3.4 单位土体中颗粒所受渗流作用力的分解,图3.4 (b)所示力的分解，其沿流向的分力即动水压力作用到土体颗粒骨架上的渗透力，其值为fs =w J，可称为单位渗透力；另一分力是习惯上的上举力或静水浮力，其方向铅直向上，即u = (1-n) w。后面分解的这两个体积力fs和u是渗流场研究方面所习用的，它们不仅使土粒骨架本身受到浮力和拖引力，同样也使整块土体受到这两力的作用。,3.2 渗流破坏力或作用力,堤防工程手册讲稿,3.2.1 渗流作用力及其分解 （1）单位渗流作用力,图3.4 单位土体中颗粒所受渗流作用力的分解,除此渗流两分解

12、力之外，考虑到平衡计算就又有土体的干容重d，或者用单位土体中的颗粒重表示为（1n）g，这里g为骨架颗粒的单位重（容重）。求其简便就又把土重和浮力两铅直力迭加起来，记其浮重。若为湿土，则式中n应理解为有效孔隙率（充水孔隙率或饱和不足度），更小；若为饱和土s，则n = 0，所以在饱和渗流区总是用单位土体浮重计算稳定性。,3.2 渗流破坏力或作用力,堤防工程手册讲稿,3.2.1 渗流作用力及其分解 （1）单位渗流作用力,图3.4 单位土体中颗粒所受渗流作用力的分解,除此渗流两分解力之外，考虑到平衡计算就又有土体的干容重d，或者用单位土体中的颗粒重表示为（1n）g，这里g为骨架颗粒的单位重（容重）。求

13、其简便就又把土重和浮力两铅直力迭加起来，记其浮重。若为湿土，则式中n应理解为有效孔隙率（充水孔隙率或饱和不足度），更小；若为饱和土s，则n = 0，所以在饱和渗流区总是用单位土体浮重计算稳定性。,3.2 渗流破坏力或作用力,堤防工程手册讲稿,3.2.2 渗流的两个分力及破坏性,图3.4 单位土体中颗粒所受渗流作用力的分解,3.3 渗流控制 3.3.1渗流控制要求 3.3.2 渗流控制措施 3.3.2.1 排渗减压沟 3.3.2.2 减压井 3.3.2.3 浅滤沟或截渗槽及排水沟 3.3.2.4 压土平台 3.3.2.5 防渗墙 3.3.2.6 防渗铺盖,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.

14、3.1 渗流控制要求 通过计算、试验和探测查明渗流场分布，确定下列水力因素： （1）渗流水头（或压力及浸润线）；对于堤基砂层中的有压渗流需要知道其承压水头分布，以便验算顶破弱透水覆盖土层发生管涌的可能性；对于堤身的无压渗流需要知道浸润线位置和渗流压力分布，以便核算滑坡的可能性等。 （2）渗流坡降（或流速及渗透力）：渗流的动水压力所产生的渗透力大小决定于渗流坡降，因此首先应知道背水坡及坡脚附近地面的出渗坡降，以便考虑是否需要压盖或滤层防护出渗发生管涌的可能性；对于堤基砂层应知其渗流坡降分布，以便考虑管涌会否发展影响地基的稳定性，甚至细颗被渗流冲蚀带走后，形成冲沟通道，有造成溃口的可能。 （3）渗

15、流量：有时需要知道穿过堤基的渗流量，以便估算与生态平衡有关的内外水力联系，或者检验防渗的效果以及设计排水设备尺寸的参考。 渗流控制的任务要求概括为：控制水头或浸润线、渗流坡降或流速和渗流量三者在允许值范围内。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.3.2 渗流控制措施 渗流控制基本方法：防渗与排渗，并在渗流出口等部位设滤层保护。 防渗措施：垂直和水平两种基本形式。对于堤防来说，由于河床演变冲淤无常，在临水侧作粘土铺盖防渗有时不可靠，而在堤防底下用防渗墙切断很深的砂层，既不经济，又会影响低水位时两岸地下水的消退，因此最好是在背水侧采用排渗措施，即在背水堤脚排渗减压或压土平台为主，必要时再截渗防

16、渗。 总之，堤防的渗流控制，原则上不外“排、压、截（防）”三途径，它们的适用性决定于堤基土层分布与要求。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.3.2 渗流控制措施 排渗减压沟 堤基多是二元结构双层地基，当弱透水覆盖土层不厚时，可挖排渗沟深入砂层消减承压水头和砂沸管涌现象，挖沟地点在堤防背水侧坡脚处。 如图3.7所示为美国堤防设计推荐的矩形沟11，有专用的挖沟填实施工设备，窄沟宽0.61.8m，沟内回填符合标准的粗砂砾石滤料；靠近沟底还可布设有缝或穿孔的集水管，但此管必须有30cm厚左右的砂砾滤料包围，免得回填砂进入管内。回填砂砾料不宜过分夯实，免得降低透水性，集水管的大小决定于排出的渗流量

17、。 有时把排渗沟布置在堤内坡之下，再以水平排水褥垫引出渗流，如图3.8所示，此时更可降低堤坡内的浸润线。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.3.2 渗流控制措施 排渗减压沟,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,图3.7 背水堤脚减压沟 图3.8 堤内褥垫减压沟,3.3.2 渗流控制措施 我国施工限制，多挖梯形排渗沟，沟内再回填砂砾料，如图3.9为1995年某江堤一施工断面，由于挖沟未深入强透水砂层（应深入至少0.5m），回填粗砂砾石料又欠妥，沟底透水性差，沟顶路面通车会振动细粒料下沉减小透水性和排水等原因，所以洪水时堤内农田砂沸管涌严重。经过随后的渗流计算分析如图示的等势线分布，沟后剩余

18、水头仍有30%以上，说明排渗减压效果不大。 图3.9 减压沟实例分析,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.3.2 渗流控制措施 排渗沟不回填作为明沟排水减压的也属不少，只需作好沟底边坡的滤层；但维护管理不易，也有风沙泥污水侵入淤积堵塞失效之患。因此可挖筑成暗沟排渗，如图3.10所示为新沂河大堤暗沟排渗成功的一例，沟底深入强透水砂层0.51.0m，滤层施工严格，效果显著。 排渗沟沿堤脚输水一段长度设有出口集水设备，需按照输水量和出口处地形设计，也是一个方便管理，发挥排渗减压功效的关键性问题。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,图3.10 减压暗沟实例,3.3.2 渗流控制措施 （2）减压井

19、 当弱透水覆盖土层较厚（3 4m以上），但不均匀，仍会出现渗水冒砂管涌险情，此时可采用较深的减压井列措施（参见图3.7，沟改井）消减砂层中的承压水头。井列位置也可选在堤坡脚附近较薄处；井间距可选取20m左右，与井深、井径有关。 减压井列的优点:补打方便；缺点:易淤堵，效果渐减。因此设计施工都必须注意到泥污水、铁锈水、细菌生长等的淤堵和碳酸盐类对井管腐蚀的可能性以及将来设法洗井增大出水量的考虑。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.3.2 渗流控制措施 （2）减压井 美国密西西比河大堤采用减压井较早，最近建议的井结构设计如图3.11所示11要点如下： （a）井管：透水孔眼井管恰在透水砂层顶面

20、之下开始，向下到井底，孔眼井管向上为上升管到地面。在砂层中遇有极细粉砂区间应换为不开孔眼的井管。井管多是不锈钢或塑料的，不过塑料管还有被损坏的可能。 （b）滤层：包围井管的滤层必须按照滤层规格施工，回填粗砾石滤层应均匀，厚度至少15cm，越过砂层顶面至少60cm，在孔眼井管底面以下至少120cm。在砾石滤层顶面以上到混凝土或不透水回填底面之间可以填砂。 （c）配件：防止内涝泥污水回灌、杂物酸类侵入和人为的破坏等导致失效，每口井顶端配有铝制阀、橡皮垫片、塑料立管和V形量水堰以及金属网、栅栏等附属设备。立管出流的高程应服从设计要求。 图3.11 减压井结构,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.

21、3.2 渗流控制措施 减压井的运用成功经验在于钻孔、回填的方法和维护管理，否则就达不到预期的效果。 我国减压井存在的问题： 施工方面，有的钻孔采用了泥浆护壁，结果排水减压效果差；有的装填滤层逐渐发生淤堵失效；有的未重视钻孔土层分布情况，极细粉砂土层带中的井管仍是开孔管，导致大量泥砂涌进井管，使最有效下部井管失效；有的忽略了覆盖土层中的夹砂层，该段井管仍是不开孔盲管，致使减压效果减小；有的管段接头加工损坏等。 设计方面，有的井深未深入到下部强透水带，作用小；减压井底部有较长（12m）的所谓沉淀管，丧失了最有效的下部该段管的减压作用；设计井口高出地面较高、井管细、铁管锈蚀等影响出水量；井的上端出口

22、也很少像图3.11所示注意到管理维护设计的。也很少考虑到铁锈水、物化淤堵的设计。 还有管理上的难度等原因。使得我国对减压井的认识发生疑虑。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.3.2 渗流控制措施 （3）浅滤沟或截渗槽及排水沟 堤底下浅层地基中遇有薄层比堤身透水性强时，则可在背水堤脚下挖设浅滤沟管排水减压，如图3.12所示为新沂河大堤加固一例。开孔或有缝集水管外包围砂砾滤层后，再覆盖粘土夯实。具有同样效果，此时也可以采用截渗槽或迎水侧坡粘土斜墙截断浅层夹砂层的防渗措施，如图3.12中的虚线所示。 即使没有强透水地基，如一般堤坝和开挖公路的坡脚，也都需要布置排水沟，可采用暗沟、暗管方式，如图

23、3.13所示。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,图3.12 浅滤沟 图3.13 坡脚排水沟,3.3.2 渗流控制措施 （4）压土平台 消除堤后地面砂沸管涌险情的最可靠、简易、一劳永逸、有安全感的方案可能就是堤后的压土平台，只要压土重胜过其下的承压水头即可，特别适用于抽吸江河泥沙方便的河流或取土方便的农村堤防的加固，如长江堤防的吹填工程和黄河的放淤等。其压土宽度应作计算并考虑原有覆盖土层的厚度变化，如图3.14所示上图缺少一段压土宽度将会导致渗流更集中出渗砂沸管涌，势必延长压土平台如图3.14下图所示。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,图3.14 压土平台,3.3.2 渗流控制措施 压土

24、平台类别取决于压盖材料如下： （a）不透水压台：可澈底消除渗水，但会增大底下的承压水头，使得压盖厚度和宽度加大。 （b）半透水压台：压盖半透水土料或与原覆盖土层类同的土料，压台上仍会出现渗水，也将增大渗流阻力，使底下的承压水头略增大。 （c）透水砂料压台：不增加原有的承压水头，节约压土料，但压砂平台排水不足时，顶面渗水，湿潮。 （d）自由排水压台：在正规水平排水粗砂砾石层上的随便填压平台，并有末端的孔眼集水管系统，类似土坝底的水平褥垫排水。此时在同样减压效果下，压料厚度及宽度最小，但投资大，采用者少。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.3.2 渗流控制措施 目前我国采用压土平台的压渗措施

25、渐多，但均是就地取土料，如图3.15的赣抚大堤填筑亚砂土的压渗台，厚3m，宽50m，加固后基本上消除了每年汛期堤后的管涌现象。 图3.15 压土平台实例,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.3.2 渗流控制措施 （5）防渗墙 防渗比上述的排渗、压渗措施在消减水头和渗流量方面更为积极，有直接阻渗和延长渗径的作用；而垂直防渗板墙又胜于水平防渗，特别是浅层地基有薄砂层时，筑墙或挖槽换粘土以及土工膜截断薄砂层即可。但若弱透水覆盖土层下有深厚强透水砂基，自然是悬挂式板墙为宜，它不影响内外水力联系，洪水时两侧广大地区砂基有蓄洪滞洪的作用，洪水过后也不阻拦内涝的消退；同时对制止和延缓堤后管涌险情的继续发

26、展却有决定性作用，原因是（a）阻渗效果大，较之水平阻渗所损失的水头约3倍（Lane，1935），（b）管涌冲蚀的垂直临界渗流坡降远大于水平者，约6倍以上1。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,图3.16 悬挂式防渗墙位置,3.3.2 渗流控制措施 （5）防渗墙 防渗板墙的位置，如图3.16所示，多在堤前坡脚处，但应培厚该处的粘土并注意防冲；若考虑到堤身，则可选取位置，因为洪水位边线之下的堤基渗流坡降最大；若施工不便，也可移至堤顶位置；堤后坡脚位置也值得考虑，它对消减堤后出渗坡降和管涌险情的作用最大，而堤前的板墙只有减轻堤基承压水头的作用。如果结合板墙垂直效率考虑（与水平阻渗相比）其消减水头和

27、增大抗渗坡降有3 6倍的功效，则可选取堤基截流位置和两道短板墙，其垂效最大，高达8以上2，可以大幅度削减容易冲蚀发展的堤基水平渗流坡降，较之单独的长板墙有利和经济。 悬挂式防渗墙的适宜深度，从垂效来说，以设在堤前后坡脚处的短墙较好，对于深厚砂基，可取贯入度S/T0.20.4；若不能满足设计要求时，还可延长堤后压土长度。对于较浅砂基可取较大的贯入度S/T0.60.8。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.3.2 渗流控制措施 （6）防渗铺盖 上游采用粘土铺盖，增长水平渗径防渗，多用于水库土坝工程，如果堤前河床不会被洪水冲刷，也可考虑。一般可在原有弱透水覆盖土层的残缺部位填补或加厚，达到经济的

28、防渗措施。 以上六种渗流控制的防（截）、排、压措施在堤防工程中可因地制宜选取其中一种或两种，最好设计是综合考虑以求其经济可靠，这些具体设计和渗流计算方法见后。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.4 堤身结构设计 3.4.1 堤顶高程及结构 3.4.1.1 堤顶超高 3.4.1.2 堤顶宽度结构及防浪墙 3.4.2 堤坡、戗台与护坡防冲、防渗 3.4.3 挖土筑堤标准 3.4.3.1 取土坑 3.4.3.2 筑堤土料标准,3.4 堤身结构设计,堤防工程手册讲稿,堤身设计与堤基密切相关，已有的地理、地质勘探资料和取土坑土质分布等，并参考过去堤防的现状和经验，划分堤段，选定堤轮廓断面。一般是在

29、地价高、基础好的地区，选择辗压密实的陡坡堤断面；并再分析研究。在地价低、基础差、施工期多雨的地区，选择不太压实的缓坡断面。 堤身的结构应经济实用，就地取材，便于施工，满足防汛和管理要求。 设计应依据堤基、筑堤材料及运用要求进行，可初拟一个或几个标准断面，经稳定计算和技术经济比较后确定堤身各部位的结构与尺寸。 土堤设计的堤身断面应包括外形轮廓尺寸（堤顶、堤坡、饯台等）及其结构（堤顶防洪墙、护坡、排水、防渗等）；并应考虑施工时的筑堤土料等天然材料的选用取法及其填筑标准。,3.4 堤身结构设计,堤防工程手册讲稿,3.4.1 堤顶高程及结构 （1）堤顶超高 堤顶高程应按设计洪水位或设计高潮位加堤顶超高

30、确定。超高（freeboard）定义为设计水位以上的堤顶高度，按照堤防设计规范1规定，其值计算如下式 Y R + e + A （3.6） 式中 R为波浪爬高（见小节4.5.2），对允许越浪的累计频率取13，对不允许越浪的累积频率取2；e为风壅增水高度（见小节4.5.3）；A为安全加高（见表1.6）。计算单位都是m。1、2级堤防的堤顶超高值不小于2m。一般堤防的最低超高也应在0.5m以上（见表1.7）。,3.4 堤身结构设计,堤防工程手册讲稿,3.4.1 堤顶高程及结构 土堤施工堤顶应预留沉降量，通过沉降过程计算确定。一般施工土堤沉降量为510；美国规范规定施工后沉降量，对于压实、半压实、不压实

31、的筑堤方法，依次为5，10，15。至于地震引起的沉降，海啸超高等一般不予考虑。对于必须考虑的重要堤段应专门论证确定（参见海堤章节5.6）。 长江中下游的1、2、3级堤防设计超高依次为2m、1.5m及1m。 日本的防洪规范规定堤防超高是随河道设计流量的增大而加大，流量大于10000m3/s时超高为2m，流量1000左右时超高为1m，最低超高为0.6m。,3.4 堤身结构设计,堤防工程手册讲稿,3.4.1 堤顶高程及结构 （2）堤顶宽度结构及防浪墙 按照规范规定，堤顶宽度应根据防汛管理、施工、构造及其它要求确定。 1级堤防顶宽不宜小于8m，2 级堤防6 8m，3级以下堤防不小于3m。根据防汛交通、

32、存放料物等的需要，应在顶宽以外设置回车场、避车道。 如图3.17所示一例为一般堤顶小宽度交通道和一定间隔（1km）的避车道。在路端终点再设置回车场，其宽度应比避车道加宽近倍。为满足防汛、管理和群众生产的需要，还应设置上堤坡道以及存料场和防汛屋等。,3.4 堤身结构设计,堤防工程手册讲稿,图3.17 堤顶避车道示例,3.4.1 堤顶高程及结构 （2）堤顶宽度结构及防浪墙 堤顶路面结构，应根据防汛、交通、管理的要求和土质、气象条件进行选择。路面宜修筑在堤顶背水侧一定宽度内。堤顶及路面宜向一侧或两侧稍倾斜，利于排水。 因受筑堤土料及土堤加高场地的限制，可修建防浪墙。防浪墙的高度一般不应超过1.2m；

33、结构可采用干砌石勾缝，浆砌石、混凝土等，并应设置伸缩缝和核算其稳定性。风浪大的海堤、湖堤的防浪墙临水侧宜做成带反浪曲面（参见海堤章节5.6.6）。,3.4 堤身结构设计,堤防工程手册讲稿,3.4.2 堤坡、戗台与护坡防冲及防渗 堤坡应根据堤防等级、堤身结构、堤基、筑堤土质、风浪情况、护坡型式、堤高、施工及运用条件，经稳定计算确定。堤防规范规定1、2级土堤的堤坡应不陡于1:3。美国堤防规范认为好土质填筑在好地基上的较低堤防，可以不进行稳定性分析，一般是压密实的粘性土土堤，最陡堤坡1:2；较密实的堤坡1:3；松土软基的堤坡1:5；与我国实际情况相符。堤防的各部位名称如图3.18所示。稍低的堤防没有

34、戗台或只设背水坡戗台，如图3.19所示 。,3.4 堤身结构设计,堤防工程手册讲稿,图3.18 堤防各部名称 图3.19 欧洲堤防示例,3.4.2 堤坡、戗台与护坡防冲及防渗 堤高超过6m宜设置戗台:戗台的宽度不宜小于1.5m。风浪大的海堤、湖堤临水侧宜设置消浪平台，其宽度不宜小于3m，位置高程可设在设计高潮位。 临水堤坡须护坡防冲:由于风浪袭击、水流冲刷，尤其是坐湾迎溜以及主流迫岸处。护坡型式应依据风浪大小、近堤水流、潮流情况、船行波影响，结合堤防等级、堤高、堤身与堤基土等因素选定。护坡面层结构可采用抛石、砌石、混凝土或土工织物模袋、席垫等。护面层下应设垫层或滤层。(详见堤岸防护章节4.10

35、及海堤章节5.6.5) 背水堤采取草皮护坡:根据当地的暴雨强度、是否允许越浪，并结合堤高和土质情况确定。 堤高大于6m设排水设施:防止雨淋冲刷，包括堤顶、堤坡、堤脚以及堤坡与山坡或其它建筑物结合部的汇集雨水的排水设施。,3.4 堤身结构设计,堤防工程手册讲稿,3.4.2 堤坡、戗台与护坡防冲及防渗 堤身防渗的结构型式，应根据渗流计算及技术经济比较合理确定。可采用心墙、斜墙等型式，其结构应与堤基防渗体统筹考虑，紧密结合成一体。防渗材料可采用粘性土、沥青混凝土、土工膜等。防渗体的顶部应高出设计水位0.5m。 粘土防渗体的断面形式：应自上而下逐渐加厚，顶部厚度不宜小于1m，底部厚度，规范规定不小于其

36、前后水头差的1/4，即允许渗透坡降4。土质防渗体心墙顶部和斜墙临水侧都应设置保护层，其厚应满足防冻和干裂的深度要求。对于砂基还宜铺粘土一层垫底防渗。 土工膜防渗应满足强度、抗腐蚀、抗老化和施工中接缝布设技术上的要求。,3.4 堤身结构设计,堤防工程手册讲稿,3.4.3 挖土筑堤标准 就地取土坑位置决定因素：（1）土质、土量和运距；（2）环境、地价；（3）受地下渗流扬压力和河流冲刷加剧的影响。取土坑的规划土量，至少是筑堤断面体积的125，用以补偿土料碾压收缩和运距中的损失。 取土完毕后应对坑区地面修整处理以适应当地的环境，特别是城市堤防，需要种草植树、布置排水、防止冲刷以及恢复农田作物等。 筑堤

37、土料标准 粘性适中的壤土（亚粘土），粘粒含量1530，塑性指数1020；含水量接近最优值而差值小于5。 粘性土堤的填筑压实标准以干密度为设计指标，并按压实度确定。1、2级堤防（或高度超过6m的3 级堤防），压实度不小于0.92；低于6m的3 级堤防和3 级以下的堤防，压实度不小于0.9。 砂土堤防的压实标准应按相对密度确定，1、2级和高度超过6m的3 级堤防，不小于0.65；低于6m的3 级和3 级以下的堤防，不小于0.60。 淤泥或自然含水量很高、冻土和含植物根茎杂质的土以及砂土、分散性土等不宜填筑堤身，除非进行相应的处理措施。,3.4 堤身结构设计,堤防工程手册讲稿,3.5.1 不透水地基

38、上的土堤渗流计算(堤内侧无水) 3.5.2 透水地基上的土堤渗流安全计算 (堤内侧无水) 3.5.3 堤内侧(下游)有水深时的渗流计算 3.5.4 透水堤基的防渗措施 3.5.5 覆盖土层下强透水堤基渗流计算 3.5.6 有减压沟的堤基渗流计算 3.5.7 有减压井列的堤基渗流计算 3.5.8 减压井各种水头损失的计算 3.5.9 堤内压土方案的渗流计算 3.5.10 有防渗墙的渗流计算 3.5.11 堤基各向异性、多层次的渗流计算,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,渗流安全验算 与土坝类似，但堤防洪水历时短，需要核算非稳定渗流过程；堤后无尾水，可视为地面出渗；堤前河床会被水流淘刷形

39、成深坑，加剧堤基渗流；填土堤身复杂、堤基少渗控措施等特点。 验算渗流安全的主要内容：浸润线位置、渗流坡降、承压水头、渗流量等； 验算方法：计算得出渗流场的流网或等势线分布。,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,3.5.1 不透水地基上的土堤渗流计算（堤内侧无水） 3.5.1.1 浸润线、坡降及渗流量 堤基为较厚的粘土或相对不透水隔层，近似为堤基不透水 下游无水时堤背出渗点高度,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,图3.21 不透水地基上的土堤,1）巴氏法,2）谢氏法：,谢氏法比巴氏法精度高； 建议对不透水地基上的堤坝下游无水情况，采用谢氏公式（3.11）和式（3.12）计算 透

40、水地基与下游有水情况的堤坝渗流算法，仍应用巴氏公式,3.5.1 不透水地基上的土堤渗流计算（堤内侧无水） 3.5.1.2 渗水坡面的土体稳定性 土体沿坡面下滑的临界出渗坡降Jc的关系式，或安全出渗坡降值,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,上两式中的粘聚力C值应与值 的单位一致，引用试验值单位面积上的粘聚力C值也应理解为单位体积的粘聚力。严格说，引用粘聚力C值计算时只能适用于坡面表层单位厚度土体的稳定性。,图3.22 出渗坡面土体下滑稳定分析,浸润线与坡面相切,非粘性土，C0，Jsin,3.5.1 不透水地基上的土堤渗流计算（堤内侧无水） 一般单位土体的浮重1，则得 （3.19） 这是

41、无粘性土堤坡防止渗水冲蚀坡面的最低要求，例如细砂时，即需要边坡1:3.3；但若没有渗水流出坡面，只需边坡1:1.6即可稳定，故应控制边坡不使渗水。 如果土堤筑在不透水地基上，沿地基流线0及，则又可由式（3.16）, C0得到稳定的坡角为 （3.20） 此式说明水平渗流要求坡角更大， 例如细砂摩擦系数时，31， 15.5，需要坡比1:3.6始可稳定。,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,3.5.1 不透水地基上的土堤渗流计算（堤内侧无水）,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,表3.1 细砂坡面出渗临界坡降试验与公式（3.16）计算比较,3.5.1 不透水地基上的土堤渗流计算（堤内

42、侧无水） 总结：不透水或弱透水地基上的堤防，其浸润线最高，堤坡渗水极不利于边坡稳定。 堤身有水平层次或夹砂薄层将更导致水平渗流，加剧坡面冲蚀破坏。 长期堤坡渗水，又是在渗流出口，抗剪强度将大减，据自然条件下试验（，1948）出渗段的c、值较之一般试验室条件下的值，tan减小1.52.0倍，c减小23倍。故将导致表面流砂流土，甚至软化堤脚导致滑坡。 因此必须覆盖滤层保护渗水坡面或采取渗控措施降低浸润线以及放缓出渗段堤坡种植草皮等。,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,3.5.1 不透水地基上的土堤渗流计算（堤内侧无水） 3.5.1.3 降低浸润线的排水措施 控制坡面渗水的降低浸润线措施除

43、小节3.4.2所述的上游防渗外，就是下游排水措施；其设计方法应降低浸润线在坡面下1m左右，以防冻及草木种植土层厚度。 常用的排水措施如下： （1）水平褥垫排水 （2）条状排水 （3）棱体排水 相应浸润线方程和渗流量计算公式见（3.213.26）。,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,3.5.1.3 降低浸润线的排水措施,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,图 3.24 条状排水布置,图 3.25 条状排水浸润线位置,图 3.26 条状排水渗流量 与无排水时的比值关系,图3.27 堤坝梭体排水,3.5.2 透水地基上的土堤渗流计算（堤内侧无水） 浸润线、坡降及渗流量 堤基透水，地

44、层厚度为T，用巴甫洛夫斯基的分开堤身和堤基的算法,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,图3.28 透水地基上的土堤,考虑堤前被冲刷，在（3.27）式中引用0.44取代了常规计算的0.88。,强透水地基（k010 k）还可采用下面,（3.27）,（3.28）,（3.29）,3.5.2 透水地基上的土堤渗流计算（堤内侧无水） 弱透水地基上的土堤（k0k）,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,图3.29 弱透水地基（k0/ k1/10）上的堤坝渗流试验流网,巴氏将堤身上下游分段和堤身堤基分开的简化计算方法相当可靠，最大误差小于10。不透水或弱透水地基上的均质堤坝，若无堤脚排水，其堤背

45、坡出渗点高度在地面以上高达总水头的50。,3.5.2 透水地基上的土堤渗流计算（堤内侧无水） 强透水地基上的土堤(k0k),3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,图3.30 强透水地基（k0/k50）的堤坝渗流等水头线分布,3.5.2 透水地基上的土堤渗流计算（堤内侧无水） 浸润线与堤基渗流坡降 浸润线方程，堤基愈透水，浸润线愈下凹很低,强透水堤基的内部最大渗流坡降，由图3.30所示，与堤身浸润线的最大坡降同处于水位边线入渗点的垂线上.,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,图3.31 阻力长度LB的图解,下游堤脚渗流出口的安全更重要:出口坡降最大，对于粉细砂堤基，出渗地面会形成管

46、涌，影响堤的安全，应采取渗控措施或覆以滤层保护堤脚处集中渗流出口。 若砂基水平渗流坡降大于临界值（细砂可取0.1）也应采取防渗措施，对此薄砂层堤基最好是截断，如图3.32所示,图3.32 截断强透水薄砂层 土堤流网图,3.5.2 透水地基上的土堤渗流计算（堤内侧无水） 堤背坡与地面的出渗坡降 堤身、堤基透水性相同时的下游坡面出渗情况,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,图3.33 堤背坡地面 无水时出渗坡降计算,（3.30）,（3.31）,（3.32）,沿坡面BA,沿地面AD,强透水地基为双层，上层细砂、下层粗砂砾时,图3.34 双层透水地基上堤后出渗坡降,3.5.3 堤内侧（下游）有

47、水深时的渗流计算,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,算例知堤背渗水高度随尾水上升而递减的规律以及与图3.30电模拟试验结果验证，计算方法简便可取。 同样在弱透水地基上的土堤也可引用公式（3.28）近似计算。从流网图形判断，堤基透水性接近土堤时，此种分开近似算法似应更为接近。,图3.35 下游水深H2的透水地基上土堤,尾水上,（3.33）,（3.34）,尾水下,（3.35）,堤基总渗流量,（3.36）,3.5.3 堤内侧（下游）有水深时的渗流计算 沿尾水面下的堤脚地面在同等透水性地基上仍用式（3.30）和式（3.31）作近似计算，式中的h0以（h0H2）取代. 堤背坡出渗坡降,3.5

48、土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,图3.36 下游坡面出渗坡降示意,（3.37）,J0为出渗点处的坡降，一般认为 。但由试验，谢氏认为浸润线并不与坡面相切，而较缓出逸，较陡坡1:2时J00.15，较缓坡1:3时 J00.1。同时由谢氏公式可知在尾水面与坡面的交点（yH2），其出渗坡降J，会冲蚀坡土松动流失，是渗流出口的破坏焦点，加之尾水面的波动和风浪冲击，就更易冲坍，最不稳定，必须局部加强防护。,3.5.4 透水堤基的防渗措施 需要在坡脚渗流出口布设滤层防护，如图3.37所示为适应堤基与堤身有同等渗透性的流网计算下的滤层布局。若堤基透水性相对堤身愈强，由上小节渗流计算可知坡面渗水高度h0愈低；对砂基来说，几乎坡面没有渗水，因此滤层可只平铺，防护堤基渗水带砂出来 。,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,图3.37 透水堤基与渗流出口滤层防护 图3.38 砂基覆盖土层上压盖重防护,透水盖重计算公式（3.38），淹没水下为（3.39） 还要验算堤底宽度是否满足渗径长度，否则可用垂直防渗墙延长渗径,3.5.4 透水堤基的防渗措施 砂堤斜墙：强透水砂基上没有弱透水覆盖土层，只好取用砂筑堤（鄱阳湖堤图3.118）。可采用斜墙加铺