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1、水工建筑物之,土石坝,第一节 概述,土石坝是利用坝址附近的土石料填筑（碾压或夯实）而成的挡水建筑物，亦称当地材料坝。 按照坝身中土料和石料所占比例的不同有土坝、堆石坝和土石混合坝。,认识土石坝,一、土石坝的特点,1）就地取材，造价低。,2）对地形、地质条件的要求低。,3）构造简单，施工技术容易掌握，便于组织机械化施工。,4）运用管理方便，维修、加高和扩建容易。,5）施工导流不如混凝土坝方便,7）坝体填筑工程量大，粘性土料的填筑受气候条件影响。,优点,缺点,6）坝身一般不能溢流，需另设溢洪道；,（1）渗流影响,二、土石坝的工作条件和设计一般要求,（2）冲刷影响,（3）沉陷影响,（4）其他影响，冰
2、冻、地震等,土石坝一般由坝身、防渗体、排水设备和护坡组成。 坝身：是土石坝的主体，坝的稳定主要靠它维持； 防渗体：降低浸润线，减少渗透水量； 排水设备：排除渗透水，增强下游坝坡稳定性； 护坡：防止波浪、冰层、温度变化、雨水和水流等对坝坡的破坏。,土石坝组成,设计的一般要求,（1）具有足够的断面维持坝坡的稳定，土石坝的边坡和坝基稳定是土石坝安全的基本保证。,（2）设置防渗和排水措施以控制坝体和坝基渗流。,（3）拟定合理的施工填筑要求。,（4）泄洪建筑物要有足够的泄洪能力。,（5）坝顶和边坡要作防护,（6）大坝安全监测,三、土石坝的类型,（1）按坝高分类,（2）按施工方法分类,（3）按坝体材料的组
3、合和防渗体的相对位置分类,碾压式土石坝；水力冲填坝；水中填土坝；定向爆破堆石坝。,均质坝,粘土心墙、粘土斜墙坝、多种土质坝,人工材料心墙和斜墙坝；,堆石坝,四、土石坝的设计步骤,第二节 土石坝基本剖面及其构造,土石坝的基本剖面尺寸有：坝顶高程，坝顶宽度，上下游坝坡及防渗和排水设备的轮廓尺寸。,一、坝顶高程,二、坝顶宽度及构造,三、坝坡坡度及构造,四、防渗体,五、排水设备,坝顶高程根据正常运行和非常运行时的静水位加相应的超高h予以确定。,h=ha+e+A,一、坝顶高程,坝顶设防浪墙时， h指墙顶在静水位以上的超高，且正常运行情况下，坝顶至少应高出静水位0.5m以上，非常运行情况下坝顶不得低于静水
4、位。 设计的坝顶高程是坝沉降稳定后的坝顶高程，故施工时应预留足够的沉降量。一般施工质量良好的土石坝，坝体沉降量约为坝高的0.20.4。,说明,中小型水库，洪水资料不准确，按上式计算的超高值偏小，可直接取1.52.0m。,地震区，坝顶高程应在正常运行情况下的超高上附加地震涌浪高度，一般取0.51.5m 。,返回,一、坝顶高程,坝顶宽度取决于交通、防汛抢险、施工、心墙或斜墙顶部及反滤层布置。 高坝，顶宽可选用1015m，对于中低坝，可选用510m。,寒冷地区，坝顶须有足够的厚度，保护防渗体免受冻害。,坝顶路面没有交通要求时，用密实的砂砾石或碎石铺设护面。路面向一侧或两侧倾斜，坡度23。,防浪墙墙高
5、1.3m，砼或浆砌石结构，埋入坝内，和坝的防渗体连接。,二、坝顶宽度及构造,返回,二、坝顶宽度及构造,单种土料的上游坡常缓于下游坝坡。 粘土斜墙坝的上游坡比心墙坝缓，而下游坡比心墙坝陡。 碾压式堆石坝的坝坡比土坝陡。斜墙堆石坝，其下游坝坡可用堆石的自然坡，一般为1:1.31:1.4,上游坝坡则由斜墙的稳定而定，一般1:21:3。心墙坝则上下游坝坡均用1:1.51:2。 砂壤土、壤土的均质坝坡比砂或砂砾组成的坝坡要缓些。 碾压式土石坝从上而下逐级变缓坝坡，相邻坡率差值为0.250.5。砂或砂砾料坝体可不变坡，但一般也常采用变坡形式。,坝坡坡度选择遵循几条规律,土石坝坝坡一般在坝顶附近的坝坡宜陡些
6、，向下逐级变坡，每级高度约1520m，相邻坡率差不宜大于0.250.50。常用的坝坡一般取1:2.01:4.0。,三、坝坡坡度及构造,土石坝上游坡面要经受破浪的淘刷，冰层及漂浮物，顺坡水流，库水位下降时渗流和冰冻等破坏作用；下游坡面受雨水，风，动植物及冻胀和干裂等的破坏作用。,上游护坡型式：抛石、干砌石、浆砌石、现浇或预制混凝土或钢筋混凝土、沥青混凝土或水泥土。范围：坝顶起护至最低水位以下2.5m或至坝底。 下游护坡形式：堆石、卵石或碎石、草皮。范围：坝顶至排水体或坝底（无排水体）。,三、坝坡坡度及构造,三、坝坡坡度及构造,返回,减少通过坝体及坝基的渗流及渗漏损失；,降低浸润线，减小下游饱和区
7、，提高坝坡稳定性；,降低渗透坡降，防止渗透变形,粘土防渗：防渗土料的透水性远低于坝体材料,非粘土防渗：砼，沥青砼，人工材料等,作用,材料,型式,坝体防渗,坝基防渗,均质坝以整个剖面防渗，分区坝用粘土心墙或者粘土斜墙防渗。,垂直防渗和水平防渗。,四、防渗体,墙体厚度由土料的J决定。,粘土：,壤土：,J86,J54,底部厚度,顶部厚度满足机械施工要求，不小于3m，最小2m。从坝顶至坝底逐渐加厚，两侧边坡在1:0.151:0.5之间选择。,墙顶高程在正常运用情况下，超高为0.3m0.6m；非常运用情况下，不低于最高水位。,粘土斜墙位于坝体上游面，墙厚指垂直斜墙上游面的厚度，由渗透坡降确定。构造同心墙
8、。,返回,坝体防渗,坝基防渗（垂直防渗措施）,1.粘土截水槽,当坝基砂砾层厚度在10-15m以内时，甚至达20m时，可选用粘土截水槽。,2.砼防渗墙,用钻机或其它设备在土层中造成圆孔或槽孔，在孔中浇混凝土，最后连成一片，成为整体的混凝土防渗墙，适用于地基透水层较厚的情况。,坝基防渗（垂直防渗措施）,3.帷幕灌浆,当砂卵石层很厚时，用上述3种处理方法都较困难或不够经济，可采用灌浆帷幕防渗。,砂卵石地基的可灌性，可根据地基的渗透系数，可灌比值M及小于0.1mm颗粒含量等因素来评判。,?地基的可灌性?,坝基防渗（垂直防渗措施）,D15地基土层中小于此粒径的土重占总土重的15%， d85是灌浆材料中小
9、于此粒径的重量占总土重的85%。,一般认为：M10可灌水泥粘土浆；M15时，可灌水泥浆。,灌浆帷幕的厚度T，根据帷幕最大作用水头H和允许水力坡降J, 按下式估算：,灌浆帷幕的优点是灌浆深度大，但对地基的适应性较差，有的地基如粉砂、细砂地基，不易灌进，而透水性太大的地基又往往耗浆量太大。,J=34。,坝基防渗（垂直防渗措施）,4.粘土铺盖,铺盖长度应根据地基特性和防渗需要由计算确定，最长不超过6-8倍水头，若再增大防渗效果不显著增加。粘土铺盖自上游向下游逐渐加厚，其值由允许坡降决定。上游端厚度至少为0.5-1.0m。为了防止不均匀沉降，下游端与斜墙或心墙连接处应加厚。铺盖上设保护层。,坝基防渗（
10、水平防渗措施）,返回,五、排水设备,作用：是降低浸润线，防止坝体土壤发生渗透破坏。,排水设备通常由排水体和反滤层两部分组成作用,1.排水体,2.反滤层,返回第二节,坝体排水之贴坡排水,用12层堆石或砌石铺砌在坝体下游边坡上，排水顶部在浸润线逸出点以上一定距离。,贴坡排水是最简单的排水设施，省工省料，便于检修。它只能保护下游坝坡不受尾水波浪淘刷，防止渗流逸出段的渗透变形而不能降低浸润线，且防冻性较差，适用于浸润线较低的土石坝。,坝体排水之棱体排水,在下游坝脚处用块石堆成棱体，也叫滤水坝趾。顶面必须高出下游水位一定距离。顶宽不小于1.0m，一般内坡为1:1.0-1:1.5，外坡为1:1.5-1:2
11、.0。,最常用的一种排水型式，它不仅可以有效地阵低浸润线，保持下游坝脚不受下游水淘刷，而且有支持坝体，增加稳定性的作用。这种型式的缺点是石料用量大，费用高，与坝体施工有干扰。,坝体排水之褥垫排水,伸展到坝体以内的一种排水设备，将块石平铺在坝体下游部分的地基上，厚度约为0.4-0.5m，伸入坝体的长度不超过1/4-1/3的坝底宽度，并布置成倾向下游0.005-0.01的纵坡。,这种排水设备降低浸润线效果显著，有助于坝基排水，可加速软粘土地基的固结。主要缺点是检修困难，干扰坝体施工，当下游水位高出排水设备时，降低浸润线的效果显著降低。因此，这种排水设备只适用于下游水位很低而又要求大幅度降低浸润线的
12、情况。,在实际工程中常根据具体情况采用几种排水型式组合在一起的综合式排水。,坝体排水之综合式排水,返回,坝身排水设备虽然对坝基也起了一定的排水作用，但对于单一透水坝基或透水坝基表面有粘性土层的情况，当坝基防渗设施没有把它完全截断时，必须设置专门的坝基排水，以减少坝趾附近的渗透压力，防止渗透破坏和下游沼泽化。,坝基排水,返回,土石坝设置了排水后，坝内渗流渗径缩短，渗透坡降加大，在排水体和地基，排水体和坝体接触处及下游逸出处易发生渗透变形。为了保护坝体土和坝基土，设置反滤层。,作用：滤土排水，防止在渗流出口处发生渗透破坏。,构造：反滤层由24层不同粒径的砂石料组成，粒径沿渗流方向由细到粗，层次大体与渗流方向正交。,反滤层,反滤原则,反滤层,1 被保护土料的颗粒不得穿过反滤层。 2相邻两层中，颗粒较小的一层的颗粒不得穿过颗粒较粗一层的孔隙。 3同一层内的颗粒不得发生移动。 4允许特细颗粒被渗流带走，但不许堵塞反滤层。,；,反滤层的材料,人工砂砾料；,天然砂砾料;,土工织物,作用是避免在刚度相差较大的两种土料之间产生急剧变化。 反滤层可以起过渡层的作用，而过渡层却不一定能满足反滤要求。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,返回,过渡层,