土石坝的工作条件.ppt

水利水电工程建筑物,拱 坝,一、拱坝的工作原理及其特点,工作原理 拱坝是固接于基岩的空间壳体结构，在平面上呈凸向上游的拱形，其拱冠剖面呈竖直的或向上游凸出的曲线形，坝体结构既有拱作用又有梁作用，其所承受的水平荷载大部分通过拱的作用传给两岸岩体，小部分通过梁的作用传至坝底基岩，坝体的稳定主要依靠两岸拱端岩体来支承，并不是靠坝体自重来维持。,二滩双曲拱坝,欧阳海拱坝,小湾双曲拱坝,一、拱坝的工作原理及其特点,特点： 1、用拱结构特点，充分利用材料强度。 2、利用两岸岩体维持稳定。 3、超载能力强（511倍），安全度高。 4、抗震性能好。 5、荷载特点。 6、坝身泄流布置复杂。,二、拱坝的地形地质条件,1、地形条件 用坝顶高程处的河谷宽度和坝高之比（称为宽高比L/H）及河谷断面形状来描述地形情况。 当L/H4.5时，一般认为拱的作用已经很小，不宜修建拱坝。,河谷的断面形状是影响拱坝体形及其经济性的重要因素。不同河谷即使具有相同的宽高比，断面形状也可能相差很大。,二、拱坝的地形地质条件,二、拱坝的地形地质条件,河谷在平面上应呈喇叭口状，以使两岸拱座下游有足够 厚的岩体来维持坝体的稳定。,二、拱坝的地形地质条件,2、地质条件 拱坝对地质条件的要求比其他混凝土坝更严格。 较理想的地质条件是： 岩石均匀单一，有足够的强度 透水性小，耐久性好 两岸拱座基岩坚固完整，边坡稳定，无大的断裂构造和软 弱夹层，能承受由拱端传来的巨大推力而不致产生过大的变形，尤其要避免两岸边坡存在向河床倾斜的节理裂隙或构造。,三、拱坝的类型和布置,1、拱坝坝体主要参数 拱弧半径 中心角 拱弧圆心位置 拱圈厚度等,按其厚高比特征可分为 薄拱坝 厚拱坝 (或称重力拱坝) 按照坝体形态为： 定圆心等半径拱坝（单曲拱坝） 等中心角变半径拱坝 变圆心变半径双曲拱坝,2、拱坝的类型,1）拱坝坝身的布置原则： 满足稳定和运用要求，坝体轮廓力求简单； 基岩面、坝面变化平顺，避免有任何突变； 使坝体材料得到充分发挥； 总工程量最省。,3、拱坝的布置原则,2）拱坝坝端的布置原则： 拱端应嵌入开挖后的坚实基岩内； 拱端与基岩的接触面接近垂直；,拱坝的荷载及应力分析,拱坝的荷载： 作用在拱坝上的荷载有静水压力、动水压力、 温度荷载、自重、扬压力、泥沙压力、浪压力、 冰压力和地震荷载等。 荷载的计算方法与重力坝基本相同，但温度荷载 变为主要荷载，自重和扬压力降为次要荷载。,拱坝的荷载及应力分析,温度荷载 温度荷载的大小与封拱温度有关，封拱温度的高低对 温度荷载的影响很大。,当坝体温度高于封拱温度时，即温度升高，拱圈伸长 并向上游位移，由此产生的弯矩、剪力的方向与库水 位产生的相反，但轴力方向相同。,拱坝的荷载及应力分析,当坝体温度低于封拱温度时，即温度降低，拱圈收缩并向下游位移，由此产生的弯矩、剪力的方向与库水位产生的相同，但轴力方向相反。,一般情况下 温降对坝体应力不利，对坝肩稳定有利。 温升对坝体应力有利，对坝肩稳定不利。,拱坝的荷载及应力分析,应确定合理的封拱温度 一般选在年平均气温或略低于年 平均气温时进行封拱。,温 度 荷 载,温度荷载分解为三部分： 均匀温度变化tm 沿坝厚温度梯度变化td 非线性温度变化tn,拱坝应力分析,拱坝应力分析的常用方法有,1、圆筒法 2、纯拱法 3、拱梁分载法（包括拱梁法和拱冠梁法） 4、有限单元法 5、模型试验法等,拱坝应力分析,圆筒法是把拱坝当作是铅直圆筒的一部分，采用圆筒公式进行计算。 它是拱坝计算中使用最早，最简单的方法，只适用于承受均匀外水压力的等截面圆弧拱圈，只能粗略地求出径向截面上的均匀应力。它不考虑拱在两岸的嵌固条件，不能计入温度及地基变形的影响，因而不能反应拱坝的真实工作情况。,圆筒法,拱坝应力分析,纯拱法假定拱坝由一系列各自独立互不影响的水平拱圈叠合而成，每层拱圈简化为两端固结的平面拱，用结构力学方法求解拱的应力。 该方法虽然可以计入每层拱圈的基础变位、温度、水压力等的作用，但忽略了拱坝的整体作用，求得的拱应力偏大，也不符合拱坝的真实工作情况 。,纯拱法,拱坝应力分析,拱梁分载法把拱坝看成由一系列水平拱圈和铅直梁所组成，荷载由拱和梁共同承担，各承担多少荷载由拱梁交点处变位一致条件决定。 荷载分配后，梁按静定结构计算应力，拱按纯拱法计算应力。,拱梁分载法,拱梁分载法包括拱梁法和拱冠梁法 拱梁法将拱坝看成由一系列水平拱和一系列铅直梁组成，拱梁荷载分配时需考虑拱梁每个交点处的变位协调。 拱冠梁法只取拱冠处一根悬臂梁，根据各层拱圈与拱冠梁交点处径向变位一致的条件求得拱梁荷载分配，且拱圈所分配到的径向荷载从拱冠到拱端为均匀分布，认为拱冠梁两侧梁系的受力情况与拱冠梁一样。,拱坝应力分析,有限单元法是将拱坝连同地基的整体结构离散为有限个单元构件，以结点互相连接，通过建立结点位移和结点力之间的平衡方程，求得结点位移，进而求出单元应力。,有限单元法,拱坝应力分析,拱坝应力分析,结构模型试验法就是用石膏加硅藻土组成脆性材料，制作成拱坝整体模型，用应变仪量测加荷后模型各点应变值的变化从而求得坝体的应力。,结构模型试验法,拱坝的坝肩稳定分析,稳定分析方法 评价坝肩稳定的方法有二类 一类是数值计算法，它包括刚体极限平衡法（如刚性 块法、分块法、赤平投影法等）和有限元法； 另一类是模型试验法，它包括线弹性结构应力模型试 验和地质力学模型试验。,拱坝的坝肩稳定分析,改善拱座稳定的措施 通过拱座稳定分析，如发现不能满足要求，可采取以下改善措施： 1、加强地基处理，对不利的节理等进行有效的冲洗并进 行固结灌浆，必要时可采用预应力锚固措施，以提高 其抗剪强度。 2、加强坝肩岩体的灌浆和排水措施，减少岩体的渗透 压力。,3、将拱端向岸壁深挖嵌进，以扩大下游的抗滑岩体，也 可避开不利的滑裂面。这种做法对增加拱座的稳定性 较有效。 4、改进拱圈设计，如采用三心圆拱、抛物线拱等形式， 使拱端推力尽可能趋向正交于岸坡。 5、如拱端基岩承载能力较差，可局部扩大拱端或设置推 力墩等。,拱坝的坝肩稳定分析,水利水电工程建筑物,北京电大水务局工作站 2005年4月,土石坝,土石坝是指由当地土料、石料或土 石混合料填筑而成的坝，又称当地 材料坝，是历史最为悠久，应用最 为广泛的一种坝型。,土石坝,碧口心墙坝,岳 城 均 质 土 坝,一、土石坝的特点与类型,（一）土石坝的特点,优点：筑坝材料来源直接、方便，能就地取材，能节省大 量的钢材、水泥和木材等建筑材料。 适应地基变形的能力强。 构造简单，施工技术容易掌握，适应于大型机械 化施工。 运用管理方便，工作可靠，寿命长，维修加固和 扩建均较容易。,土石坝的特点,缺点：坝顶不能溢流。受散土石料强度的限制，土石坝 坝身通常不允许过流，需单独设置泄水建筑物。 施工导流不如混凝土坝方便。 坝体填筑工程量大，而且土料施工受气候条件的 影响较大。,土石坝的特点与类型,（二）土石坝的工作条件和设计要求,1、土石坝的工作条件,（1）渗流影响 （2）冲刷影响 （3）沉陷影响 （4）其他影响,（二）土石坝的工作条件和设计要求,2、土石坝设计的一般要求,（1）坝体和坝基在施工期及各种运行条件下都是稳定的； （2）土石坝通常不允许坝顶过流； （3）设置良好的防渗及排水设施以控制渗流； （4）对坝顶和边坡采取适当的防护措施； （5）合理设计安全监控系统，布置观测设备。,（三）土石坝的类型,1、按坝体高度可分为：高坝（高度为70m以上） 中坝（高度为3070m） 低坝（低坝的高度为30m以下）,2、按施工方法可分为：碾压式土石坝 抛填式土石坝 水力充填坝 定向爆破堆石坝,定向爆破筑坝剖面,水力冲填坝剖面,水力冲填坝平面图,水中填土坝剖面,（三）土石坝的类型,均 质 坝,特点： 坝体主要由一种材料组成，同时起防渗和稳定作用。,优点：结构简单，施工方便 适用条件：坝址附近有合适的土料且坝高不大时,分区坝,防渗体: 专门起防渗作用,采用透水性较小的黏土 坝壳: 采用透水性较大,抗剪强度较高的砂石料,心墙坝,斜墙坝,心墙坝:由于心墙设在坝体中部,施工时要求心墙 与坝体大体同时填筑,因而相互干扰大,影 响施工进度. 斜墙坝:斜墙支撑在坝体上游面,施工干扰小,但斜 墙的抗震性能和适应不均匀沉陷的能力不 如心墙.,心墙坝与斜墙坝的比较,二、土石坝的组成和基本剖面,（一）土石坝的组成 土石坝的坝体剖面由坝 身、防渗体、排水体、护坡 4部分组成。,1、坝 身,坝身是土石坝的主体，坝坡的稳定主要靠坝身来维持，并对防渗体起到保护作用。 坝身土料应采用抗剪强度较高的土料，以减少坝体的工程量。,2、防 渗 体,防渗体的作用是防渗，必须满足降低坝体浸润线、降低渗透坡降和控制渗流量的要求。,常见的防渗体形式有心墙、斜墙、斜墙+铺盖、心墙+截水槽、斜墙+截水墙。,心墙顶部高程应高于正常蓄水位0.3-0.6m，且不低于非 常运用情况下的静水位。 顶部应设砂性土保护层，厚度按冰冻深度确定，且不小 于1.0m。 心墙自上而下逐渐加厚，两侧边坡一般在 1：0.15-1：0.30 顶部厚度按构造和施工要求常不小于2.0m 底部厚度根据土料的渗透坡降来定，应不小于3m。,心 墙,斜墙顶部高程应高于正常蓄水位0.6-0.8m，且不低于 非常运用情况下的静水位。 上游面应设砂性土保护层，厚度不小于冰冻深度，且不 小于1.0m。 上游坡应满足稳定要求，其内坡一般不陡于1：2 底部的水平厚度应满足抗渗稳定要求，一般不宜小于水 头的1/5。,斜 墙,3、排水设备,土石坝设置坝身排水的目的主要是有三个： 降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体 稳定； 防止渗流逸出处的渗透变形，保护坝坡和坝基； 防止下游波浪对坝坡的冲刷及冻胀破坏，起到保护下游 坝坡的作用。 常见的排水型式有：棱体排水、贴坡排水、 褥垫排水和综合式排水等。,（1）棱体排水,棱体排水是在坝趾处用块石填筑堆石棱体，多用于下游有水和石料丰富的情况。,这种形式排水效果好，除了能降低坝体浸润线防止渗透变形外，还可支撑坝体，增加坝体的稳定性和保护下游坝脚免遭淘刷。,（2）贴坡排水,它不能降低浸润线，但能提高坝坡的抗渗稳定性 和抗冲刷能力；排水结构简单，便于维修。 顶部应高于浸润线的逸出点和下游最高壅水位， 并满足抗冻要求； 底脚处需设置排水沟或排水体。,（3）褥垫排水,排水体深入坝体内部，能有效降低坝体浸润线，但对增加下游 坝坡的稳定性不明显，常用于下游水位较低或无水的情况。,（4）组合排水,褥垫+棱体,贴坡+棱体,褥垫+棱体+贴坡,4、护坡,目的：保护土石坝坝坡免受波浪淘刷、冰层和漂浮物的 损害、降雨冲刷，防止坝体土料发生冻结、膨胀 和收缩以及人畜破坏等。,类型：上游护坡常采用堆石、干砌石或浆砌石、混凝土 或钢筋混凝土、沥青混凝土等型式。 下游护坡要求略低，可采用草皮、干砌石、 堆石等型式。,砌石护坡,土石坝护坡的范围： 对上游面应由坝顶至最低水位以下 一定距离，一般取为2.5m左右； 对下游面应自坝顶护至坝脚。,（二）土石坝的基本剖面,土石坝基本剖面尺寸主要包括： 坝顶高程、 坝顶宽度、 上下游边坡、 防渗和排水设备的基本尺寸等。,1、坝顶高程,坝顶高程由水库静水位加上风壅高度、 波浪爬高及安全超高决定。,坝顶超出静水位以上的超高按下式计算： Y = R+e+A 式中：Y坝顶在水库静水位以上的超高（m）， R最大波浪在坝坡上的爬高（m）； e最大风壅水面高度（m）； A 安全加高(m)；,设计洪水位加正常运用情况的坝顶超高； 校核洪水位加非常运用情况的坝顶超高； 正常高水位加非常运用情况的坝顶超高值再加地震区 安全超高。 最后取其中最大值作为坝顶高程。,坝顶高程应有足够的预流沉降值 当坝顶设防浪墙时，以上高程作为防浪墙顶高程,坝顶高程的计算，应同时考虑以下三种情况：,坝顶宽度主要取决于交通、运行、施工、构造、抗震、防 汛及其他特殊要求。一般情况下，坝越高坝顶宽度取值也越大。 当无特殊要求时，对高坝坝顶最小宽度可选用10-15m，对中低坝可选用5-10m。 当坝顶有交通要求时，其宽度应按照道路等级要求遵照交通部门的有关规定来确定。,2、坝顶宽度,设计时一般可先参照已建成坝的实践经验 或用近似方法初拟坝坡，然后经渗流分析 和稳定计算来确定经济的坝体剖面。,3、上下游坝坡,土坝坝坡参考值,三、土石坝渗流分析方法,土石坝渗流分析的目的是： 确定坝体浸润线和下游逸出点位置，绘制坝体及地基内的等势线分布图或流网图，为坝体稳定核算、应力应变分析和排水设备的选择提供依据； 计算坝体和坝基渗流量，以便估算水库的渗漏损失和确定坝体排水设备的尺寸；,确定坝坡出逸段和下游地基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透比降，以判断该处的渗透稳定性； 确定库水位降落时上游坝壳内自由水面的位置，估算由此产生的孔隙压力，供上游坝坡稳定分析之用。,上游正常蓄水位与下游相应的最低水位； 上游设计洪水位与下游相应的水位； 上游校核洪水位与下游相应的水位； 库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。,渗流计算的水位组合,流体力学法 水力学法 流网法 试验法 数值解法,渗流分析主要方法,对级、级坝和高坝应采用数值法计算确定渗流场的各种渗流因素。 对其他情况可采用公式进行计算。 对地质复杂的情况，可采用反算方法校核和修正各项水文地质参数。,渗流分析方法的应用,渗流分析的水力学法,基本假定： 坝体土是均质的，坝内各点在各方向的渗透系数相同； 渗透水流为二元稳定层流状态，符合达西定律； 渗透水流是渐变的，任一铅直过水断面内各点 的渗透坡降和流速相等。,渗流计算的基本公式,不透水地基均质坝渗流计算,棱体排水,下游有褥垫排水渗流计算,褥垫排水,土石坝渗透稳定分析,在渗透水流的物理或化学作用下，导致土石坝坝身及地基中的土体颗粒流失，土壤发生局部破坏，称为渗透变形。渗透变形的型式及其发生、发展过程，与土料性质、土粒级配、水流条件以及防渗、排水措施等因素有关。,有管涌、流土、接触冲刷和接触流失等类型； 工程中以管涌和流土最为常见。,渗透变形的形式,判别土的渗透变形形式，即管涌、流土、接触冲刷或接触流失等； 判明坝和坝基土体的渗透稳定； 判明坝下游渗流出逸段的渗透稳定。,渗透稳定计算内容,渗透变形的经验判别法,根据颗粒级配判别渗透变形 依据之一，准确性较差； 不均匀系数（ =d60/d10 ） 10 易产生流土； 20 易产生管涌； 10 20 管涌与流土不定。,水利水电工程地质勘察规范 附录：土的渗透变形判别（P） 主要内容: 土的渗透变型类型的判别； 流土和管涌的临界水力比降的确定； 土的允许水力比降的确定。,渗透变形的判别,渗透变形的临界坡降,产生管涌的临界坡降,产生流土的临界坡降 Js=(G-1)(1-n),防止渗透变形的工程措施,1）采取水平或垂直防渗措施，以便尽可能地延长渗径，达到降低渗透坡降的目的； 2）采取排水减压措施，以降低坝体浸润线和下游渗流出口处的渗透压力。 3）对可能发生管涌的部位，需设置反滤层，拦截可能被渗流带走的细颗粒；对下游可能产生流土的部位，可以设置盖重以增加土体抵抗渗透变形的能力。,反滤层设计,作用：排水滤土，防止渗透变形的发生,反滤层应满足下列要求： （1）使被保护土不发生渗透变形； （2）渗透性大于被保护土体 （3）不致被细粒土淤堵失效 （4）在防渗体出现裂缝的情况下，土颗粒不会被带出反滤层，能使裂缝自行愈合。,反滤层,1、各个时期不同荷载下稳定性： 施工、建成、蓄水和库水位降落； 2、控制稳定四种工况： 施工期（包括竣工时）、稳定渗流期、 水库水位降落期和正常运用遇地震。,土石坝稳定计算,、施工期的上、下游坝坡； 、稳定渗流期的上、下游坝坡； 、水库水位降落期的上游坝坡； 、正常运用遇地震的上、下游坝坡。,土石坝稳定计算部位,土石坝稳定计算主要荷载,坝体自重 渗透力 孔隙水压力 地震荷载。,自重：湿重度、饱和重度和浮重度； 渗透力：渗透水作用在土体的体积力； 地震荷载：可按照拟静力法计算。,坝体自重、渗透力及地震荷载,孔隙水压力：土体孔隙中颗粒、水和空气共同承受外荷载作用。