水土保持工程课程(第七章淤地坝第5节附渗透计算)

第五节淤地坝的土坝设计 本节主要讲述如下四部分 一 土坝枢纽布置二 土坝坝型选择三 土坝断面尺寸的拟定四 土坝的渗透计算五 土坝的稳定计算 第五节淤地坝的土坝设计 枢纽布置 一 土坝枢纽布置 根据综合利用要求 将各项建筑物如坝体 泄洪 放水与引水建筑物等有机地妥当安排 各得其所 总体要求 安全可靠 经济合理 尽可能避免施工干扰 运行管理方便 在高山深谷地带 建筑物不易分散布置 溢洪道常与土坝连接 左图 在丘陵地带 河谷宽山坡平缓 而且常有垭口可布置溢洪道 建筑物可分散布置 施工方便 右图 第五节淤地坝的土坝设计 坝型选择 二 坝型选择 土坝是由土料填筑而成的挡水建筑物 是淤地坝和小型水库采用最多的一种坝型 我国的土坝中 均质土坝约占65 心墙坝约占26 5 坝型的选择要根据地形 地质 当地筑坝的土砂石料 气候和施工等条件 按土料组合和防渗设备的位置不同 分为均质土坝 心墙土坝 斜墙土坝和多种土质坝等 按施工方法的不同 又可分为碾压式土坝 水中填土坝以及水力充填坝等 第五节淤地坝的土坝设计 坝型选择 1 均质土坝用一种土料筑成的坝 优点是就地取材 施工简单 投资也少 对坝基条件要求较低 缺点是由于透水性大 抗渗透破坏的能力弱 需要平缓坝坡 因而工程量较大 2 心墙土坝在坝体中用透水性小的黏性土作防渗心墙 置于坝体中部 构成不透水心墙 而心墙两侧的坝体则用透水性较强的土料 砾石 填筑而成 第五节淤地坝的土坝设计 坝型选择 3 斜心墙土坝对于土石坝 用斜心墙较好 如用直心墙 则作用在心墙的水压力和土压力只能由心墙和下游坝壳的抗滑力抵抗 当下游坝坡陡 坝基土层摩擦系数小 抗滑稳定安全系数不够时 就要 改缓下游坝坡 因而增加工程量 如用土质斜墙 则需要平缓的上游坝坡 所以土石坝 采用斜墙坝有利 4 多种土质坝有的坝址储藏着多种土质 如黏土 轻沙壤土 风化岩等 本着就地取材 因材设计原则 各种土料合理配置在适当部位 形成多种土质坝 第五节淤地坝的土坝设计 坝型选择 5 土石坝土坝某些部位配置堆石 石渣 风化岩块 或堆石坝采取黏壤土作斜心墙的都称为土石坝 土石坝可充分利用坝址附近的土石料 基坑和溢洪道开挖的弃渣等 对山谷地址更重要 6 水力冲填坝利用丘陵沟壑区天然地形 用水将沟基两岸高处的冲成泥浆 通过较陡的输泥沟送到两边筑有围埂的坝面沉淀池中 泥浆经脱水固结 形成均匀密实的坝体 与碾压坝比较 该坝省去士料运输和碾压工序 可节省劳力 降低工程造价 但泥浆脱水固结需要一定时间 为避免滑坡 坝体升高速度受到限制 且由于土料干容重较低 抗剪强度较小 需较平缓坝坡 工程量比碾压式坝大一些 第五节淤地坝的土坝设计 坝型选择 坝型选择 根据地形 地质 筑坝土砂石料 气候和施工等条件 首先选择几种较为合理的坝型 然后对这几种坝型作粗略的断面设计 计算工程量和造价 最后选定技术上可靠经济上合理的坝型 首先要考虑到淤地坝是拦泥造田的 而不是蓄水灌溉的小型水库 小型水库常采用心墙坝坝型 能够防止库水外渗 但对淤地坝不适合 因为这种坝型没有给地下水和坝内积水留有出路 容易发生坝地土壤次生盐碱化 所以 淤地坝应选择能透水的均质土坝等坝型 并设反滤排水设施 防止坝地盐碱化 第五节淤地坝的土坝设计 断面尺寸拟定 三 土坝断面尺寸的拟定 拟定土坝断面尺寸 在土坝设计中是很重要的 它直接影响到土坝工程是否安全可靠 是否经济合理 可根据各地的筑坝经验确定其断面尺寸 一 坝顶宽度坝顶的宽度与坝高有关 坝体愈高则坝顶也应愈宽 可参考下书188表7 9选定 第五节淤地坝的土坝设计 断面尺寸拟定 二 土坝坝坡土坝坝坡的陡缓是决定坝体稳定的主要条件之一 可根据坝高 土料 施工方法和坝前是否经常蓄水等条件 对坝高超过l5m的土坝 背水坡应加设马道 以增加坝身稳定和减少暴雨对坝坡的冲刷 马道宽为1 5 2 0m 一般在马道处变坡 上陡下缓 书189表7 10山西土坝坡的经验数据 供参考 三 最大铺底宽度的计算坝体沟床的最大铺底宽度 可按下式计算 第五节淤地坝的土坝设计 断面尺寸拟定 式中 Bm土坝最大铺底宽b坝顶宽n上下游坝坡马道总数m1上游坡比m2下游坡比H最大坝高b 马道宽 第五节淤地坝的土坝设计 渗透计算 四 土坝的渗透计算 均质土坝由于上下游水位差的作用 上游水通过坝体和坝基向下游渗透过程中受阻力作用 渗透水流不断损失能量 使水头不断降低 在坝的横断面上形成一条逐渐下降的抛物曲线 叫作浸润线 渗透在坝身中形成的自由水面 叫作浸润面 第五节淤地坝的土坝设计 渗透计算 土坝渗透计算目的 1 确定坝体浸润线的位置 为坝坡稳定计算提供依据 2 计算坝体和坝基的渗透量 以便估算水库的渗漏损失 3 求出坝体和坝基的渗透坡降 验算该处是否会发生渗透破坏 一 不透水地基且坝下游无排水设备条件下渗透计算 二 不透水地基且有堆石排水体的渗透计算 三 有限厚透水地基情况下的渗透计算 书P190 196 第五节淤地坝的土坝设计 渗透计算 将土坝断面分为三段 即上游三角形ABE 中间段AEOC及下游三角形COD 据流体力学原理和试验结果 土坝上游三角形ABE可用高为H1 宽为DL的矩形来代替 这一矩形和上游三角形渗过同样的流量q 中间段浸润线的位置与原坝体相同 O 第五节淤地坝的土坝设计 渗透计算 如图所示 C为下游坝坡上的渗透逸出点 从C点作铅直线 将坝体分成两段 上游段A B OC及下游段COD 按渐变流假定及达西定律 分别列出此两段的方程式 上段A B OC中 在任一X断面处单位坝长的渗透量为 O 第五节淤地坝的土坝设计 渗透计算 O 第五节淤地坝的土坝设计 渗透计算 DL值可用下式计算 下段三角形COD中 渗流以下游水面为准 分为水上部分与水下部分两个区 以水平线代替弯曲流线 则通过本段流量为 方程 2 方程 1 第五节淤地坝的土坝设计 渗透计算 求解q及a0据水流连续条件 通过A B OC段和COD段流量应该相等 联立解 1 和 2 式 可得q及a0值 也可用试算结合图解求出 根据方程 1 和 2 式可知 只有q和a0两个未知数 因此 可选用不同的a0值 代入 1 式 绘出q a0曲线 再将a0值代入 2 式 绘出另一q a0曲线 两曲线的交点即为两个方程式的共同解 浸润线方程 在任一水平距x断面处 水深y 浸润线高度 可由下式计算 第五节淤地坝的土坝设计 渗透计算 1 当下游无水时 浸润线可以近似认为是以排水起点为焦点的抛物线 则排水起点处浸润线高度h0与排水起点至浸润线与x轴交点之间的距离Lg的关系为h0 2Lg 2 下游有堆石棱体排水设施的均质坝 第五节淤地坝的土坝设计 稳定计算 4 从e点作平行线交Q一t线于c点 由c点作垂线与横坐标交于i点 i点所对应的时间t即为溢洪道最大泄洪流量qm和最高滞洪水位出现的时间 如果溢洪道尺寸未知 为作方案比较 可假设不同的溢洪道水深 采用试算法 分别求出不同的B qm V滞以及相应的H总 进行技术经济方案比较 初步选定溢洪道宽度B 为详细的调洪演算提供依据 第三节淤地坝工程规划 集水面积测算 3 梯形计算法 将集水面积划分为若干梯形 如图所示 然后求各梯形面积之和 第三节淤地坝工程规划 坝高与库容曲线 二 淤地坝坝高与库容 面积关系曲线绘制法淤地面积和库容是淤地坝工程设计与方案选择的重要依据 而这两项又随着坝高而变化 确定其值时 一般采用绘制坝高与淤地面积和库容关系曲线 绘制的方法有等高线法和横断面法 1 等高线法等高距是利用库区地形图 按地形条件选择 一般为2 5m 量出各层等高线间的面积 计算各层间库容及累计库容 绘出坝高 库容及坝高 淤地面积关系曲线 相邻两等高线间体积为 第三节淤地坝工程规划 坝高与库容曲线 式中 Vn相邻两等高线间的体积 Fn Fn 1相邻两等高线对应的面积 Hn两相邻等高线的高差 第三节淤地坝工程规划 坝高与库容曲线 2 横断面法在没有库区地形图时 可用横断面法粗略计算坝高 淤地面积 坝高 库容 1 测出坝轴线处的横断面 2 在坝区内沿沟道主槽中心线测出沟道的纵断面 3 在有代表性的沟槽处测出其横断面 如图中2 3 4 5 6 绘制淤地坝纵横断面成果图 如下图所示 第三节淤地坝工程规划 坝高与库容曲线 4 计算库容在各横断面图上以不同高程为顶线 求出其相应的横断面面积 由相邻的两横断面面积平均值乘以其间距离 便得出此二横断面不同高程时的容积 最后把部分容积按不同高程相加 即为各种不同坝高时的库容 第三节淤地坝工程规划 淤地坝水文计算 5 计算淤地面积量得每个横断面在同一坝高上的横断面顶部宽度 根据相