水工建筑物-土石坝(第三章)

1、小浪底土坝 水布垭水布垭位于湖北巴东清位于湖北巴东清 江上，坝高江上，坝高233m233m，坝顶，坝顶 长长576m576m。主体建筑物有：。主体建筑物有： 混凝土面板堆石坝混凝土面板堆石坝、河、河 岸式溢洪道、右岸地下岸式溢洪道、右岸地下 式电站厂房和放空洞等。式电站厂房和放空洞等。 水布垭混凝土面板堆石坝水布垭混凝土面板堆石坝 小浪底小浪底水电站位于水电站位于 河南洛阳；大坝为河南洛阳；大坝为 斜心墙土石坝斜心墙土石坝，坝，坝 高高154m。 土石坝 密云水库密云水库 密云水库位于北京市密云县，水库库容密云水库位于北京市密云县，水库库容 41419 9亿亿m m3 3 ，大坝为，大坝为壤土

2、斜墙土坝壤土斜墙土坝，总长，总长 455945595 5 m m，最大坝高，最大坝高66m66m。密云水库修建。密云水库修建 于上世纪于上世纪5050年代末，当时清华大学组织了年代末，当时清华大学组织了 本科生、研究生、年青教师共计近百人，本科生、研究生、年青教师共计近百人， 分成近二十个组参与水位、地质、水工、分成近二十个组参与水位、地质、水工、 机电、环境、泥沙、专业的设计、施工，机电、环境、泥沙、专业的设计、施工， 前后历时前后历时2 2年。年。 土石坝 土石坝 土石坝 枢纽由拦河坝、溢洪道、泄洪隧洞、输水隧洞和枢纽由拦河坝、溢洪道、泄洪隧洞、输水隧洞和 水电站组成水电站组成。 心墙 坝

3、壳 坝壳 土坝典型剖面图 土石坝 面板 垫层 过渡层 主堆石区 次堆石区 块石护坡 大块石区 防渗帷幕 坝顶 防浪墙 趾板 面板堆石坝典型剖面图 土石坝 天生桥一级水电站枢纽由天生桥一级水电站枢纽由混凝上面板堆石坝混凝上面板堆石坝、开敞式岸边、开敞式岸边 溢洪道、放空隧洞、引水系统和地面厂房等主要建筑物组成溢洪道、放空隧洞、引水系统和地面厂房等主要建筑物组成 。 第三章第三章 土石坝土石坝 3.13.1概述概述 3.23.2土石坝的基本剖面土石坝的基本剖面 3.33.3土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 3.43.4土石坝的稳定分析土石坝的稳定分析 本章的主要内容：本章的主要内容： 3.53.5

4、土石坝的固结、沉降与应力分析土石坝的固结、沉降与应力分析 3.63.6筑坝用土石料及填筑标准筑坝用土石料及填筑标准 第三章第三章 土石坝土石坝 本章的主要内容：本章的主要内容： 3.73.7土石坝的构造土石坝的构造 3.83.8土石坝的坝基处理土石坝的坝基处理 3.93.9土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接 3.103.10土石坝的抗震设计土石坝的抗震设计 3.113.11堆石坝堆石坝 3.123.12土石坝的坝型选择土石坝的坝型选择 5.1 5.1 概述概述 一、定义及建设情况一、定义及建设情况 1. 1. 定义：定义： 土石坝指由土石坝指由土、石料土、

5、石料等当地材料填筑而成的坝。等当地材料填筑而成的坝。 2. 2. 建设情况建设情况 中国兴建的坝共中国兴建的坝共8.488.48万余座，万余座， 土石坝占土石坝占95%95%。 全世界全世界100m100m以上的高坝，土石坝所占的比例：以上的高坝，土石坝所占的比例： 2020世纪世纪5050年代前：年代前：30%30%； 6060年代：年代： 38%38%； 7070年代：接近年代：接近60%60%； 8080年代后：年代后：75%75%以上。以上。 （1）历史最悠久，数量最多）历史最悠久，数量最多 【塔吉克斯坦塔吉克斯坦】罗贡坝，罗贡坝，H=335mH=335m； 【前苏前苏】努列克坝，努列

6、克坝， H=300mH=300m。 【中中】 石头河，粘土心墙坝石头河，粘土心墙坝 ，H=114mH=114m，V=835V=835万万m m3 3（已建成）；（已建成）； 小浪底，壤土斜心墙坝小浪底，壤土斜心墙坝 ，H=154mH=154m，V=5184V=5184万万m m3 3（已建（已建 成）；成）； 天生桥一级，面板堆石坝，天生桥一级，面板堆石坝，H=178mH=178m（已建成）；（已建成）； 水布垭，面板堆石坝，水布垭，面板堆石坝，H=233mH=233m（在建，清江）；（在建，清江）； 苗家坝，面板堆石坝，苗家坝，面板堆石坝，H=263mH=263m，（拟建，白龙江）；，（拟建

7、，白龙江）； 糯扎渡，心墙堆石坝糯扎渡，心墙堆石坝， H=261.5mH=261.5m（拟建，澜沧江）。（拟建，澜沧江）。 （2）世界上H300m的高坝都是土石坝： （1 1）就地取材就地取材，节省水泥、钢材、木材，减少工，节省水泥、钢材、木材，减少工 地的外线运输量，降低造价；几乎任何土石料均可筑地的外线运输量，降低造价；几乎任何土石料均可筑 坝。坝。 （2 2）能适应各种不同的地形、地质和气候条件能适应各种不同的地形、地质和气候条件。 几乎任何不良地基，经处理后均可修建土石坝。特别几乎任何不良地基，经处理后均可修建土石坝。特别 是在气候恶劣、工程地质条件复杂和高烈度地震区情是在气候恶劣、工

8、程地质条件复杂和高烈度地震区情 况下，土石坝是唯一可取的坝型。况下，土石坝是唯一可取的坝型。 （3 3）高效施工机械的发展高效施工机械的发展，提高了土石坝的压实，提高了土石坝的压实 密度，减小了土石坝的断面，加快了施工进度，降低密度，减小了土石坝的断面，加快了施工进度，降低 了造价，促进了高土石坝建设的发展。了造价，促进了高土石坝建设的发展。 3.广泛应用原因广泛应用原因 （4 4）设计（岩土）理论、试验手段和计算技术的）设计（岩土）理论、试验手段和计算技术的 发展，提高了分析计算的水平，加快了设计进度，保发展，提高了分析计算的水平，加快了设计进度，保 障了安全性。障了安全性。 （5 5）高边

9、坡、地下工程、高速水流消能防冲等土）高边坡、地下工程、高速水流消能防冲等土 石坝配套工程设计和施工技术的综合发展，促进了土石坝配套工程设计和施工技术的综合发展，促进了土 石坝的建设和推广。石坝的建设和推广。 3.广泛应用原因广泛应用原因 坝身一般不能溢流，需另设溢洪道坝身一般不能溢流，需另设溢洪道； 施工导流不如砼坝方便施工导流不如砼坝方便； 粘性土料的填筑受气候条件影响粘性土料的填筑受气候条件影响； 断面大，体积大，工程量大断面大，体积大，工程量大。 缺点：缺点： 二、土石坝的工作条件二、土石坝的工作条件 1. 1. 渗流的影响渗流的影响 渗透水流的表面渗透水流的表面浸润面浸润面 浸润面与垂

10、直面的交线浸润面与垂直面的交线浸润线浸润线 （1 1）渗流区渗流区：土体为饱和状态，：土体为饱和状态，c c、值降低，受上浮值降低，受上浮 力和渗透水压力，可能滑动倒塌；受动水压力作用，造成力和渗透水压力，可能滑动倒塌；受动水压力作用，造成 下游坡滑动，产生渗透变形；冻融情况下对稳定不利；渗下游坡滑动，产生渗透变形；冻融情况下对稳定不利；渗 漏造成水量损失。因此，上游坝坡比下游坝坡缓。漏造成水量损失。因此，上游坝坡比下游坝坡缓。 （2 2）毛细区毛细区：由：由0.34m0.34m不等。不等。 （3 3）自然湿度区自然湿度区：干燥，可能出现裂缝：干燥，可能出现裂缝 波浪、冰层能冲刷和破坏坝坡，波

11、浪、冰层能冲刷和破坏坝坡，水位升降对坝坡稳水位升降对坝坡稳 定不利定不利。饱和水区的土体受到水的浮力作用而。饱和水区的土体受到水的浮力作用而减轻了填减轻了填 筑材料的有效重量筑材料的有效重量，并使其，并使其抗剪强度降低抗剪强度降低；下游水位以；下游水位以 下土体受到浮力作用而减轻了土体的有效重量。毛细区下土体受到浮力作用而减轻了土体的有效重量。毛细区 以上为自然含水量，雨后的渗水使毛细管内水面抬高，以上为自然含水量，雨后的渗水使毛细管内水面抬高， 在重力作用下产生渗流。在重力作用下产生渗流。 2.2.上下游水位对边坡的影响上下游水位对边坡的影响 3.3.降水与温度的影响降水与温度的影响 降水使

12、坝面土石流失，冬季结冰使土料膨胀，融化降水使坝面土石流失，冬季结冰使土料膨胀，融化 时形成孔穴及裂缝，夏季炎热坝坡干燥出现裂缝。时形成孔穴及裂缝，夏季炎热坝坡干燥出现裂缝。 5.5.孔隙水压力孔隙水压力的影响的影响 4.4.坝基及坝身沉降坝基及坝身沉降 一般沉陷量为（一般沉陷量为（0.20.4%）H，12m，不均匀沉，不均匀沉 降要产生裂缝，均匀沉降影响坝高。降要产生裂缝，均匀沉降影响坝高。 当库水位降落时，会产生反向渗流，对上游坝坡不利。当库水位降落时，会产生反向渗流，对上游坝坡不利。 因此，上游坝坡比下游坝坡缓。因此，上游坝坡比下游坝坡缓。 饱和的中细沙会产生震动液化饱和的中细沙会产生震动

13、液化。 6 6. .地震地震的影响的影响 三、设计的基本要求三、设计的基本要求 1.1.要有足够的断面，保持坝的稳定要有足够的断面，保持坝的稳定 土石坝的边坡和坝基稳定是大坝安全的基本土石坝的边坡和坝基稳定是大坝安全的基本 保证。国内外土石坝的失事，约保证。国内外土石坝的失事，约1/4是由滑坡造是由滑坡造 成的。施工期、稳定渗流期、水库水位降落期以成的。施工期、稳定渗流期、水库水位降落期以 及地震作用时，作用在坝上的荷载以及土石料的及地震作用时，作用在坝上的荷载以及土石料的 c、值都将发生变化，应分别核算，以保障坝值都将发生变化，应分别核算，以保障坝 体和坝基的稳定要求。体和坝基的稳定要求。

14、三、设计的基本要求三、设计的基本要求 2.2.设置防渗和排水设施，控制渗流设置防渗和排水设施，控制渗流 土石坝挡水后，在坝体内形成渗流，在饱和土石坝挡水后，在坝体内形成渗流，在饱和 区，土石料承受上浮力，减轻了有效重量；浸水区，土石料承受上浮力，减轻了有效重量；浸水 使使c、值减小；渗流力对坝坡稳定不利；渗流逸值减小；渗流力对坝坡稳定不利；渗流逸 出时可能引起管涌、流土等渗流破坏。设置防渗出时可能引起管涌、流土等渗流破坏。设置防渗 和排水可以和排水可以控制渗流范围控制渗流范围、减小逸出比降减小逸出比降，增加增加 抗滑和抗渗稳定抗滑和抗渗稳定。防渗设施还有利于减小坝体和。防渗设施还有利于减小坝体

15、和 坝基的漏水量。坝基的漏水量。 3.3.选择坝型、结构型式及土石料的配置选择坝型、结构型式及土石料的配置 4.4.坝基稳定坝基稳定 根据现场土石料的物理力学性质，选择坝体各根据现场土石料的物理力学性质，选择坝体各 部分的压实标准。部分的压实标准。 地震区兴建的土石坝，坝基和坝坡均应有足够地震区兴建的土石坝，坝基和坝坡均应有足够 的抗液化能力。坝基中存在有可液化土壤时，应予的抗液化能力。坝基中存在有可液化土壤时，应予 清除或采取加固措施。清除或采取加固措施。 5. 5. 不允许洪水漫顶不允许洪水漫顶，造成大坝的失事造成大坝的失事 泄洪建筑物具有足够的泄洪能力，坝顶在洪泄洪建筑物具有足够的泄洪能

16、力，坝顶在洪 水位以上要有足够的安全超高。水位以上要有足够的安全超高。 在库水变化范围内，上游坝面应有坚固的在库水变化范围内，上游坝面应有坚固的护坡护坡， 防止波浪冲击和淘刷。下游坝坡应能抗御雨水的冲刷防止波浪冲击和淘刷。下游坝坡应能抗御雨水的冲刷 破坏作用。保护坝内粘性土料，防止夏季日晒、冬季破坏作用。保护坝内粘性土料，防止夏季日晒、冬季 冻胀等形成裂缝。冻胀等形成裂缝。 6.6.采取适当的构造措施，使坝运用可靠和耐久采取适当的构造措施，使坝运用可靠和耐久 四、土石坝的类型四、土石坝的类型 1.1.按坝高分按坝高分 碾压式土石坝设计规范碾压式土石坝设计规范（SL2742001）规定：分）规定

17、：分 低坝、中坝、高坝。低坝、中坝、高坝。 坝高在坝高在70m以上为高坝；坝高在以上为高坝；坝高在3070m之间为中坝；之间为中坝； 30m以下为低坝。以下为低坝。 坝高算法：从坝轴线部位的建基面算至坝顶（不含坝高算法：从坝轴线部位的建基面算至坝顶（不含 防浪墙）和从坝体防渗体（不含坝基防渗设施）底部算至防浪墙）和从坝体防渗体（不含坝基防渗设施）底部算至 坝顶，取大值。坝顶，取大值。 四、土石坝的类型四、土石坝的类型 2.2.按其施工方法分按其施工方法分 碾压式土石坝；碾压式土石坝； 冲填式土石坝；冲填式土石坝； 水中填土坝；水中填土坝； 定向爆破土石坝。定向爆破土石坝。 3.3.按土料配置和

18、防渗体所用材料按土料配置和防渗体所用材料 分分 坝体主要由一种土料组成，同时起防渗和稳定作坝体主要由一种土料组成，同时起防渗和稳定作 用。由于黏性土抗剪强度较低且施工碾压较困难，多用。由于黏性土抗剪强度较低且施工碾压较困难，多 用于低坝。用于低坝。 （1）均质坝）均质坝 （2）土质防渗体分区坝）土质防渗体分区坝 心墙坝；斜心墙坝；斜墙坝等。心墙坝；斜心墙坝；斜墙坝等。 由相对不透水由相对不透水或弱透水土料构成坝的防渗体，而或弱透水土料构成坝的防渗体，而 以透水性较强的土石料构成坝壳或下游支撑体。以透水性较强的土石料构成坝壳或下游支撑体。 坝壳部位除采用一种土石料外，常采用多种土料坝壳部位除采用

19、一种土石料外，常采用多种土料 分区排列。分区排列。 3.3.按土料配置和防渗体所用材料按土料配置和防渗体所用材料 分分 （3）非土质材料防渗体坝）非土质材料防渗体坝 以砼、沥青砼或土工膜作成防渗体，坝的其余部以砼、沥青砼或土工膜作成防渗体，坝的其余部 分则用土石料进行填筑。当防渗体位于上游面时称为分则用土石料进行填筑。当防渗体位于上游面时称为 面板坝，位于坝的中央时为心墙坝。面板坝，位于坝的中央时为心墙坝。 除均质坝外，都是将弱透水性材料布置在上游或中除均质坝外，都是将弱透水性材料布置在上游或中 央，以达防渗目的；将透水性强的材料布置在下游或两央，以达防渗目的；将透水性强的材料布置在下游或两

20、侧，以维持坝的稳定。透水性强的材料布置在下游侧还侧，以维持坝的稳定。透水性强的材料布置在下游侧还 起到有利于排水以降低浸润线的作用。起到有利于排水以降低浸润线的作用。 心墙 坝壳 坝壳 图图51 碾压式土石坝类型碾压式土石坝类型 （a）均质坝；（）均质坝；（b）土质心墙坝；（）土质心墙坝；（c）土质斜心墙坝；）土质斜心墙坝； （d）土质斜墙坝；（）土质斜墙坝；（e）多种土质心墙坝；（）多种土质心墙坝；（f）多种土质斜心墙）多种土质斜心墙 坝；（坝；（g）人工材料心墙坝；（）人工材料心墙坝；（h）人工材料面板坝）人工材料面板坝 5.2 5.2 土石坝的基本剖面土石坝的基本剖面 土石坝的基本剖面根

21、据坝高、坝的等级、土石坝的基本剖面根据坝高、坝的等级、 坝型、筑坝材料特性、坝基情况以及施工运行坝型、筑坝材料特性、坝基情况以及施工运行 等条件参照现有工程的实践经验初步拟定，然等条件参照现有工程的实践经验初步拟定，然 后通过渗流和稳定分析检验，最终确定合理的后通过渗流和稳定分析检验，最终确定合理的 剖面形状。剖面形状。 5.2 5.2 土石坝的基本剖面土石坝的基本剖面 一、土石坝设计内容、步骤一、土石坝设计内容、步骤 1.1.剖面设计剖面设计包括包括： 坝顶高程坝顶高程、坝顶宽度坝顶宽度、坝体坡度坝体坡度以及以及防渗体防渗体和和 排水设施排水设施等。等。 2.2.设计步骤：设计步骤： 坝型比

22、选；坝型比选；拟定坝的各部分尺寸；拟定坝的各部分尺寸； 进行渗流、稳定、沉陷计算；进行渗流、稳定、沉陷计算； 细部构造设计，地基处理设计；细部构造设计，地基处理设计； 计算计算V V，取最优方案。，取最优方案。 二、坝顶高程二、坝顶高程 坝顶静水位坝顶静水位+d+d（坝顶超高）（坝顶超高）: : 按按四种条件计算四种条件计算，取最大值：，取最大值： 坝顶设计坝顶设计+ d+ d正常；正常； 坝顶正常坝顶正常+ d+ d正常；正常； 坝顶校核坝顶校核+ d+ d非常；非常； 坝顶正常坝顶正常+ d+ d非常非常+ +A A地震。地震。 No Image 设防浪墙时设防浪墙时，坝顶超高指的是，坝顶

23、超高指的是水库静水位水库静水位 与防浪墙顶与防浪墙顶之间的高差，正常条件下坝顶应高出之间的高差，正常条件下坝顶应高出 静水位静水位0.5m0.5m，非常条件下坝顶不得低于静水位。，非常条件下坝顶不得低于静水位。 计算的坝顶高程是指包括坝基和坝身沉降稳计算的坝顶高程是指包括坝基和坝身沉降稳 定后的坝顶高程；定后的坝顶高程； 超高超高d d的计算的计算 d=R+e+Ad=R+e+A（1 1） 式中式中 R R 波浪爬高波浪爬高，m m； e e 风浪壅高风浪壅高，m m； A A 安全加高安全加高，m m，根据坝的级别采用，根据坝的级别采用， 见见表表5-15-1。 No Image R 坝顶超高

24、计算图坝顶超高计算图 坝的级别坝的级别 1 12 23 34 4、5 5 正常运行正常运行 1.501.501.001.000.700.700.500.50 非常运行（非常运行（a）0.700.700.500.500.400.400.300.30 非常运行（非常运行（b）1.001.000.700.700.500.500.300.30 表表5-1 土石坝的安全加高土石坝的安全加高 非常运行（非常运行（a）适用于山区、丘陵区，非常运行（）适用于山区、丘陵区，非常运行（b） 适用于平原区、滨海区。适用于平原区、滨海区。 cos 2 2 m gH Dkw e 式中式中 综合摩阻系数，其值在（综合摩阻

25、系数，其值在（1.51.55.05.0） 1010-6 -6之间，计算时一般取 之间，计算时一般取3.63.61010-6 -6； ； D D 风区长度（风区长度（m m）；）； 坝前风区水域平均水深（坝前风区水域平均水深（m m）；）； 计算风向与坝轴线法线的夹角（计算风向与坝轴线法线的夹角（）；）； 计算风速（计算风速（m/sm/s），正常运用情况，），正常运用情况，1 1、 2 2级坝，取级坝，取 = =（1. 51. 52.02.0） ，3 3、4 4级坝取级坝取 1.5 1.5 ；非常运用情况，取；非常运用情况，取 = = 。 为坝址多年平均最大风速。为坝址多年平均最大风速。 m H

26、 k w w wmax wmaxw wmax wmax 当坝坡的单坡系数当坝坡的单坡系数 1.51.55.05.0时，平均时，平均 爬高可按下式计算爬高可按下式计算 式中式中 坝面糙率系数，按表坝面糙率系数，按表5-35-3选用；选用； 经验系数，按表经验系数，按表5-45-4选用；选用； m 212 21 )1 ( )( m LhKK R mmw m K w K 平均波高和平均波长（平均波高和平均波长（m），计算），计算 方法见上；方法见上； 坝坡系数，当静水位附近变坡且设坝坡系数，当静水位附近变坡且设 马道时，应采用折算坡度系数马道时，应采用折算坡度系数 代替代替 ， 折算坡度折算坡度 ，

27、 、 为变坡处马道为变坡处马道 以上、以下坝坡系数。以上、以下坝坡系数。 mm Lh 、 m e mm e m) 11 ( 2 1 下上 mm 上 m 下 m 表表5-45-4 经验系数经验系数 1.01.52.02.53.03.54.05.0 1.01.021.081.161.221.251.281.30 W K gHW / W K 求出求出 后，按工程等级选用设计累计频率后，按工程等级选用设计累计频率 (%)(%)(对对I I级土石坝取级土石坝取 ；对；对IVIVV V级坝级坝 取取 ) )，并由，并由 值查表值查表5-25-2，求得设计爬，求得设计爬 高值高值 。 当风向线与坝轴线的法线

28、成夹角当风向线与坝轴线的法线成夹角时，波浪爬时，波浪爬 高高 应有所降低。因此，应将爬高值应有所降低。因此，应将爬高值 乘以风向乘以风向 折减系数折减系数 后作为设计值，后作为设计值， 值按表值按表5-55-5选用。选用。 m R %1P %5P(%)P p R p R p R K K 对有防渗体的土石坝，防渗体顶部的超高，并对有防渗体的土石坝，防渗体顶部的超高，并 预留竣工后沉降量。预留竣工后沉降量。 具体要求是：正常运用情况，心墙坝超高值取具体要求是：正常运用情况，心墙坝超高值取 0.30.30.6m0.6m，斜墙坝取，斜墙坝取0.60.60.8m0.8m；非常运用情况，；非常运用情况，

29、防渗体顶部应不低于相应的静水位。防渗体顶部应不低于相应的静水位。 表5-5 斜向波折减系数 0102030405060 10.980.960.920.870.820.76 K K 三、坝顶宽度三、坝顶宽度 规范规定：高坝规范规定：高坝 b=10b=1015m15m； 中、低坝中、低坝 b=5b=510m10m。 坝顶宽度必须考虑心墙或斜墙顶部及反滤层布坝顶宽度必须考虑心墙或斜墙顶部及反滤层布 置的需要。在寒冷地区，坝顶还需有足够的厚度，置的需要。在寒冷地区，坝顶还需有足够的厚度， 以保护粘性土料防渗体免受冻害。以保护粘性土料防渗体免受冻害。 根据根据坝高坝高、构造施工构造施工、交通交通和和防汛

30、抢险等防汛抢险等要求确定。要求确定。 竣工竣工时的坝顶高程应预留足够的沉降量。时的坝顶高程应预留足够的沉降量。 根据工程经验，预留沉降量为根据工程经验，预留沉降量为1%H1%H。 地震涌浪高地震涌浪高A A地震地震0.50.51.5m1.5m 四、坝坡四、坝坡 坝坡与坝型、坝高、筑坝材料、坝基性质以及施坝坡与坝型、坝高、筑坝材料、坝基性质以及施 工方法有关，一般参照工程实践类比拟定，然后核算、工方法有关，一般参照工程实践类比拟定，然后核算、 修改确定。在满足稳定的前提下，尽可能陡以节约工修改确定。在满足稳定的前提下，尽可能陡以节约工 程量。程量。 （1 1）上游坝坡比下游缓上游坝坡比下游缓上游

31、坝坡长期处于饱上游坝坡长期处于饱 和状态，水库水位也可能快速下降，使坝坡稳定处于和状态，水库水位也可能快速下降，使坝坡稳定处于 不利状态。但堆石料上、下游坝坡坡率的差别可比砂不利状态。但堆石料上、下游坝坡坡率的差别可比砂 土料为小。土料为小。 （2 2）斜墙坝的上游坝坡较心墙坝为缓斜墙坝的上游坝坡较心墙坝为缓土质防土质防 渗体斜墙坝上游坝坡的稳定受斜墙土料特性控制，上渗体斜墙坝上游坝坡的稳定受斜墙土料特性控制，上 游坝坡一般较心墙坝缓。而厚心墙坝的下游坝坡，一游坝坡一般较心墙坝缓。而厚心墙坝的下游坝坡，一 般比斜墙坝缓。般比斜墙坝缓。 （3 3）变坡与不变坡变坡与不变坡粘性土料的稳定坝坡上部粘

32、性土料的稳定坝坡上部 陡，下部缓，每隔陡，下部缓，每隔101030m30m，逐段放缓，相邻坡率差，逐段放缓，相邻坡率差 值取值取0.250.25或或0.50.5；砂土和堆石的稳定坝坡为一平面，；砂土和堆石的稳定坝坡为一平面， 可采用均一坡率；在高烈度地震区可采用上缓下陡的可采用均一坡率；在高烈度地震区可采用上缓下陡的 坝坡，并在坝顶附近对坝坡进行局部加固。坝坡，并在坝顶附近对坝坡进行局部加固。 （4 4）由粉土、砂、轻壤土修建的均质坝，透）由粉土、砂、轻壤土修建的均质坝，透 水性较大，为了保持稳定渗流，一般要求适当放水性较大，为了保持稳定渗流，一般要求适当放 缓下游坝坡。缓下游坝坡。 （5 5

33、）坝基和坝体土料沿坝轴线分布不一致时，）坝基和坝体土料沿坝轴线分布不一致时， 分段采用不同坡率，设过渡区，坝坡缓慢变化。分段采用不同坡率，设过渡区，坝坡缓慢变化。 中、低均质坝，平均为中、低均质坝，平均为1 1：3 3。 土质心墙坝，下游坝壳采用堆石土质心墙坝，下游坝壳采用堆石1 1：1.51.51 1： 2.52.5，采用土料，采用土料1 1：2.02.01 1：3.03.0；上游坝壳采用堆石；上游坝壳采用堆石 1 1：1.71.71 1：2.72.7，采用土料，采用土料1 1：2.52.51 1：3.53.5。 斜墙坝下游坝坡的坡率可参照上述数值选用，斜墙坝下游坝坡的坡率可参照上述数值选用

34、， 取值宜偏陡；上游可略缓，石质放缓取值宜偏陡；上游可略缓，石质放缓0.20.2，土质放缓，土质放缓 0.50.5。 2.坝坡初选坝坡初选 面板堆石坝面板堆石坝，上游，上游1 1：1.41.41 1：1.71.7；良好堆石；良好堆石 的下游坝坡为的下游坝坡为1 1：1.31.31 1：1.41.4，如为卵砾石，如为卵砾石1 1：1.51.51 1： 1.61.6，H H110m110m时，适当放缓。时，适当放缓。 马道：设在变坡处马道：设在变坡处拦截雨水，防止冲刷坝面，拦截雨水，防止冲刷坝面， 交通、检修、观测，增加稳定。上游除观测需要外，交通、检修、观测，增加稳定。上游除观测需要外， 趋向不

35、设马道，下游坝坡也不设或少设。在坝坡上设趋向不设马道，下游坝坡也不设或少设。在坝坡上设 置斜马道效果良好，对坝面交通极为有利，设置斜马道效果良好，对坝面交通极为有利，设Z Z字形上字形上 坝公路，避免岸坡开挖道路。宽度按用途确定，坝公路，避免岸坡开挖道路。宽度按用途确定， b1.5mb1.5m。 5.35.3土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 国内国内- - 29 美国美国- - 39 日本日本- - 44 瑞士瑞士- - 40 渗流破坏发生的事故或垮坝渗流破坏发生的事故或垮坝 u渗流分析对土石渗流分析对土石 坝安全的重要性。坝安全的重要性。 5.35.3土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 一、渗

36、流分析目的、方法一、渗流分析目的、方法 1.1.目的目的： (1)土中饱水程度不同，土料的抗剪强度等力学特性土中饱水程度不同，土料的抗剪强度等力学特性 也相应地发生变化，渗流分析也相应地发生变化，渗流分析为土坝中各部分土的饱水为土坝中各部分土的饱水 状态的划分提供依据。状态的划分提供依据。 (2)检验坝的初选形式与尺寸，检验坝的初选形式与尺寸，确定渗流力以核算坝确定渗流力以核算坝 坡稳定。坡稳定。 渗流的概念渗流的概念：水库蓄水后，由于上下游水位差的：水库蓄水后，由于上下游水位差的 关系，水会通过坝体土粒之间的空隙从上游向下游渗关系，水会通过坝体土粒之间的空隙从上游向下游渗 透。透。 5.35

37、.3土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 一、渗流分析目的、方法一、渗流分析目的、方法 1.1.目的目的： (3)进行防渗布置与土料配置，根据坝内的渗流进行防渗布置与土料配置，根据坝内的渗流 参数与逸出坡降，检验土体的渗流稳定，防止发生参数与逸出坡降，检验土体的渗流稳定，防止发生 管涌和流土，管涌和流土，确定坝体及坝基中防渗体和排水设施确定坝体及坝基中防渗体和排水设施。 (4)确定渗流量确定渗流量Q ，并设计排水系统。，并设计排水系统。 5.35.3土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2. 2. 内容：内容： 确定浸润线及其下游逸出点的位置，绘制等势线图确定浸润线及其下游逸出点的位置，绘制等势线图

38、或流网图；为稳定分析、应力应变分析及排水设备选择提或流网图；为稳定分析、应力应变分析及排水设备选择提 供依据。供依据。 确定渗流参数确定渗流参数VV，J J； 确定渗流量确定渗流量Q Q。用于估计水库渗漏损失并校核坝的排。用于估计水库渗漏损失并校核坝的排 水尺寸水尺寸。 3.3.方法方法 土石坝渗流全断面流速和比降土石坝渗流全断面流速和比降J的关系符合如下的规律的关系符合如下的规律 （1） 式中式中参量，参量，11.85 根据达西定律：根据达西定律： （2） 连续条件：连续条件： （3） 可得二维渗流方程可得二维渗流方程 （4） 式中式中 H 渗流场中某一点的渗压水头，渗流场中某一点的渗压水头

39、，m。 （1 1）解析法（理论分析）解析法（理论分析） 流体力学法流体力学法 No Image 该法把坝体分为若干段，应用达西定律，近该法把坝体分为若干段，应用达西定律，近 似确定浸润线，计算似确定浸润线，计算Q、v、J。比流体力学法粗。比流体力学法粗 略，但简单易行，精度可满足工程要求，应用较略，但简单易行，精度可满足工程要求，应用较 广。广。 水力学法水力学法分段法分段法 （2 2）流网法）流网法图解法图解法P229P229 用图解法解拉普拉斯方程。流网法可求出渗流区任一点用图解法解拉普拉斯方程。流网法可求出渗流区任一点 的渗透压力、坡降、流速及渗流量。的渗透压力、坡降、流速及渗流量。 流

40、线streamline 1 H 2 H n/ )( 21 HHH q q q q 等势线 i a i b i 设上下游水头设上下游水头H被等势线分割成被等势线分割成m个方格，各方格的水头个方格，各方格的水头 差差H相同；同时渗流边界所围成的区域被流线分割成相同；同时渗流边界所围成的区域被流线分割成n个方个方 格，各方格通过的渗流量相同。格，各方格通过的渗流量相同。 应用渗流场的渗流要素和电场中电流要素在数应用渗流场的渗流要素和电场中电流要素在数 学上、物理上的相似性，学上、物理上的相似性，UH，I水流，在几何水流，在几何 形状和渗流场边界条件相似的模型上实现。形状和渗流场边界条件相似的模型上实

41、现。 该法能解决平面问题，也能解决三维问题，一该法能解决平面问题，也能解决三维问题，一 般主要解决三维问题。但要一定的设备，费时较长。般主要解决三维问题。但要一定的设备，费时较长。 （3）试验法试验法 （4 4）有限元法）有限元法流体力学有限元流体力学有限元 有限元法可以模拟多种复杂的边界条件和坝体、有限元法可以模拟多种复杂的边界条件和坝体、 坝基为非均质、各向异性等不同的情况，所以在工坝基为非均质、各向异性等不同的情况，所以在工 程设计中逐渐得到广泛应用。教材以均质坝平面渗程设计中逐渐得到广泛应用。教材以均质坝平面渗 流问题为例，阐述有限元法的基本要点。流问题为例，阐述有限元法的基本要点。

42、二、水力学法二、水力学法 ( (一一) )几个问题的处理几个问题的处理 渗流为缓变流动，等势线和流线均缓慢变化。渗流为缓变流动，等势线和流线均缓慢变化。 达西定律：达西定律： 假定：任一铅直过水断面内各点渗流坡降假定：任一铅直过水断面内各点渗流坡降J相等，则全断相等，则全断 面的平均流速为：面的平均流速为： 流量流量 即即 （1 1）矩形土体的渗流问题矩形土体的渗流问题 L x y y dx dy 0i 1 H 2 H 不透水地基上矩形土体渗流计算图不透水地基上矩形土体渗流计算图 积分之积分之 （1） （2） 式中式中 H1、H2 分别为上、下游水深；分别为上、下游水深； L 渗流区长度；渗流

43、区长度； x 计算点至上游面的距离。计算点至上游面的距离。 （2 2）等效渗径）等效渗径问题问题 k相差在相差在10倍以内的若干层可等效为一层倍以内的若干层可等效为一层 图图54 水力学方法计算简图水力学方法计算简图 （b）竖向条带土层的代替土层；（）竖向条带土层的代替土层；（c）水平条带土层的代替土层）水平条带土层的代替土层 等效原则等效原则：消耗同样大小的水头；渗过相：消耗同样大小的水头；渗过相 同的流量。同的流量。 当当k=kk=kT T时，等效矩形的宽度时，等效矩形的宽度b=0.4Hb=0.4H1 1。 当上游坝坡较陡时当上游坝坡较陡时（m12m12），），可取可取 （3 3）土坝上游

44、三角形棱体可以用土坝上游三角形棱体可以用一一等效的矩形体等效的矩形体代替代替 式中式中 m m1 1上游坝坡坡率。上游坝坡坡率。 （4 4）当）当k=kTk=kT时，逸出高度可确定为时，逸出高度可确定为 （二）有限深透水地基上土坝的渗流计算二）有限深透水地基上土坝的渗流计算 1 1、均质坝的渗流计算、均质坝的渗流计算 确定地基计算深度确定地基计算深度T Td d ： 对于对于透水地基透水地基，如不透水层埋藏较深，可取地，如不透水层埋藏较深，可取地 基的计算深度为坝基宽度的一半；如埋藏较浅，取计基的计算深度为坝基宽度的一半；如埋藏较浅，取计 算深度等于埋藏深度。算深度等于埋藏深度。 如果坝体如果

45、坝体K K坝体 坝体与 与K K坝基 坝基不相等 不相等，采用假定，采用假定2 2进行换算，进行换算， 然后计算。地基含多种土层时，也可按照类似原则换然后计算。地基含多种土层时，也可按照类似原则换 算。算。 （二）有限深透水地基上土坝的渗流计算（二）有限深透水地基上土坝的渗流计算 1 1、均质坝的渗流计算、均质坝的渗流计算 (1)(1)按基本假定按基本假定2 2将不透水层以上的多种土层坝将不透水层以上的多种土层坝 基换算为与坝体渗流系数相同的单一坝基基换算为与坝体渗流系数相同的单一坝基T Tf f 。 (2)(2)在代替坝基在代替坝基T Tf f中，根据不透水层埋藏深度，中，根据不透水层埋藏深

46、度， 选定计算深度选定计算深度T Td d。 (3)(3)求出坝体和坝基上游棱体的等效宽度求出坝体和坝基上游棱体的等效宽度 b=0.4H1b=0.4H1，并从水库水位与上游坝坡的交点，并从水库水位与上游坝坡的交点A A向上游向上游 延伸长度延伸长度b b，求出渗流场的上游边界。，求出渗流场的上游边界。 （二）有限深透水地基上土坝的渗流计算（二）有限深透水地基上土坝的渗流计算 1 1、均质坝的渗流计算、均质坝的渗流计算 (4)(4)假定一个流量假定一个流量q q，按（式，按（式6 6）和（式）和（式7 7），）， 确定下游坡面的溢出高度、溢出点位置确定下游坡面的溢出高度、溢出点位置B B及下及下

47、 游渗流水深游渗流水深H H2 2=h=h2 2+ +T+Td d，B B点到下游距离为点到下游距离为 （h h2 2+ + ）m m2 2。 （二）有限深透水地基上土坝的渗流计算（二）有限深透水地基上土坝的渗流计算 1 1、均质坝的渗流计算、均质坝的渗流计算 (5)(5)按等效渗流剖面按等效渗流剖面N345DDN345DD，和上下游水，和上下游水 深深H H1 1、H H2 2 ，依照（式 ，依照（式1 1）和（式）和（式2 2），确定渗流量），确定渗流量 和浸润线位置，其中和浸润线位置，其中 H2 2=h2 2+Td d， H1 1=h1 1+Td d， L是是4和和5之间的距离。之间的距

48、离。 （1 1） （2 2） （二）有限深透水地基上土坝的渗流计算（二）有限深透水地基上土坝的渗流计算 1 1、均质坝的渗流计算、均质坝的渗流计算 （6 6）如果按照（式如果按照（式1 1）算出的渗流量与假定的渗）算出的渗流量与假定的渗 流量不相等，则将新的渗流量值带入（式流量不相等，则将新的渗流量值带入（式6 6）和（式）和（式 7 7），重新计算溢出高度，重复步骤），重新计算溢出高度，重复步骤4 4和和5 5，直到渗流，直到渗流 量数值前后接近为止，一般迭代量数值前后接近为止，一般迭代2 23 3次即可满足要求。次即可满足要求。 （7 7）订正浸润线进口段订正浸润线进口段ACAC，浸润线在

49、，浸润线在A A点应与下点应与下 游坝面正交。游坝面正交。 （二）有限深透水地基上土坝的渗流计算（二）有限深透水地基上土坝的渗流计算 2 2、心墙坝心墙坝的渗流计算（下游采用棱体排水）的渗流计算（下游采用棱体排水） 计算假定：计算假定： 计算时计算时忽略上游坝壳段的水头损失忽略上游坝壳段的水头损失； 将将心墙简化为等厚的矩形断面，下游坝壳段与均质坝心墙简化为等厚的矩形断面，下游坝壳段与均质坝 同样处理同样处理。 （二）有限深透水地基上土坝的渗流计算（二）有限深透水地基上土坝的渗流计算 2 2、心墙坝的渗流计算（下游采用棱体排水）、心墙坝的渗流计算（下游采用棱体排水） 令令tc=（t1+t2）/

50、2（心墙的平均厚度）（心墙的平均厚度） 则通过心墙的渗流量为：则通过心墙的渗流量为： 假定假定下游坝壳逸出点位于下游水位与堆石内坡的交下游坝壳逸出点位于下游水位与堆石内坡的交 点点A，则坝壳内渗流量为：，则坝壳内渗流量为： L Hh kq 2 2 2 2 22 c t hH kq 2 2 2 1 11 由由 q q1 1=q=q2 2，可求出，可求出q q和心墙后的浸润线高度和心墙后的浸润线高度h h。 （二）有限深透水地基上土坝的渗流计算（二）有限深透水地基上土坝的渗流计算 3 3、不透水地基上斜墙坝的渗流计算、不透水地基上斜墙坝的渗流计算 计算时计算时忽略上游坝壳段的水头损失忽略上游坝壳段

51、的水头损失; 分两段计算：分两段计算：斜墙段、斜墙后的坝壳段斜墙段、斜墙后的坝壳段；通过斜墙段和坝；通过斜墙段和坝 壳段壳段渗流量相等渗流量相等。 将斜墙简化为等厚的斜墙，下游坝壳段与心墙坝同样处理。将斜墙简化为等厚的斜墙，下游坝壳段与心墙坝同样处理。 （二）有限深透水地基上土坝的渗流计算（二）有限深透水地基上土坝的渗流计算 3 3、不透水地基上斜墙坝的渗流计算、不透水地基上斜墙坝的渗流计算 通过斜墙的渗流量包括两部分：通过斜墙的渗流量包括两部分： （1）水深小于）水深小于H的斜墙下部，作用的水头为常值的斜墙下部，作用的水头为常值H1-H， 斜墙的厚度为斜墙的厚度为 x LL tt tt 21

52、 21 1 通过该段的渗流量为通过该段的渗流量为 cos 1 0 1 11 x Ld t HH kq （二）有限深透水地基上土坝的渗流计算（二）有限深透水地基上土坝的渗流计算 3 3、不透水地基上斜墙坝的渗流计算、不透水地基上斜墙坝的渗流计算 （2）水深大于）水深大于H的斜墙上部，作用的水头为常值的斜墙上部，作用的水头为常值H1-y， 通过该段的渗流量为通过该段的渗流量为: cos 21 1 1 12 x LL L d t yH kq 应用一下几何关系：应用一下几何关系： mxy/ 121 mHLL mHL 1 )( 12 HHmL 通过斜墙的渗流量：通过斜墙的渗流量： 21 qqq （二）有

53、限深透水地基上土坝的渗流计算（二）有限深透水地基上土坝的渗流计算 3 3、不透水地基上斜墙坝的渗流计算、不透水地基上斜墙坝的渗流计算 （3）通过坝体内的渗流量为）通过坝体内的渗流量为: 联立以上两式，可求出联立以上两式，可求出H和和q。根据斜墙后的水根据斜墙后的水 深深H和出口水深和出口水深H2 ，可得出浸润线方程。，可得出浸润线方程。 )(2 2 2 2 2 mHL HH kq （二）有限深透水地基上土坝的渗流计算（二）有限深透水地基上土坝的渗流计算 4 4、不透水地基上均质坝的渗流计算、不透水地基上均质坝的渗流计算 分为三分为三部分部分：三角形：三角形部分部分AFM（用高为（用高为H1，宽

54、为，宽为L的矩形的矩形 EOFA代替）、中间部分代替）、中间部分AFBB、三角形部分、三角形部分BBN; 分为两段：分为两段： EOBB 、三角形段、三角形段BBN;按连续条件求解。按连续条件求解。 （二）有限深透水地基上土坝的渗流计算（二）有限深透水地基上土坝的渗流计算 4 4、不透水地基上均质坝的渗流计算、不透水地基上均质坝的渗流计算 第一段：第一段： EOBB中的渗流量：中的渗流量： )(2 )( 22 2 2 2 1 HmL HH kq 第二段：三角形段第二段：三角形段BBN中的渗流量可分为两部分，即下中的渗流量可分为两部分，即下 游水深游水深H2水上部分和水下部分水上部分和水下部分。

55、 在在H2水上部分任一微段水上部分任一微段dz，水平条带长度为，水平条带长度为m2z；作用；作用 水头为水头为z，渗透坡降为，渗透坡降为 ,取通过该条带的渗流取通过该条带的渗流 量量 ,水上部分渗流量为水上部分渗流量为 22 1 mzm z J dz m kdq 2 1 dz m kdq q 2 00 11 2 1 m kq 即：即： （二）有限深透水地基上土坝的渗流计算（二）有限深透水地基上土坝的渗流计算 4 4、不透水地基上均质坝的渗流计算、不透水地基上均质坝的渗流计算 在在H2水下部分，作用水头为，渗透坡为水下部分，作用水头为，渗透坡为 , 渗流量为渗流量为 ,水上部分渗流量为水上部分渗

56、流量为 即可求出即可求出q2。 zm J 2 dz zm kdq 2 dz mz kdq Hq 22 0 三角形段三角形段BBN中的渗流量中的渗流量q=q1+q2。 联立求解，求出联立求解，求出和和q，并对进口段进行修正。，并对进口段进行修正。 （二）有限深透水地基上土坝的渗流计算（二）有限深透水地基上土坝的渗流计算 5 5、总渗流量计算、总渗流量计算 计算总渗流量时，应根据地形地质条件，沿坝轴线将计算总渗流量时，应根据地形地质条件，沿坝轴线将 坝体分为若干坝段，分别计算各坝段的平均单宽流量。坝体分为若干坝段，分别计算各坝段的平均单宽流量。 1122111 )() 2 1 nnnnn lqlq

57、qlqqlqQ（ 三、三、流网法流网法图解法图解法P229P229 用图解法解拉普拉斯方程。流网法可求出渗流区任一点用图解法解拉普拉斯方程。流网法可求出渗流区任一点 的渗透压力、坡降、流速及渗流量。的渗透压力、坡降、流速及渗流量。 流网的概念：流网的概念： 渗流场：渗流运动的水质点所充满的空间；渗流场：渗流运动的水质点所充满的空间； 流流 线：水质点运动的轨迹；线：水质点运动的轨迹； 等势线：渗流场中势能相等的各点连线；等势线：渗流场中势能相等的各点连线； 流流 网：流线与等势线组成的网格。网：流线与等势线组成的网格。 流线 streamline 1 H 2 H n/ )( 21 HHH q

58、q q q 等势线 i a i b i 四、有限单元法四、有限单元法 有限单元法可以更好的适应复杂的边界条件有限单元法可以更好的适应复杂的边界条件 和坝体、非均质坝基、各向异性等不同情况，在和坝体、非均质坝基、各向异性等不同情况，在 工程设计中逐渐得到广泛应用。工程设计中逐渐得到广泛应用。 五、土坝的渗流变形及防护五、土坝的渗流变形及防护 （一）渗流变形及其危害（一）渗流变形及其危害 定义：土石坝及地基中的渗流，由于物理和化定义：土石坝及地基中的渗流，由于物理和化 学作用，土体颗粒流失，导致土壤发生局部破坏，学作用，土体颗粒流失，导致土壤发生局部破坏， 称为渗透变形。称为渗透变形。 渗透变形及

59、其发展过程与土料性质、颗粒级配及渗透变形及其发展过程与土料性质、颗粒级配及 水流条件、防渗、排水措施等因素有关。水流条件、防渗、排水措施等因素有关。 1.1.渗透变形：渗透变形： （1）管涌）管涌 在渗流作用下，细颗粒由骨架孔隙通道中被在渗流作用下，细颗粒由骨架孔隙通道中被 带走而流失的现象。使土颗粒在土体空隙内开始带走而流失的现象。使土颗粒在土体空隙内开始 移动的坡降称为临界坡降。出现在无粘性土中。移动的坡降称为临界坡降。出现在无粘性土中。 （2）流土）流土 在渗流作用下，表层局部土体被顶起穿透或在渗流作用下，表层局部土体被顶起穿透或 是粗细颗粒群发生浮动而流失的现象。多发生在是粗细颗粒群发

60、生浮动而流失的现象。多发生在 粘性土或其它细粒土组成的土层中，后者多发生粘性土或其它细粒土组成的土层中，后者多发生 在不均匀砂土中。在不均匀砂土中。 2 2、常见渗透变形的型式：、常见渗透变形的型式： （3）接触冲刷）接触冲刷 指渗流沿着渗流系数不同的两种土层接触面上，指渗流沿着渗流系数不同的两种土层接触面上， 或是建筑物与地基接触面上流动时，将细颗粒沿接或是建筑物与地基接触面上流动时，将细颗粒沿接 触面带走的现象。触面带走的现象。 （4）接触流土）接触流土 指在渗流系数相差悬殊的两种土层交界面上，指在渗流系数相差悬殊的两种土层交界面上， 由于渗流垂直于层面流动，将渗流系数较小土层中由于渗流垂