水利工程土石坝与堤防培训讲义

第二章土石坝与堤防第一节概述第二节土石坝剖面设计第三节细部构造与坝体材料第四节渗流分析第五节土石坝稳定分析第六节土石坝的坝基处理第七节堤防与河道整治建筑物第一节概述土石坝是指由土料、石料或土石混合料，采用抛填、碾压等方法堆筑成的挡水坝。由于筑坝材料主要来自坝址区，因而也称为当地材料坝。堤防是沿河岸修建构筑的护岸建筑物，大多数采用土石坝的结构形式，在许多方面土石坝与堤防都存在共性。土石坝历史悠久，是应用最为广泛和最有发展前途的一种坝型。一、土石坝的工作特点和设计要求（一）稳定土石坝失稳的型式，主要是坝坡的滑动或坝坡连同部分坝基一起滑动，影响坝体的正常工作，甚至导致工程失事。为确保土石填筑体的稳定，土石坝断面一般设计成梯形或复合梯形，而且边坡较缓。（二）渗流渗流不仅使水库损失水量，还会使背水面的土体颗粒流失、变形，引起管涌和流土等渗透破坏。防止渗流破坏的原则是“前堵后排”。（三）沉陷由于土石颗粒之间存在较大的孔隙，在外荷载的作用下，易产生移动、错位，细颗粒填充部分孔隙，使坝体产生沉降，也使土体逐步密实、固结。（四）冲刷土石坝为散粒结构，抗冲能力低，受到波浪、雨水和水流作用，会造成冲刷破坏。（五）其他冬季结冰、夏季干裂、地震影响、穴居动物影响等。二、土石坝的类型（一）按坝高分类土石坝按其坝高可分为低坝、中坝和高坝。（二）按施工方法分类1、碾压式土石坝2、水力冲填坝3、定向爆破堆石坝（三）按防渗材料及结构不同1、均质坝2、土质防渗体分区坝3、人工防渗材料坝4、过水土石坝（四）按坝体材料所占比例1、土坝2、土石混合坝3、堆石坝第二节土石坝剖面设计剖面设计是土坝设计的主要内容，包括坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝坡、防渗结构、排水结构及其细部构造。设计步骤：计算坝顶高程，根据具体要求和经验拟定剖面，进行渗流计算，最后进行坝坡稳定分析，根据稳定分析的结果判断坝剖面的合理性。一般需要多次重复以上步骤，直至得到合理的剖面。一、坝顶高高程坝顶高程按按水库静水水位加上防防浪超高来来确定，规规范规定，，按下列运运用条件计计算，取其其大者。（1）设计洪水水位加正常常运用条件件的坝顶超超高。（2）正常蓄水水位加正常常运用条件件的坝顶超超高。（3）校核洪水水位加非常常运用条件件的坝顶超超高。（4）正常蓄水水位加非常常运用条件件的坝顶超超高，再加加地震安全全超高。坝顶超高的的计算公式式如下（二）坝顶顶宽度坝顶宽度主主要满足运运行、施工工、交通和和人防等要要求。（三）坝坡坡同种土质的的坝体，上上游坡要比比下游坡缓缓些。心墙坝上下下游坝壳一一般比均质质坝陡。斜斜墙坝的上上游坝坡较较缓，而下下游坝坡和和心墙坝相相仿。地基条件好好、土料碾碾压密实的的，坝坡可可以陡些，，反之则应应放缓。用黏性土料料做成的坝坝坡，常沿沿高度分成成数段，从从上而下逐逐渐放缓。。砂土和堆堆石可采用用均一坡率率。第三节细细部构造与与坝体材料料一、防渗体体设置防渗设设施的目的的是减少通通过坝体和和坝基的渗渗漏量，降降低浸润线线，以增加加下游坝坡坡的稳定性性；降低渗渗透坡降以以防止渗透透变形。（一）土质质心墙（二）土质质斜墙（三）非土土料防渗体体1、沥青混凝凝土防渗体体2、钢筋混凝凝土防渗体体二、坝体排排水土石坝坝身身排水设施施的主要作作用是：①①降低坝体体浸润线，，防止渗流流逸出处的的渗透变形形，增强坝坝坡的稳定定性；②防防止坝坡受受冰冻破坏坏；③有时时也起降低低孔隙水压压力的作用用。（一）堆石石棱体排水水（二）贴坡坡排水（三）褥垫垫排水（四）组合合式排水三、坝顶及及护坡（一）坝顶顶坝顶一般采采用碎石、、单层砌石石、沥青或或混凝土路路面。如坝坝顶有公路路交通要求求，坝顶结结构应满足足公路交通通路面的有有关规定。。（二）护坡坡护坡的主要要作用是保保护坝坡免免受波浪和和降雨的冲冲刷；防止止坝体的黏黏性土发生生冰结、膨膨胀、收缩缩现象。1、上游护坡坡上游护坡可可采用抛石石、干砌石石、浆砌石石、混凝土土块（板））或沥青混混凝土，其其中以砌块块石护坡最最常用。2、下游护坡坡下游护坡可可采用草皮皮、碎石或或块石等，，其中草皮皮护坡是最最经济的形形式之一。。四、坝体各各部分对土土料的要求求（一）均质质坝均质坝的土土料应具有有一定的抗抗渗性能；；对粒径及及有机质含含量也有一一定的要求求。（二）心墙墙坝和斜墙墙坝的坝壳壳坝壳土石料料主要是为为了保持坝坝体的稳定定性，一般般要求有较较高的强度度。（三）土质质防渗体对防渗性、、水溶盐含含量及有机机质含量有有要求。（四）排水水设施和砌砌石护坡用用石料要求具有较较高抗压强强度，良好好的抗水性性、抗冻性性和抗风化化性的岩石石。五、填筑标标准土石料的填填筑标准是是指土料的的压实程度度及其适宜宜含水量。。（一）黏性性土的填筑筑标准对不含砾或或含少量砾砾的黏性土土料的填筑筑标准应以以压实度和最优含水率率作为设计控控制指标。。设计干密密度应以击击实最大干干密度乘以以压实度求求得。（二）非黏黏性土料的的填筑标准准它的压实程程度一般与与含水量关关系不大，，而与粒径径级配和压压实功能有有密切关系系。压密程程度一般用用相对密度来表示。堆石的填筑筑标准，宜宜以孔隙率为设计控制制指标。第四节渗渗流分析一、渗流分分析的概述述（一）渗流流分析的目目的土石坝的基基本剖面确确定后，需需要通过渗渗流分析检检验坝体及及坝基的安安全性，并并为坝坡稳稳定分析提提供依据。。计算内容容有：坝体体浸润线、、渗流出逸逸点的位置置、渗透流流量和各点点的渗透压压力或渗透透坡降，并并绘制坝体体及坝基内内的等势线线分布图或或流网图等等。（二）计算算工况一般需要计计算的工况况有：①上上游正常蓄蓄水位与下下游相应的的最低水位位；②上游游设计洪水水位与下游游相应的水水位；③上上游校核洪洪水位与下下游相应的的水位；④④库水位降降落时上游游坝坡稳定定最不利的的情况。（三）计算算方法（略略）二、渗流分分析的水力力学法（略略）三、渗流分分析的数值值计算法（（略）四、土石坝坝的渗流变变形及其防防治措施（一）渗透透变形的型型式1、管涌坝体或坝基基中的细土土壤颗粒被被渗流带走走，逐渐形形成渗流通通道的现象象称为管涌涌或机械管管涌。管涌涌一般发生生在坝的下下游坡或闸闸坝的下游游地基面渗渗流逸出处处。没有黏聚力力的无黏性性砂土、砾砾石砂土中中容易发生生管涌。2、流土在渗流作用用下，成块块的土体被被掀起浮动动的现象称称为流土。。主要发生在黏性性土及均匀匀非黏性土土体的渗流流出口处。3、接触冲刷刷当渗流沿两两种不同土土壤的接触触面或建筑筑物与地基基的接触面面流动时，，把其中细细颗粒带走走的现象称称为接触冲冲刷。4、接触管涌涌和接触流流土渗流方向垂垂直于两种种不同土壤壤的接触面面时，可能能把其中一一层的细颗颗粒带到另另一层的粗粗颗粒中去去，称为接接触管涌。。当其中一一层为黏性性土，由于于含水量增增大致使凝凝聚力降低低而成块移移动，甚至至形成剥蚀蚀时，称为为接触流土土。（二）渗透透变形的判判别渗流变形的的判别包括括两个方面面：渗透类类型与发生生条件。（三）防止止发生渗透透变形的措措施防止渗透变变形的工程程措施，一一方面是降降低渗流坡坡降从而减减小渗流速速度和渗流流压力；另另一方面是是增强渗流流逸出处土土体抵抗渗渗透变形的的能力。具体工程措措施有：①①在上游侧侧设置水平平与垂直防防渗体，延延长渗径，，降低渗透透坡降或截截阻渗流；；②在下游游侧设置排排水沟或减减压井，降降低渗流出出口处的渗渗流压力；；③对可能发生生管涌的地地段，需铺铺设反滤层层，拦截可可能被涌流流携带的细细粒；④对对下游可能能发生流土土的地段，，应加盖重重，盖重下下的保护层层也必须按按反滤原则则铺设。第五节土土石坝稳定定分析一、概述土石坝的稳稳定性主要要是指边坡坡稳定问题题。土石坝坝边坡的失失稳形式主主要有滑坡坡、塑性流流动和液化化三种形式式。其中滑滑坡主要有有以下几种种形式。（一）曲线线滑动曲线滑动面面是一个顶顶部稍陡而而底部渐缓缓的曲面，，多发生在在黏性土坝坝坡中。（二）直线线和折线滑滑动面在均质的非非黏性土边边坡中，滑滑动面一般般为直线；；当坝体的的一部分淹淹没在水中中时，滑动动面可能为为折线。在在不同土料料的分界面面，也可能能发生直线线或折线滑滑动。（三）复式式滑动面复式滑动面面是同时具具有黏性土土和非黏性性土的土坝坝中常出现现的滑动面面型式。二、荷载及及其组合和和稳定安全全系数的标标准（一）荷载载及其组合合1、基本荷载载（1）自重。土坝坝体自自重分三种种情况来考考虑，即：：在浸润线线以上的土土体，按湿湿容重计算算；在浸润润线以下、、下游水面面线以上的的土体，按按饱和容重重计算；在在下游水位位以下的土土体，按浮浮容重计算算。（2）渗透力。。是在渗流场场内作用于于土体的体体积力。（3）孔隙压力力。黏性土在外外荷载的作作用下产生生压缩，由由于土体内内的空气和和水一时来来不及排出出，外荷载载便由土粒粒和空隙中中的空气与与水来共同同承担。其其中，由土土粒骨架承承担的应力力称为有效效应力，它它在土体滑滑动时能产产生摩擦力力；由空隙隙中的水和和空气承担担的应力称称为孔隙压压力，它它不能产生生摩擦力。。2、荷载组合合土石坝稳定定分析的荷荷载组合主主要有正常常工作条件件和非常运运用情况。。（1）正常工作作条件。①①水库上游游水位处于于正常蓄水水位和设计计洪水位与与死水位之之间的各种种水位的稳稳定渗流期期。②水库库水位在上上述范围内内经常性的的正常降落落情况。③③抽水蓄能能电站的水水库水位的的经常性变变化和降落落。（2）非常运用用情况。①①施工期。。②校核洪洪水位有可可能形成稳稳定渗流的的情况。③③水库水位位的非常降降落。（二）土石石坝坝坡稳稳定安全系系数标准（（略）三、土石坝坝边坡稳定定计算（略略）第六节土土石坝的坝坝基处理根据土石坝坝地基条件件，地基处处理的目的的大体可归归纳为以下下几个方面面：①改改善地基的的剪切特性性，防止剪剪切破坏，，减少剪切切变形，保保证地基不不发生滑动动；②改善善地基的压压缩性能，，减少不均均匀沉降，，以限制坝坝体裂缝的的发生；③③减少地基基的透水性性，降低扬扬压力和地地下水位，，使地基以以至坝身不不产生渗透透变形，并并把渗流流流量控制在在允许的范范围内；④④改善地基基的动力特特性，防止止液化。一、砂砾石石地基处理理砂砾石地基基的处理，，主要是对对地基的防防渗处理，，通常采取取“上堵下下排”的措措施，“上上堵”包括括水平和铅铅直防渗措措施，“下下排”主要要是排水减减压。（一）垂直直防渗设施施垂直防渗是是解决坝基基渗流问题题效果最好好的措施。。垂直防渗渗的效果相相当于水平平防渗效果果的3倍。因此在在土石坝的的防渗措施施中，应优优先选择垂垂直防渗措措施。垂直防渗措措施主要有有：黏性土土截水槽、、混凝土防防渗墙、灌灌浆帷幕、、板桩等。。（二）水平平防渗设施施防渗铺盖是是由黏性土土做成的水水平防渗设设施，是斜斜墙、心墙墙或均质坝坝体向上游游延伸的部部分。当采采用垂直防防渗有困难难或不经济济时，可考考虑采用铺铺盖防渗。。（三三））排排水水减减压压措措施施常用用的的排排水水减减压压设设施施有有排排水水沟沟和和排排水水减减压压井井。。二、、细细砂砂、、软软黏黏土土和和湿湿陷陷性性黄黄土土地地基基处处理理第七七节节堤堤防防与与河河道道整整治治建建筑筑物物一、、堤堤防防工工程程堤防防是是沿沿河河流流、、湖湖泊泊、、海海洋洋的的岸岸边边或或蓄蓄滞滞洪洪区区、、水水库库库库区区的的周周边边修修筑筑的的挡挡水水建建筑筑物物，，其其作作用用是是抵抵挡挡河河道道洪洪水水、、海海潮潮，，保保护护两两岸岸或或海海岸岸不不受受洪洪水水（（海海潮潮））威威胁胁。。同同时时，，堤堤防防也也影影响响岸岸区区雨雨洪洪的的排排泄泄，，因因此此，，必必须须设设置置穿穿堤堤排排水水建建筑筑物物———水闸闸和和泵泵站站。。（一一））堤堤防防的的类类型型和和作作用用（1）堤堤防防按按其其所所在在位位置置不不同同，，可可分分为为湖湖堤堤、、河河堤堤、、海海堤堤、、围围堤堤和和水水库库中中堤堤防防五五种种。。（2）河河堤堤按按其其所所在在位位置置和和重重要要性性，，又又分分为为干干堤堤、、支支堤堤和和民民堤堤。。（3）在在黄黄河河上上，，河河堤堤常常分分为为遥遥堤堤、、缕缕堤堤、、格格堤堤、、越越堤堤和和月月堤堤五五种种。。（二二））堤堤线线布布置置及及堤堤型型选选择择1、堤堤线线布布置置2、堤堤型型选选择择二、、河河道道整整治治工工程程河流流无无论论在在自自然然状状态态下下或或在在人人类类活活动动影影响响下下，，由由于于可可动动的的边边界界条条件件和和不不恒恒定定的的来来水水来来沙沙条条件件，，总总是是处处于于不不断断的的变变化化过过程程之之中中，，这这种种变变化化在在许许多多情情况况下下可可能能会会产产生生巨巨大大的的破破坏坏作作用用，，而而必必须须采采取取工工程程措措施施加加以以控控制制，，这这类类工工程程措措施施即即是是治治河河工工程程，，或或称称为为河河道道整整治治工工程程。。（一一））河河道道治治理理的的基基本本要要求求（二二））河河道道整整治治设设计计标标准准1、设设计计流流量量和和设设计计水水位位针对对洪洪水水、、中中水水、、枯枯水水河河槽槽的的整整治治，，应应有有各各自自相相应应的的特特征征流流量量和和水水位位，，作作为为设设计计的的基基本本依依据据。。2、整整治治线线又称称为为治治导导线线，，是是河河道道经经过过整整治治后后，，在在设设计计流流量量下下的的