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、坝顶顶高程坝顶高程程按水库库静水位位加上防防浪超高高来确定定，规范范规定，，按下列列运用条条件计算算，取其其大者。。（1）设计洪洪水位加加正常运运用条件件的坝顶顶超高。。（2）正常蓄蓄水位加加正常运运用条件件的坝顶顶超高。。（3）校核洪洪水位加加非常运运用条件件的坝顶顶超高。。（4）正常蓄蓄水位加加非常运运用条件件的坝顶顶超高，，再加地地震安全全超高。。坝顶超高高的计算算公式如如下（二）坝坝顶宽度度坝顶宽度度主要满满足运行行、施工工、交通通和人防防等要求求。（三）坝坝坡同种土质质的坝体体，上游游坡要比比下游坡坡缓些。。心墙坝上上下游坝坝壳一般般比均质质坝陡。。斜墙坝坝的上游游坝坡较较缓，而而下游坝坝坡和心心墙坝相相仿。地基条件件好、土土料碾压压密实的的，坝坡坡可以陡陡些，反反之则应应放缓。。用黏性土土料做成成的坝坡坡，常沿沿高度分分成数段段，从上上而下逐逐渐放缓缓。砂土土和堆石石可采用用均一坡坡率。第三节细细部构构造与坝坝体材料料一、防渗渗体设置防渗渗设施的的目的是是减少通通过坝体体和坝基基的渗漏漏量，降降低浸润润线，以以增加下下游坝坡坡的稳定定性；降降低渗透透坡降以以防止渗渗透变形形。（一）土土质心墙墙（二）土土质斜墙墙（三）非非土料防防渗体1、沥青混混凝土防防渗体2、钢筋混混凝土防防渗体二、坝体体排水土石坝坝坝身排水水设施的的主要作作用是：：①降低低坝体浸浸润线，，防止渗渗流逸出出处的渗渗透变形形，增强强坝坡的的稳定性性；②防防止坝坡坡受冰冻冻破坏；；③有时时也起降降低孔隙隙水压力力的作用用。（一）堆堆石棱体体排水（二）贴贴坡排水水（三）褥褥垫排水水（四）组组合式排排水三、坝顶顶及护坡坡（一）坝坝顶坝顶一般般采用碎碎石、单单层砌石石、沥青青或混凝凝土路面面。如坝坝顶有公公路交通通要求，，坝顶结结构应满满足公路路交通路路面的有有关规定定。（二）护护坡护坡的主主要作用用是保护护坝坡免免受波浪浪和降雨雨的冲刷刷；防止止坝体的的黏性土土发生冰冰结、膨膨胀、收收缩现象象。1、上游护护坡上游护坡坡可采用用抛石、、干砌石石、浆砌砌石、混混凝土块块（板））或沥青青混凝土土，其中中以砌块块石护坡坡最常用用。2、下游护护坡下游护坡坡可采用用草皮、、碎石或或块石等等，其中中草皮护护坡是最最经济的的形式之之一。四、坝体体各部分分对土料料的要求求（一）均均质坝均质坝的的土料应应具有一一定的抗抗渗性能能；对粒粒径及有有机质含含量也有有一定的的要求。。（二）心心墙坝和和斜墙坝坝的坝壳壳坝壳土石石料主要要是为了了保持坝坝体的稳稳定性，，一般要要求有较较高的强强度。（三）土土质防渗渗体对防渗性性、水溶溶盐含量量及有机机质含量量有要求求。（四）排排水设施施和砌石石护坡用用石料要求具有有较高抗抗压强度度，良好好的抗水水性、抗抗冻性和和抗风化化性的岩岩石。五、填筑筑标准土石料的的填筑标标准是指指土料的的压实程程度及其其适宜含含水量。。（一）黏黏性土的的填筑标标准对不含砾砾或含少少量砾的的黏性土土料的填填筑标准准应以压实度和最优含水水率作为设计计控制指指标。设设计干密密度应以以击实最最大干密密度乘以以压实度度求得。。（二）非非黏性土土料的填填筑标准准它的压实实程度一一般与含含水量关关系不大大，而与与粒径级级配和压压实功能能有密切切关系。。压密程程度一般般用相对密度度来表示。。堆石的填填筑标准准，宜以以孔隙率为设计控控制指标标。第四节渗渗流分分析一、渗流流分析的的概述（一）渗流分分析的目的土石坝的基本本剖面确定后后，需要通过过渗流分析检检验坝体及坝坝基的安全性性，并为坝坡坡稳定分析提提供依据。计计算内容有：：坝体浸润线线、渗流出逸逸点的位置、、渗透流量和和各点的渗透透压力或渗透透坡降，并绘绘制坝体及坝坝基内的等势势线分布图或或流网图等。。（二）计算工工况一般需要计算算的工况有：：①上游正常常蓄水位与下下游相应的最最低水位；②②上游设计洪洪水位与下游游相应的水位位；③上游校校核洪水位与与下游相应的的水位；④库库水位降落时时上游坝坡稳稳定最不利的的情况。（三）计算方方法（略）二、渗流分析析的水力学法法（略）三、渗流分析析的数值计算算法（略）四、土石坝的的渗流变形及及其防治措施施（一）渗透变变形的型式1、管涌坝体或坝基中中的细土壤颗颗粒被渗流带带走，逐渐形形成渗流通道道的现象称为为管涌或机械械管涌。管涌涌一般发生在在坝的下游坡坡或闸坝的下下游地基面渗渗流逸出处。。没有黏聚力的的无黏性砂土土、砾石砂土土中容易发生生管涌。2、流土在渗流作用下下，成块的土土体被掀起浮浮动的现象称称为流土。主主要发生在黏性土土及均匀非黏黏性土体的渗渗流出口处。3、接触冲刷当渗流沿两种种不同土壤的的接触面或建建筑物与地基基的接触面流流动时，把其其中细颗粒带带走的现象称称为接触冲刷刷。4、接触管涌和和接触流土渗流方向垂直直于两种不同同土壤的接触触面时，可能能把其中一层层的细颗粒带带到另一层的的粗颗粒中去去，称为接触触管涌。当其其中一层为黏黏性土，由于于含水量增大大致使凝聚力力降低而成块块移动，甚至至形成剥蚀时时，称为接触触流土。（二）渗透变变形的判别渗流变形的判判别包括两个个方面：渗透透类型与发生生条件。（三）防止发发生渗透变形形的措施防止渗透变形形的工程措施施，一方面是是降低渗流坡坡降从而减小小渗流速度和和渗流压力；；另一方面是是增强渗流逸逸出处土体抵抵抗渗透变形形的能力。具体工程措施施有：①在上上游侧设置水水平与垂直防防渗体，延长长渗径，降低低渗透坡降或或截阻渗流；；②在下游侧侧设置排水沟沟或减压井，，降低渗流出出口处的渗流流压力；③对可能发生管管涌的地段，，需铺设反滤滤层，拦截可可能被涌流携携带的细粒；；④对下游可可能发生流土土的地段，应应加盖重，盖盖重下的保护护层也必须按按反滤原则铺铺设。第五节土石石坝稳定分析析一、概述土石坝的稳定定性主要是指指边坡稳定问问题。土石坝坝边坡的失稳稳形式主要有有滑坡、塑性性流动和液化化三种形式。。其中滑坡主主要有以下几几种形式。（一）曲线滑滑动曲线滑动面是是一个顶部稍稍陡而底部渐渐缓的曲面，，多发生在黏黏性土坝坡中中。（二）直线和和折线滑动面面在均质的非黏黏性土边坡中中，滑动面一一般为直线；；当坝体的一一部分淹没在在水中时，滑滑动面可能为为折线。在不不同土料的分分界面，也可可能发生直线线或折线滑动动。（三）复式滑滑动面复式滑动面是是同时具有黏黏性土和非黏黏性土的土坝坝中常出现的的滑动面型式式。二、荷载及其其组合和稳定定安全系数的的标准（一）荷载及及其组合1、基本荷载（1）自重。土坝坝体自重重分三种情况况来考虑，即即：在浸润线线以上的土体体，按湿容重重计算；在浸浸润线以下、、下游水面线线以上的土体体，按饱和容容重计算；在在下游水位以以下的土体，，按浮容重计计算。（2）渗透力。是在渗流场内内作用于土体体的体积力。。（3）孔隙压力。。黏性土在外荷荷载的作用下下产生压缩，，由于土体内内的空气和水水一时来不及及排出，外荷荷载便由土粒粒和空隙中的的空气与水来来共同承担。。其中，由土土粒骨架承担担的应力称为为有效应力，，它在土体滑滑动时能产生生摩擦力；由由空隙中的水水和空气承担担的应力称为为孔隙压力，，它不能产产生摩擦力。。2、荷载组合土石坝稳定分分析的荷载组组合主要有正正常工作条件件和非常运用用情况。（1）正常工作条条件。①水库库上游水位处处于正常蓄水水位和设计洪洪水位与死水水位之间的各各种水位的稳稳定渗流期。。②水库水位位在上述范围围内经常性的的正常降落情情况。③抽水水蓄能电站的的水库水位的的经常性变化化和降落。（2）非常运用情情况。①施工工期。②校核核洪水位有可可能形成稳定定渗流的情况况。③水库水水位的非常降降落。（二）土石坝坝坝坡稳定安安全系数标准准（略）三、土石坝边边坡稳定计算算（略）第六节土石石坝的坝基处处理根据土石坝地地基条件，地地基处理的目目的大体可归归纳为以下几几个方面：①①改善地基基的剪切特性性，防止剪切切破坏，减少少剪切变形，，保证地基不不发生滑动；；②改善地基基的压缩性能能，减少不均均匀沉降，以以限制坝体裂裂缝的发生；；③减少地基基的透水性，，降低扬压力力和地下水位位，使地基以以至坝身不产产生渗透变形形，并把渗流流流量控制在在允许的范围围内；④改善善地基的动力力特性，防止止液化。一、砂砂砾石石地基基处理理砂砾石石地基基的处处理，，主要要是对对地基基的防防渗处处理，，通常常采取取“上上堵下下排””的措措施，，“上上堵””包括括水平平和铅铅直防防渗措措施，，“下下排””主要要是排排水减减压。。（一））垂直直防渗渗设施施垂直防防渗是是解决决坝基基渗流流问题题效果果最好好的措措施。。垂直直防渗渗的效效果相相当于于水平平防渗渗效果果的3倍。因因此在在土石石坝的的防渗渗措施施中，，应优优先选选择垂垂直防防渗措措施。。垂直防防渗措措施主主要有有：黏黏性土土截水水槽、、混凝凝土防防渗墙墙、灌灌浆帷帷幕、、板桩桩等。。（二））水平平防渗渗设施施防渗铺铺盖是是由黏黏性土土做成成的水水平防防渗设设施，，是斜斜墙、、心墙墙或均均质坝坝体向向上游游延伸伸的部部分。。当采采用垂垂直防防渗有有困难难或不不经济济时，，可考考虑采采用铺铺盖防防渗。。（三））排水水减压压措施施常用的的排水水减压压设施施有排排水沟沟和排排水减减压井井。二、细细砂、、软黏黏土和和湿陷陷性黄黄土地地基处处理第七节节堤堤防与与河道道整治治建筑筑物一、堤堤防工工程堤防是是沿河河流、、湖泊泊、海海洋的的岸边边或蓄蓄滞洪洪区、、水库库库区区的周周边修修筑的的挡水水建筑筑物，，其作作用是是抵挡挡河道道洪水水、海海潮，，保护护两岸岸或海海岸不不受洪洪水（（海潮潮）威威胁。。同时时，堤堤防也也影响响岸区区雨洪洪的排排泄，，因此此，必必须设设置穿穿堤排排水建建筑物物——水闸和和泵站站。（一））堤防防的类类型和和作用用（1）堤防防按其其所在在位置置不同同，可可分为为湖堤堤、河河堤、、海堤堤、围围堤和和水库库中堤堤防五五种。。（2）河堤堤按其其所在在位置置和重重要性性，又又分为为干堤堤、支支堤和和民堤堤。（3）在黄黄河上上，河河堤常常分为为遥堤堤、缕缕堤、、格堤堤、越越堤和和月堤堤五种种。（二））堤线线布置置及堤堤型选选择1、堤线线布置置2、堤型型选择择二、河河道整整治工工程河流无无论在在自然然状态态下或或在人人类活活动影影响下下，由由于可可动的的边界界条件件和不不恒定定的来来水来来沙条条件，，总是是处于于不断断的变变化过过程之之中，，这种种变化化在许许多情情况下下可能能会产产生巨巨大的的破坏坏作用用，而而必须须采取取工程程措施施加以以控制制，这这类工工程措措施即即是治治河工工程，，或称称为河河道整