水工建筑物土石坝.ppt

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1、土石坝土石坝土土 石石 坝坝 (earth and rockfill dam)(earth and rockfill dam)土石坝土石坝一一 概述概述一、一、土石坝及其优缺土石坝及其优缺土石坝土石坝是土坝与堆石坝的总称。是土坝与堆石坝的总称。利用坝址附近的土石料填筑而成的挡水建筑物。又称利用坝址附近的土石料填筑而成的挡水建筑物。又称 “当地材料坝当地材料坝”。1001003623536235 总总 计计1.41.4489 489 支墩坝支墩坝4.44.41592 1592 拱拱 坝坝11.511.54180 4180 重力坝重力坝82.782.729974 29974 土石坝土石坝%已建坝数

2、量已建坝数量 坝坝 型型 土石坝土石坝世界土石坝按国家或地区分类统计图世界土石坝按国家或地区分类统计图 土石坝土石坝世界最高的土石坝：世界最高的土石坝：罗贡坝罗贡坝(335m(335m，塔吉克斯坦，塔吉克斯坦)中国最高的土石坝：中国最高的土石坝：小浪底小浪底(154m)(154m)（中国建成的最高面板堆石坝，清江水布垭，（中国建成的最高面板堆石坝，清江水布垭，233m233m）小浪底土石坝土石坝土石坝-5-结构特点：结构特点：散粒体结构，稳定靠土体的抗剪强度来控制；散粒体结构，稳定靠土体的抗剪强度来控制；只会出现局部滑动而失稳，不会出现整体滑动失稳或倾只会出现局部滑动而失稳，不会出现整体滑动失

3、稳或倾覆失稳问题；覆失稳问题；坡度大，断面大，体积大。坡度大，断面大，体积大。土石坝土石坝优点：优点：1 1 筑坝材料就地取材，造价低；筑坝材料就地取材，造价低；2 2 适应地基变形能力强；适应地基变形能力强；3 3 施工方法灵活，技术简单；施工方法灵活，技术简单；4 4 结构简单，工作可靠，维护方便。结构简单，工作可靠，维护方便。土石坝土石坝缺点：缺点：1 1 坝顶不能溢流；坝顶不能溢流；2 2 施工导流不如混凝土施工导流不如混凝土坝方便；坝方便；3 3 粘土防渗体施工受气粘土防渗体施工受气候影响。候影响。土石坝土石坝二、二、土石坝的类型土石坝的类型按施工方法分：按施工方法分：（1 1）碾压

4、式土石坝应用最多）碾压式土石坝应用最多（2 2）抛填式堆石坝）抛填式堆石坝（3 3）定向爆破堆石坝）定向爆破堆石坝（4 4）水中填土坝）水中填土坝广东南水定向爆破堆石坝广东南水定向爆破堆石坝(81.3m)土石坝土石坝按土石料在坝体中的配置及防渗设施位置和材料分：按土石料在坝体中的配置及防渗设施位置和材料分：（1 1）均质坝）均质坝 绝大部分由一种土料组成绝大部分由一种土料组成（2 2）分区坝）分区坝 由不同渗透特性的料区组成由不同渗透特性的料区组成土石坝土石坝分区坝：分区坝：心墙坝心墙坝 把防渗体放在坝体中部，断面比均质坝小。把防渗体放在坝体中部，断面比均质坝小。斜墙坝斜墙坝 把防渗体放在靠近

5、上游坝面处，有效降低坝体浸润把防渗体放在靠近上游坝面处，有效降低坝体浸润线，但适应地基变形的能力比心墙坝差。易产生纵向裂线，但适应地基变形的能力比心墙坝差。易产生纵向裂缝，抗震性能不如心墙坝。缝，抗震性能不如心墙坝。土石混合坝土石混合坝 土石各占相当比例；越靠近防渗体，土料性能越接土石各占相当比例；越靠近防渗体，土料性能越接近防渗体。近防渗体。土石坝土石坝土质材料心墙坝土质材料心墙坝 人工材料心墙人工材料心墙坝坝土石坝土石坝土质材料斜墙坝土质材料斜墙坝 人工材料斜墙人工材料斜墙坝坝土石坝土石坝斜斜 心心 墙墙 坝坝土石坝土石坝-14-岳城土坝以礼河毛家村水电站（云南会泽，以礼河）主坝坝型为粘土

6、心墙土石坝，最大坝高80.5m，坝顶长度467m，主要泄洪方式为隧洞。以礼河土石坝岳城水库（河北磁县，漳河）主坝坝型为均质土坝，最大坝高53m，坝顶长度3570m。主要泄洪方式岸边溢洪道，大坝特点是坝下泄洪洞（涵管）。土石坝土石坝小浪底土石坝土石坝土石坝小浪底土石坝土石坝土石坝各种坝型的优缺点各种坝型的优缺点（1 1）均质坝与分区坝比较）均质坝与分区坝比较 均质坝：均质坝：施工简单，适合于低坝施工简单，适合于低坝;分区坝：分区坝：兼用粘性土与无粘性土的优点，用于高坝能节兼用粘性土与无粘性土的优点，用于高坝能节省工程量，缩短工期，但构造和施工比均质坝复杂。省工程量，缩短工期，但构造和施工比均质坝

7、复杂。土石坝土石坝（2 2）心墙坝、斜墙坝、斜心墙坝比较）心墙坝、斜墙坝、斜心墙坝比较 心墙坝心墙坝 优点：由坝身沉降导致的防渗体裂缝可能性较小，心优点：由坝身沉降导致的防渗体裂缝可能性较小，心墙与坝基及两岸防渗结合好。墙与坝基及两岸防渗结合好。缺点：心墙与坝体需同步施工，相互干扰。缺点：心墙与坝体需同步施工，相互干扰。斜墙坝斜墙坝 优缺点与心墙坝相反。优缺点与心墙坝相反。斜心墙坝斜心墙坝 综合心墙坝和斜墙坝的优点，克服心墙坝可能产生的综合心墙坝和斜墙坝的优点，克服心墙坝可能产生的拱效应和斜墙坝对变形敏感，对改善坝体应力状态、拱效应和斜墙坝对变形敏感，对改善坝体应力状态、避免裂缝有利。避免裂缝

8、有利。土石坝土石坝代表性的工程：代表性的工程：u淮河上游河南省境内的石漫滩、板桥、白沙、薄山、淮河上游河南省境内的石漫滩、板桥、白沙、薄山、南湾等水库大坝；南湾等水库大坝；u北方有永定河上的官厅水库，辽宁浑河上的大伙房北方有永定河上的官厅水库，辽宁浑河上的大伙房水库大坝等。水库大坝等。唯一的一座堆石坝是狮子滩工程（钢筋混凝土斜墙坝）。唯一的一座堆石坝是狮子滩工程（钢筋混凝土斜墙坝）。土石坝土石坝代表性工程：代表性工程：u均质土坝：均质土坝：松涛水库大坝（海南，松涛水库大坝（海南，80.1m80.1m）、岳城水）、岳城水库大坝（河北，库大坝（河北，53m53m）等；）等；u心墙坝：心墙坝：碧口水

9、电站大坝（甘肃，碧口水电站大坝（甘肃，101.8m101.8m），毛家），毛家村水电站大坝（云南，村水电站大坝（云南，82.5m82.5m）等；）等；u斜墙坝：斜墙坝：密云水库白河主坝（北京，密云水库白河主坝（北京，66.4m66.4m）等；）等；u定向爆破坝：定向爆破坝：南水水电站大坝（广东，南水水电站大坝（广东，80.2m80.2m），石），石砭峪水库大坝（陕西，砭峪水库大坝（陕西，82.5m82.5m）等。）等。土石坝土石坝最具代表性的工程：u天生桥一级水电站的混凝土面板堆石坝(178m)u黄河小浪底水利枢纽的土质斜心墙堆石坝(154m)天生桥一级小浪底土石坝土石坝大型土石坝大型土石坝枢

10、纽名称枢纽名称省份省份河流河流坝型坝型最大坝高（最大坝高（m m）糯扎渡糯扎渡 云南云南澜沧江澜沧江 心墙堆石坝心墙堆石坝258 258 瀑布沟瀑布沟 四川四川大渡河大渡河心墙堆石坝心墙堆石坝186186（20092009）苗家坝苗家坝 甘肃甘肃白龙江白龙江面板堆石坝面板堆石坝111111三板溪三板溪 贵州贵州清水江清水江面板堆石坝面板堆石坝185.5 185.5（20062006）洪家渡洪家渡 贵州贵州六冲河六冲河面板堆石坝面板堆石坝179.5 179.5（20042004）水布垭水布垭面板堆石坝面板堆石坝（20092009，233m 233m）土石坝土石坝-23-四、四、土石坝的工作特点和

11、设计要求土石坝的工作特点和设计要求散粒体结构，导致以下问题：散粒体结构，导致以下问题：（1 1）稳定问题）稳定问题（2 2）渗流问题）渗流问题（3 3）沉降问题）沉降问题（4 4）冲刷问题）冲刷问题（5 5）冻害、冰害、地震等）冻害、冰害、地震等土石坝土石坝（1 1）稳定问题）稳定问题坝体为散粒结构，抗剪强度低，易滑动。坝体为散粒结构，抗剪强度低，易滑动。土石坝的失稳一般是坝坡滑动或坝坡连同地基一起滑土石坝的失稳一般是坝坡滑动或坝坡连同地基一起滑动的剪切破坏（特有）。动的剪切破坏（特有）。设计要求：应保证在施工期和各种可能的工作条件下都设计要求：应保证在施工期和各种可能的工作条件下都是稳定的。

12、是稳定的。土石坝土石坝（2 2）渗流问题）渗流问题散粒体结构，在上下游水位差作用下经坝体和地基向下散粒体结构，在上下游水位差作用下经坝体和地基向下游渗透，产生渗透压力和渗透变形，严重时会导致坝体游渗透，产生渗透压力和渗透变形，严重时会导致坝体失事。失事。土石坝土石坝-26-1 1）浸润面）浸润面渗透水流穿过坝体，在土体中形成的自由面称浸润面。渗透水流穿过坝体，在土体中形成的自由面称浸润面。2 2）浸润线）浸润线土石坝横断面和浸润面的交线称浸润线。土石坝横断面和浸润面的交线称浸润线。土石坝土石坝-27-3 3）饱和区、湿区、干区）饱和区、湿区、干区饱和区：土体受上浮力和渗透水压力，在荷载作用下饱

13、和区：土体受上浮力和渗透水压力，在荷载作用下可能滑动倒塌。可能滑动倒塌。湿区：毛细水，处于变化中。湿区：毛细水，处于变化中。干区：干燥，可能出现裂缝。干区：干燥，可能出现裂缝。土石坝土石坝-28-4 4）渗流的主要危害）渗流的主要危害 渗漏；渗漏；减减轻轻土土体体有有效效重重力力，降降低低摩摩擦擦角角及及凝凝聚聚力力，渗透动水压力，增加滑坡的可能；渗透动水压力，增加滑坡的可能；渗渗透透变变形形：土土石石坝坝及及地地基基中中的的渗渗流流，由由于于物物理理和和化化学学作作用用，土土体体颗颗粒粒流流失失，导导致致土土壤壤发发生生局局部部破破坏，称为坏，称为渗透变形渗透变形。5 5）常见渗透变形的型式

14、）常见渗透变形的型式 管涌、流土；管涌、流土；接触流失、接触冲刷等。接触流失、接触冲刷等。土石坝土石坝-29-管管涌涌：坝坝体体或或地地基基中中的的土土壤壤细细颗颗粒粒被被渗渗透透水水流流带带走走，并并逐逐步步形形成成渗渗流流通通道道的的现现象象。在在缺缺乏乏中中间间粒粒径径的的非非粘粘性性土土中极易发生。中极易发生。流流土土：渗渗透透坡坡降降足足够够大大时时，渗渗流流出出逸逸处处的的土土体体被被掀掀动动浮浮起起的的现现象象。它它主主要要发发生生在在粘粘性性土土及及均均匀匀非非粘粘性性土土体体的的渗渗流出口处。流出口处。土石坝土石坝-30-接接触触流流失失：渗渗流流垂垂直直于于渗渗透透系系数数

15、相相差差较较大大的的接接触触面面流流动动时时，将将渗渗透透系系数数较较小小土土层层中中的的细细颗颗粒粒带带入入渗渗透透系系数数较较大大的另一土层。的另一土层。接接触触冲冲刷刷：当当渗渗流流沿沿粗粗细细两两种种土土层层的的接接触触面面或或建建筑筑物物与与地基的接触面流动时，沿层面带走细颗粒的现象。地基的接触面流动时，沿层面带走细颗粒的现象。土石坝土石坝设计要求：按设计要求：按“上堵下排上堵下排”的的原则采取有效防渗、排水的的原则采取有效防渗、排水措施。措施。土石坝土石坝-32-（3 3）沉降问题）沉降问题土土粒粒间间存存在在孔孔隙隙，土土体体颗颗粒粒之之间间易易产产生生相相对对位位移移，在在坝坝

16、体自重和水压力作用下，土石坝会有明显的沉降变形。体自重和水压力作用下，土石坝会有明显的沉降变形。危害：危害：引起挡水高度不足；引起挡水高度不足；不均匀沉降使坝体开裂，威胁坝安全。不均匀沉降使坝体开裂，威胁坝安全。设计要求：设计要求：确定坝顶高程时考虑所有可能的沉降；确定坝顶高程时考虑所有可能的沉降；可能产生不均匀沉降的结构部位提出措施。可能产生不均匀沉降的结构部位提出措施。土石坝土石坝-33-（4 4）冲刷问题）冲刷问题土土颗颗粒粒间间的的凝凝聚聚力力很很小小，其其抗抗冲冲能能力力很很低低。当当洪洪水水漫漫过过坝坝顶顶时时，水水流流必必然然会会携携带带土土粒粒流流失失，从从而而引引起起坝体局部

17、破坏或整体溃决。坝体局部破坏或整体溃决。例例如如，19751975年年8 8月月，我我国国淮淮河河上上游游两两座座土土坝坝，因因溢溢洪洪道泄洪能力不足发生洪水漫顶而溃坝。道泄洪能力不足发生洪水漫顶而溃坝。由由于于波波浪浪的的作作用用，必必然然导导致致坡坡面面土土料料的的流流失失和和坍坍塌，削弱坝体剖面尺寸，对坝体稳定不利。塌，削弱坝体剖面尺寸，对坝体稳定不利。设计要求设计要求：坝顶应有足够的超高，不允许漫顶；坝顶应有足够的超高，不允许漫顶；上上下下游游坝坝面面和和坝坝顶顶需需采采取取保保护护措措施施，保保证证坝坝体安全。体安全。土石坝土石坝-34-（5 5）其他问题）其他问题 冰压力冰压力 冬

18、天冻融，夏天干裂冬天冻融，夏天干裂 动物破坏动物破坏 地震，粉砂地基的振动液化地震，粉砂地基的振动液化设计要求设计要求：对上下游坝坡和坝顶采取有效防护措施，设计：对上下游坝坡和坝顶采取有效防护措施，设计出良好的护坡及坝顶结构；控制粉砂密实度，防止液化。出良好的护坡及坝顶结构；控制粉砂密实度，防止液化。土石坝土石坝206206座土石坝事故原因分析座土石坝事故原因分析破坏原因破坏原因占总溃坝的比例占总溃坝的比例洪水漫顶洪水漫顶30%30%渗透破坏渗透破坏38%38%滑滑 坡坡15%15%护护 坡坡5%5%其其 它它7%7%原因不明原因不明5%5%土石坝土石坝二二 土石坝的剖面设计和构造土石坝的剖面

19、设计和构造一、土石坝剖面的基本尺寸一、土石坝剖面的基本尺寸二、坝体防渗设施二、坝体防渗设施三、坝体排水设备三、坝体排水设备四、护坡和坝顶构造四、护坡和坝顶构造土石坝土石坝一、土石坝剖面的基本尺寸一、土石坝剖面的基本尺寸基本剖面：基本剖面：是梯形，应满足挡水、边坡稳定和防渗要求。是梯形，应满足挡水、边坡稳定和防渗要求。主要构造：主要构造：包括：包括：坝身、防渗体、排水设施、护坡。坝身、防渗体、排水设施、护坡。基本尺寸：基本尺寸：坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝面坡度、防渗和排坝顶高程、坝顶宽度、上下游坝面坡度、防渗和排水设施的轮廓尺寸。水设施的轮廓尺寸。土石坝土石坝坝顶高程在静水位以上应有足够的超高

20、，超高值按下式计算：1 1、坝顶高程、坝顶高程R波浪爬高；e风雍高度；A安全加高土石坝土石坝2 2、坝顶宽度、坝顶宽度根据坝高、构造施工、交通和防汛抢险要求确定。如无特殊要求，中低坝顶宽可为5-10m，高坝可为10-15m。满足心墙或斜墙顶部及反滤层布置厚度要求。3 3、坝坡、坝坡影响坝坡的主要因素：坝型、坝高、筑坝材料的性质、地质条件及地震等。土石坝土石坝坝型心墙坝上游坡一般比同等条件下的斜墙坝陡，下游坡则相反。坝高坝高超过10-30m时，可从上到下分级放缓，变坡处设马道。每隔15-20m变坡一次。地质条件地质条件较差时，坡度应缓些。当上、下游坡为同一种土料时，上游坡应比下游坡缓。土石坝土石

21、坝41 土石坝坝体防渗设施根据材料可分为：1、人工材料防渗体：沥青砼，钢筋砼2、土质防渗体土质心墙土质斜墙斜心墙粘土铺盖 二、坝体防渗设施二、坝体防渗设施土石坝土石坝42土石坝土石坝土质心墙：位置：位于坝体中央或稍偏上游；材料：透水性很小的粘土或壤土；厚度：自上而下逐渐加厚，底部厚度不宜小于水头的1/4，顶部的水平宽度不宜小于3m；高程：顶部在静水位以上的超高，在正常运用情况下不小于，非常运用情况下不得低于非常运用的静水位；预留竣工后沉降超高。坡度：1：0.15-1:0.3土石坝土石坝土质心墙施工时应注意：顶部应设砂性土保护层，防冰冻；施工时心墙的上升高度一般略高于坝壳，在铺筑时，心墙上下游应

22、留有余量，待两侧削坡后再填筑过渡层及坝体；心墙与上下游坝体之间应设过渡层起过渡、反滤及排水作用。土石坝土石坝土石坝土石坝(2)土质斜墙：位置：位于坝体上游面；材料：厚度：指垂直于斜墙上游面的厚度；高程：顶部在静水位以上的超高，在正常运用情况下不小于，非常运用情况下不得低于非常运用的静水位；预留竣工后沉降超高。坡度：外坡根据稳定计算决定，内坡视坝体材料及施工情况决定，若坝体为砂砾石，内坡一般不陡于1：2土石坝土石坝土质斜墙施工时应注意：上游应设保护层，防冰冻，应分层碾压；施工时坝体施工不受斜墙限制，可先行施工；斜墙与下游坝体之间应按反滤要求设置垫层。土石坝土石坝(3)斜心墙：位置：心墙略向上游倾

23、斜；材料：（同上）厚度：（同上）坡度：斜心墙向上游倾斜的坡度为时较好。土石坝土石坝(4)粘土铺盖：位置：与斜墙相连；材料：透水性很小的粘土或壤土；厚度：由构造及施工要求决定；长度：一般为水头的4-6倍。土石坝土石坝1、主要作用：降低浸润线和孔隙压力，改变渗流方向，有利于下游坝坡稳定并防止渗透变形，保护坝坡。2、影响因素：坝型、地基条件、下游水位、气候、材料及施工条件。3、组成：由砾石、块石或排水管做成的排水体和由数层粒径沿渗流方向逐渐增大的砂砾料做成的反滤层两部分组成。三、坝体排水设备三、坝体排水设备土石坝土石坝常见形式：贴坡排水 棱体排水 褥垫排水 混合排水 土石坝土石坝贴坡排水 又称表层排

24、水。设置在下游坝坡底 部，由13层堆石或砌石构成，在石块与坝坡之间应设反滤层。特点：形式简单，省料且易检修，可防止渗透破坏。因未伸入坝体，不能降低浸润线，且防冻性较差。适用：中小型且下游无水的均质坝及防渗体浸润线较低的中等高度的土坝。土石坝土石坝棱体排水 在下游坝脚处用块石堆成棱体，需设反滤层。特点：可降低浸润线，防止坝坡冻胀和渗透变形，保护下游坝脚不受尾水淘刷且有支持坝体增加其稳定的作用，是一种可靠的排水型式，但石料用量大，费用高，检修困难。适用：较高的土坝及石料较多的地区。土石坝土石坝褥垫排水 用块石、砾石平铺在靠下游侧的坝基上，并在其周围布置反滤层而构成的水平排水体，伸入坝体长度1/31

25、/4坝底宽。特点：下游无水时，能有效降低浸润线，有助于坝基排水，但对不均匀沉降的适应性较差，当下游水位高于排水设备时，降低浸润线的效果明显降低，我国应用较少。适用:下游无水或水位较低的情况.土石坝土石坝混合排水混合排水 将上述几种排水综合使用。将上述几种排水综合使用。土石坝土石坝反滤层反滤层:设在渗透坡降较大设在渗透坡降较大,流速较高流速较高,土壤易于变形的土壤易于变形的渗流出口处或进入排水处渗流出口处或进入排水处.作用作用:防止土体在渗流作用下发生渗透变形防止土体在渗流作用下发生渗透变形.组成组成:二至三层粒径不同的砂、石料铺筑而成，层面与二至三层粒径不同的砂、石料铺筑而成，层面与渗流方向尽量垂直，小粒径渗流方向尽量垂直，小粒径 大粒径。大粒径。土石坝土石坝四、护坡和坝顶构造上游坝坡 防止受波浪淘刷、渗流、冰冻等破坏作用；上游护坡：砌石护坡、堆石护坡、沥青砼护坡等；下游坝坡 防止雨水、风、动物、根部发达的植物以及干裂等破坏。下游护坡：碎石或砾石护坡，还可采用草皮护坡。坝顶构造：交通、排水、防浪墙土石坝土石坝土石坝浆砌石护坡土石坝土石坝土石坝混凝土板护坡矩形板土石坝土石坝 土石坝混凝土板护坡六角形板土石坝混凝土板护坡六角形板土石坝土石坝土石坝下游卵石或碎石护坡土石坝下游卵石或碎石护坡土石坝土石坝土石坝下游草皮护坡土石坝土石坝土石坝坝顶及防浪墙 土石坝土石坝土石坝坝顶及防浪墙