水利工程土石坝与堤防培训讲义

第二二章章土土石石坝坝与与堤堤防防第一一节节概概述述第二二节节土土石石坝坝剖剖面面设设计计第三三节节细细部部构构造造与与坝坝体体材材料料第四四节节渗渗流流分分析析第五五节节土土石石坝坝稳稳定定分分析析第六六节节土土石石坝坝的的坝坝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第一一节节概概述述土石石坝坝是是指指由由土土料料、、石石料料或或土土石石混混合合料料，，采采用用抛抛填填、、碾碾压压等等方方法法堆堆筑筑成成的的挡挡水水坝坝。。由由于于筑筑坝坝材材料料主主要要来来自自坝坝址址区区，，因因而而也也称称为为当当地地材材料料坝坝。。堤堤防防是是沿沿河河岸岸修修建建构构筑筑的的护护岸岸建建筑筑物物，，大大多多数数采采用用土土石石坝坝的的结结构构形形式式，，在在许许多多方方面面土土石石坝坝与与堤堤防防都都存存在在共共性性。。土石石坝坝历历史史悠悠久久，，是是应应用用最最为为广广泛泛和和最最有有发发展展前前途途的的一一种种坝坝型型。。一、、土土石石坝坝的的工工作作特特点点和和设设计计要要求求（一一））稳稳定定土石石坝坝失失稳稳的的型型式式，，主主要要是是坝坝坡坡的的滑滑动动或或坝坝坡坡连连同同部部分分坝坝基基一一起起滑滑动动，，影影响响坝坝体体的的正正常常工工作作，，甚甚至至导导致致工工程程失失事事。。为为确确保保土土石石填填筑筑体体的的稳稳定定，，土土石石坝坝断断面面一一般般设设计计成成梯梯形形或或复复合合梯梯形形，，而而且且边边坡坡较较缓缓。。（二二））渗渗流流渗流流不不仅仅使使水水库库损损失失水水量量，，还还会会使使背背水水面面的的土土体体颗颗粒粒流流失失、、变变形形，，引引起起管管涌涌和和流流土土等等渗渗透透破破坏坏。。防止止渗渗流流破破坏坏的的原原则则是是““前前堵堵后后排排””。。（三三））沉沉陷陷由于于土土石石颗颗粒粒之之间间存存在在较较大大的的孔孔隙隙，，在在外外荷荷载载的的作作用用下下，，易易产产生生移移动动、、错错位位，，细细颗颗粒粒填填充充部部分分孔孔隙隙，，使使坝坝体体产产生生沉沉降降，，也也使使土土体体逐逐步步密密实实、、固固结结。。（四四））冲冲刷刷土石石坝坝为为散散粒粒结结构构，，抗抗冲冲能能力力低低，，受受到到波波浪浪、、雨雨水水和和水水流流作作用用，，会会造造成成冲冲刷刷破破坏坏。。（五五））其其他他冬季季结结冰冰、、夏夏季季干干裂裂、、地地震震影影响响、、穴穴居居动动物物影影响响等等。。二、、土土石石坝坝的的类类型型（一一））按按坝坝高高分分类类土石石坝坝按按其其坝坝高高可可分分为为低低坝坝、、中中坝坝和和高高坝坝。。（二二））按按施施工工方方法法分分类类1、碾碾压压式式土土石石坝坝2、水水力力冲冲填填坝坝3、定定向向爆爆破破堆堆石石坝坝（三三））按按防防渗渗材材料料及及结结构构不不同同1、均均质质坝坝2、土土质质防防渗渗体体分分区区坝坝3、人人工工防防渗渗材材料料坝坝4、过过水水土土石石坝坝（四四））按按坝坝体体材材料料所所占占比比例例1、土土坝坝2、土土石石混混合合坝坝3、堆堆石石坝坝第二二节节土土石石坝坝剖剖面面设设计计剖面面设设计计是是土土坝坝设设计计的的主主要要内内容容，，包包括括坝坝顶顶高高程程、、坝坝顶顶宽宽度度、、上上下下游游坝坝坡坡、、防防渗渗结结构构、、排排水水结结构构及及其其细细部部构构造造。。设计计步步骤骤：：计计算算坝坝顶顶高高程程，，根根据据具具体体要要求求和和经经验验拟拟定定剖剖面面，，进进行行渗渗流流计计算算，，最最后后进进行行坝坝坡坡稳稳定定分分析析，，根根据据稳稳定定分分析析的的结结果果判判断断坝坝剖剖面面的的合合理理性性。。一一般般需需要要多多次次重重复复以以上上步步骤骤，，直直至至得得到到合合理理的的剖剖面面。。一、、坝坝顶顶高高程程坝顶顶高高程程按按水水库库静静水水位位加加上上防防浪浪超超高高来来确确定定，，规规范范规规定定，，按按下下列列运运用用条条件件计计算算，，取取其其大大者者。。（1）设设计计洪洪水水位位加加正正常常运运用用条条件件的的坝坝顶顶超超高高。。（2）正正常常蓄蓄水水位位加加正正常常运运用用条条件件的的坝坝顶顶超超高高。。（3）校校核核洪洪水水位位加加非非常常运运用用条条件件的的坝坝顶顶超超高高。。（4）正正常常蓄蓄水水位位加加非非常常运运用用条条件件的的坝坝顶顶超超高高，，再再加加地地震震安安全全超超高高。。坝顶顶超超高高的的计计算算公公式式如如下下（二二））坝坝顶顶宽宽度度坝顶顶宽宽度度主主要要满满足足运运行行、、施施工工、、交交通通和和人人防防等等要要求求。。（三三））坝坝坡坡同种种土土质质的的坝坝体体，，上上游游坡坡要要比比下下游游坡坡缓缓些些。。心墙墙坝坝上上下下游游坝坝壳壳一一般般比比均均质质坝坝陡陡。。斜斜墙墙坝坝的的上上游游坝坝坡坡较较缓缓，，而而下下游游坝坝坡坡和和心心墙墙坝坝相相仿仿。。地基基条条件件好好、、土土料料碾碾压压密密实实的的，，坝坝坡坡可可以以陡陡些些，，反反之之则则应应放放缓缓。。用黏黏性性土土料料做做成成的的坝坝坡坡，，常常沿沿高高度度分分成成数数段段，，从从上上而而下下逐逐渐渐放放缓缓。。砂砂土土和和堆堆石石可可采采用用均均一一坡坡率率。。第三三节节细细部部构构造造与与坝坝体体材材料料一、、防防渗渗体体设置置防防渗渗设设施施的的目目的的是是减减少少通通过过坝坝体体和和坝坝基基的的渗渗漏漏量量，，降降低低浸浸润润线线，，以以增增加加下下游游坝坝坡坡的的稳稳定定性性；；降降低低渗渗透透坡坡降降以以防防止止渗渗透透变变形形。。（一一））土土质质心心墙墙（二二））土土质质斜斜墙墙（三三））非非土土料料防防渗渗体体1、沥沥青青混混凝凝土土防防渗渗体体2、钢钢筋筋混混凝凝土土防防渗渗体体二、、坝坝体体排排水水土石石坝坝坝坝身身排排水水设设施施的的主主要要作作用用是是：：①①降降低低坝坝体体浸浸润润线线，，防防止止渗渗流流逸逸出出处处的的渗渗透透变变形形，，增增强强坝坝坡坡的的稳稳定定性性；；②②防防止止坝坝坡坡受受冰冰冻冻破破坏坏；；③③有有时时也也起起降降低低孔孔隙隙水水压压力力的的作作用用。。（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）渗渗流分析析的目的的土石坝的的基本剖剖面确定定后，需需要通过过渗流分分析检验验坝体及及坝基的的安全性性，并为为坝坡稳稳定分析析提供依依据。计计算内容容有：坝坝体浸润润线、渗渗流出逸逸点的位位置、渗渗透流量量和各点点的渗透透压力或或渗透坡坡降，并并绘制坝坝体及坝坝基内的的等势线线分布图图或流网网图等。。（二）计计算工况况一般需要要计算的的工况有有：①上上游正常常蓄水位位与下游游相应的的最低水水位；②②上游设设计洪水水位与下下游相应应的水位位；③上上游校核核洪水位位与下游游相应的的水位；；④库水水位降落落时上游游坝坡稳稳定最不不利的情情况。（三）计计算方法法（略））二、渗流流分析的的水力学学法（略略）三、渗流流分析的的数值计计算法（（略）四、土石石坝的渗渗流变形形及其防防治措施施（一）渗渗透变形形的型式式1、管涌坝体或坝坝基中的的细土壤壤颗粒被被渗流带带走，逐逐渐形成成渗流通通道的现现象称为为管涌或或机械管管涌。管管涌一般般发生在在坝的下下游坡或或闸坝的的下游地地基面渗渗流逸出出处。没有黏聚聚力的无无黏性砂砂土、砾砾石砂土土中容易易发生管管涌。2、流土在渗流作作用下，，成块的的土体被被掀起浮浮动的现现象称为为流土。。主要发生在黏黏性土及及均匀非非黏性土土体的渗渗流出口口处。3、接触冲冲刷当渗流沿沿两种不不同土壤壤的接触触面或建建筑物与与地基的的接触面面流动时时，把其其中细颗颗粒带走走的现象象称为接接触冲刷刷。4、接触管管涌和接接触流土土渗流方向向垂直于于两种不不同土壤壤的接触触面时，，可能把把其中一一层的细细颗粒带带到另一一层的粗粗颗粒中中去，称称为接触触管涌。。当其中中一层为为黏性土土，由于于含水量量增大致致使凝聚聚力降低低而成块块移动，，甚至形形成剥蚀蚀时，称称为接触触流土。。（二）渗渗透变形形的判别别渗流变形形的判别别包括两两个方面面：渗透透类型与与发生条条件。（三）防防止发生生渗透变变形的措措施防止渗透透变形的的工程措措施，一一方面是是降低渗渗流坡降降从而减减小渗流流速度和和渗流压压力；另另一方面面是增强强渗流逸逸出处土土体抵抗抗渗透变变形的能能力。具体工程程措施有有：①在在上游侧侧设置水水平与垂垂直防渗渗体，延延长渗径径，降低低渗透坡坡降或截截阻渗流流；②在在下游侧侧设置排排水沟或或减压井井，降低低渗流出出口处的的渗流压压力；③对可能发发生管涌涌的地段段，需铺铺设反滤滤层，拦拦截可能能被涌流流携带的的细粒；；④对下下游可能能发生流流土的地地段，应应加盖重重，盖重重下的保保护层也也必须按按反滤原原则铺设设。第五节土土石坝坝稳定分分析一、概述述土石坝的的稳定性性主要是是指边坡坡稳定问问题。土土石坝边边坡的失失稳形式式主要有有滑坡、、塑性流流动和液液化三种种形式。。其中滑滑坡主要要有以下下几种形形式。（一）曲曲线滑动动曲线滑动动面是一一个顶部部稍陡而而底部渐渐缓的曲曲面，多多发生在在黏性土土坝坡中中。（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）排水水减压措施施常用的排水水减压设施施有排水沟沟和排水减减压井。二、细砂、、软黏土和和湿陷性黄黄土地基处处理第七节堤堤防与河道道整治建筑筑物一、堤防工工程堤防是沿河河流、湖泊泊、海洋的的岸边或蓄蓄滞洪区、、水库库区区的周边修修筑的挡水水建筑物，，其作用是是抵挡河道道洪水、海海潮，保护护两岸或海海岸不受洪洪水（海潮潮）威胁。。同时，堤堤防也影响响岸区雨洪洪的排泄，，因此，必必须设置穿穿堤排水建建筑物——水闸和泵站站。（一）堤防防的类型和和作用（1）堤防按其其所在位置置不同，可可分为湖堤堤、河堤、、海堤、围围堤和水库库中堤防五五种。（2）河堤按其其所在位置置和重要性性，又分为为干堤、支支堤和民堤堤。（3）在黄河上上，河堤常常分为遥堤堤、缕堤、、格堤、越越堤和月堤堤五种。（二）堤线线布置及堤堤型选择1、堤线布置置2、堤型选择择二、河道整整治工程河流无论在在自然状态态下或在人人类活动影影响下，由