02.第二章土石坝与堤防

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。。（一一））堆堆石石棱棱体体排排水水（二二））贴贴坡坡排排水水（三三））褥褥垫垫排排水水（四四））组组合合式式排排水水三、、坝坝顶顶及及护护坡坡（一一））坝坝顶顶坝顶顶一一般般采采用用碎碎石石、、单单层层砌砌石石、、沥沥青青或或混混凝凝土土路路面面。。如如坝坝顶顶有有公公路路交交通通要要求求，，坝坝顶顶结结构构应应满满足足公公路路交交通通路路面面的的有有关关规规定定。。（二二））护护坡坡护坡坡的的主主要要作作用用是是保保护护坝坝坡坡免免受受波波浪浪和和降降雨雨的的冲冲刷刷；；防防止止坝坝体体的的黏黏性性土土发发生生冰冰结结、、膨膨胀胀、、收收缩缩现现象象。。1、上上游游护护坡坡上游游护护坡坡可可采采用用抛抛石石、、干干砌砌石石、、浆浆砌砌石石、、混混凝凝土土块块（（板板））或或沥沥青青混混凝凝土土，，其其中中以以砌砌块块石石护护坡坡最最常常用用。。2、下下游游护护坡坡下游游护护坡坡可可采采用用草草皮皮、、碎碎石石或或块块石石等等，，其其中中草草皮皮护护坡坡是是最最经经济济的的形形式式之之一一。。四、、坝坝体体各各部部分分对对土土料料的的要要求求（一一））均均质质坝坝均质质坝坝的的土土料料应应具具有有一一定定的的抗抗渗渗性性能能；；对对粒粒径径及及有有机机质质含含量量也也有有一一定定的的要要求求。。（二二））心心墙墙坝坝和和斜斜墙墙坝坝的的坝坝壳壳坝壳壳土土石石料料主主要要是是为为了了保保持持坝坝体体的的稳稳定定性性，，一一般般要要求求有有较较高高的的强强度度。。（三三））土土质质防防渗渗体体对防防渗渗性性、、水水溶溶盐盐含含量量及及有有机机质质含含量量有有要要求求。。（四四））排排水水设设施施和和砌砌石石护护坡坡用用石石料料要求求具具有有较较高高抗抗压压强强度度，，良良好好的的抗抗水水性性、、抗抗冻冻性性和和抗抗风风化化性性的的岩岩石石。。五、、填填筑筑标标准准土石石料料的的填填筑筑标标准准是是指指土土料料的的压压实实程程度度及及其其适适宜宜含含水水量量。。（一一））黏黏性性土土的的填填筑筑标标准准对不不含含砾砾或或含含少少量量砾砾的的黏黏性性土土料料的的填填筑筑标标准准应应以以压实实度度和最优优含含水水率率作为为设设计计控控制制指指标标。。设设计计干干密密度度应应以以击击实实最最大大干干密密度度乘乘以以压压实实度度求求得得。。（二二））非非黏黏性性土土料料的的填填筑筑标标准准它的的压压实实程程度度一一般般与与含含水水量量关关系系不不大大，，而而与与粒粒径径级级配配和和压压实实功功能能有有密密切切关关系系。。压压密密程程度度一一般般用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）直直线和折折线滑动动面在均质的的非黏性性土边坡坡中，滑滑动面一一般为直直线；当当坝体的的一部分分淹没在在水中时时，滑动动面可能能为折线线。在不不同土料料的分界界面，也也可能发发生直线线或折线线滑动。。（三）复复式滑动动面复式滑动动面是同同时具有有黏性土土和非黏黏性土的的土坝中中常出现现的滑动动面型式式。二、荷载载及其组组合和稳稳定安全全系数的的标准（一）荷荷载及其其组合1、基本荷荷载（1）自重。。土坝坝体体自重分分三种情情况来考考虑，即即：在浸浸润线以以上的土土体，按按湿容重重计算；；在浸润润线以下下、下游游水面线线以上的的土体，，按饱和和容重计计算；在在下游水水位以下下的土体体，按浮浮容重计计算。（2）渗透力力。是在渗流流场内作作用于土土体的体体积力。。（3）孔隙压压力。黏性土在在外荷载载的作用用下产生生压缩，，由于土土体内的的空气和和水一时时来不及及排出，，外荷载载便由土土粒和空空隙中的的空气与与水来共共同承担担。其中中，由土土粒骨架架承担的的应力称称为有效效应力，，它在土土体滑动动时能产产生摩擦擦力；由由空隙中中的水和和空气承承担的应应力称为为孔隙压压力，，它不能能产生摩摩擦力。。2、荷载组组合土石坝稳稳定分析析的荷载载组合主主要有正正常工作作条件和和非常运运用情况况。（1）正常工工作条件件。①水水库上游游水位处处于正常常蓄水位位和设计计洪水位位与死水水位之间间的各种种水位的的稳定渗渗流期。。②水库库水位在在上述范范围内经经常性的的正常降降落情况况。③抽抽水蓄能能电站的的水库水水位的经经常性变变化和降降落。（2）非常运运用情况况。①施施工期。。②校核核洪水位位有可能能形成稳稳定渗流流的情况况。③水水库水位位的非常常降落。。（二）土土石坝坝坝坡稳定定安全系系数标准准（略））三、土石石坝边坡坡稳定计计算（略略）第六节土土石坝坝的坝基基处理根据土石石坝地基基条件，，地基处处理的目目的大体体可归纳纳为以下下几个方方面：①①改善善地基的的剪切特特性，防防止剪切切破坏，，减少剪剪切变形形，保证证地基不不发生滑滑动；②②改善地地基的压压缩性能能，减少少不均匀匀沉降，，以限制制坝体裂裂缝的发发生；③③减少地地基的透透水性，，降低扬扬压力和和地下水水位，使使地基以以至坝身身不产生生渗透变变形，并并把渗流流流量控控制在允允许的范范围内；；④改善善地基的的动力特特性，防防止液化化。一、砂砾砾石地基基处理砂砾石地地基的处处理，主主要是对对地基的的防渗处处理，通通常采取取“上堵堵下排””的措施施，“上上堵”包包括水平平和铅直直防渗措措施，““下排””主要是是排水减减压。（一）垂垂直防渗渗设施垂直防渗渗是解决决坝基渗渗流问题题效果最最好的措措施。垂垂直防渗渗的效果果相当于于水平防防渗效果果的3倍。因此此在土石石坝的防防渗措施施中，应应优先选选择垂直直防渗措措施。垂直防渗渗措施主主要有：：黏性土土截水槽槽、混凝凝土防渗渗墙、灌灌浆帷幕幕、板桩桩等。（二）水水平防渗渗设施防渗铺盖盖是由黏黏性土做做成的水水平防渗渗设施，，是斜墙墙、心墙墙或均质质坝体向向上游延延伸的部部分。当当采用垂垂直防渗渗有困难难或不经经济时，，可考虑虑采用铺铺盖防渗渗。（三）排排水减压压措施常用的排排水减压压设施有有排水沟沟和排水水减压井井。二、细砂砂、软黏黏土和湿湿陷性黄黄土地基基处理第七节堤堤防与与河道整整治建筑筑物一、堤防防工程堤防是沿沿河流、、湖泊、、海洋的的岸边或或蓄滞洪洪区、水水库库区区的周边边修筑的的挡水建建筑物，，其作用用是抵挡挡河道洪洪水、海海潮，保保护两岸岸或海岸岸不受洪洪水（海海潮）威威胁。同同时，堤堤防也影影响岸区区雨洪的的排泄，，因此，，必须设设置穿堤堤排水建建筑物——水闸和泵泵站。（一）堤堤防的类类型和作作用（1）堤防按按其所在在位置不不同，可可分为湖湖堤、河河堤、海海堤、围围堤和水水库中堤堤防五种种。（2）河堤按按其所在在位置和和重要性性，又分分为干堤堤、支堤堤和民堤堤。（3）在黄河河上，河河堤