碾压式土石坝设计

碾压式土石坝设计第一页，共61页。掌握坝体与坝基、岸坡及其他建筑物的连接设计。掌握坝的渗流、渗透稳定及坝坡稳定计算。掌握混凝土面板堆石坝断面设计及周边和板间接缝止水构造设计。了解碾压式土石坝安全监测设计。了解碾压（浇筑）式沥青面板与心墙设计。了解分期施工和扩建加高设计。考试大纲第四章碾压式土石坝设计第二页，共61页。第一节筑坝材料选择与填筑标准一、筑坝土石料选择应遵循的原则（1）具有或经过加工处理后具有与其使用目的相适应的工程性质。（2）石料的工程性质在长时期内保持稳定。（3）就地、就近取材，减少弃料，少占或不占农田，并优先考虑枢纽建筑物开挖料的利用。（4）便于开采、运输和压实。第三页，共61页。二各种筑坝材料的选择标准及其填筑标准

(1)防渗体1）防渗土料的选择标准①渗透系数：均质坝不大于1×10-4cm／s，心墙和斜墙不大于1×10-5cm／s。②水溶盐含量含量不大于3％。③有机质含量：均质坝不大于5％，心墙和斜墙不大于2％，超过此规定需进行论证。④有较好的塑性和渗透稳定性。⑤浸水与失水时体积变化小。第四页，共61页。二各种筑坝材料的选择标准及其填筑标准

2）砾石土防渗体砾石土或称砾石粘性土，是一种含有相当多粗砾土（粒径大于5mm），也含有一定数量淅沥土（粒径小于5mm）的混合料。其中粒径大于5mm的颗粒含量不宜超过50%，最大粒径不宜大于150mm或铺土厚度的2/3，0.075mm以下的颗粒含量不应小于15％。并且在填筑时不允许发生粗料集中架空的现象。实践证明，级配优良的砾石土，压实性好，抗剪强度高，压缩性低，便于施工，是一种优良的筑坝材料。第五页，共61页。二各种筑坝材料的选择标准及其填筑标准

3）其他防渗土料一般情况下，塑性指数大于20和液限大于40％的冲积粘土、膨胀土、开挖压实困难的干硬粘土、冻土、分散性粘土等不宜作为坝的防渗体填筑料，必须采用时，应根据其特性采用相应的措施。第六页，共61页。二各种筑坝材料的选择标准及其填筑标准

(2)坝壳料应具有比较高的强度。要求具有良好的排水性能。砂、砾石、卵石、漂石、碎石等无粘性土料以及料场开采的石料和开挖的石渣料，均可用作坝壳材料，但应根据其性质配置于坝壳的不同部位。第七页，共61页。二各种筑坝材料的选择标准及其填筑标准

（3）反滤料、过滤料及排水材料1）反滤料、过滤层料和排水体料应采用质地致密坚硬，具有高度抗水性和抗风化能力的材料，风化料一般不能用作反滤料。2）材料应具有要求的级配和透水性，其中反滤料和排水体料中粒径小于0.075mm的颗粒含量应不超过5％。3）宜尽量利用天然砂砾料筛选，当缺乏天然砂砾料时，亦可人工轧制，但应选用抗水性和抗风化能力强的母岩材料。4）3级低坝经过论证可采用土工织物作为反滤层。第八页，共61页。三各种筑坝材料的填筑标准填筑标准应根据各种因素综合研究确定含砾和不含砾的粘性土的填筑标准应以压实度和最优含水率作为设计控制指标。设计干密度应以击实最大干密度乘以压实度求得。第九页，共61页。三各种筑坝材料的填筑标准

粘性土的压实度应符合下列要求：1）1级、2级坝和高坝的压实度应为98％～100％，3级中、低坝及3级以下的中坝压实度应为96％～98％；2）设计地震烈度为8度、9度的地区，宜取上述规定的大值；3）有特殊用途和性质特殊的土料的压实度宜另行确定。4）粘性土的最大干密度和最优含水率应按击实试验方法求取。对于砾石土应按SL237-1999《土工试验规程》全料试样求取最大干密度和最优含水率。第十页，共61页。三各种筑坝材料的填筑标准3.砂砾石和砂的填筑标准应以相对密度为设计控制指标，并应符合下列要求：1）砂砾石的相对密度不应低于0.75，砂的相对密度不应低于0.70，反滤料的相对密度宜为0.70。2）砂砾石中粗粒料含量小于50％时，应保证细料（小于5mm的颗粒）的相对密度也符合上述要求。3）地震区的相对密度设计标准应符合SL203—97《水工建筑物抗震设计规范》的规定。第十一页，共61页。三各种筑坝材料的填筑标准4.堆石的填筑标准宜用孔隙率为设计控制指标，并应符合下列要求：1）土质防渗体分区坝和沥青混凝土心墙坝的堆石料，孔隙率宜为20％～28％；2）沥青混凝土面板坝堆石料的孔隙率宜在混凝土面板堆石坝和土质防渗体分区坝的孔隙率之间选择；3）采用软岩、风化岩石筑坝时，孔隙率宜根据坝体变形、应力及抗剪强度等要求确定；4）设计地震烈度为8度、9度的地区，可取上述孔隙率的小值。第十二页，共61页。三各种筑坝材料的填筑标准用孔隙率作为填筑标准有一定困难，实际施工时按碾压参数（包括碾压设备的型号、振动频率及重量、行进速度、铺筑厚度、碾压遍数等）及干密度同时控制。第十三页，共61页。

三各种筑坝材料的填筑标准（4）粘性土的施工填筑含水量应控制在最优含水率－2％～＋3％范围内。（5）在冬季负气温下填筑时，应使土料在填筑过程中不冻结，粘性土的填筑含水率宜略低于塑限；砂和砂砾料中的细料部分的含水率宜小于4％，并适当提高填筑密度。第十四页，共61页。第二节坝体结构设计一坝体材料分区（1）均质坝分为坝体、排水体、反滤层和护坡等区。（2）防渗体在上游面时，坝体渗透性宜从上游至下游逐步增大；防渗体在中间时，坝体渗透性宜向上、下游逐步增大。（3）当采用风化料或软岩筑坝时，坝表面应设保护层，其垂直厚度应不小于1.5m。第十五页，共61页。二坝体边坡的选择（1）均质坝、土质防渗体分区坝、沥青混凝土面板或心墙坝及土工膜心墙或斜墙坝坝坡，可参照已建坝的经验或近似方法初步拟定，最终应经稳定计算确定。（2）当坝基抗剪强度较低，坝体不满足深层抗滑稳定要求时，宜采用在坝坡脚压戗的方法提高其稳定性。（3）上、下游坝坡马道的设置应根据坝面排水、检修、观测、道路、增加护坡和坝基稳定等不同需要确定。（4）土质防渗体分区坝和均质坝上游坡宜少设马道。（5）若坝基土或筑坝土石料沿坝轴线方向不相同时，应分坝段进行稳定计算，确定相应的坝坡。第十六页，共61页。三坝顶高程及构造要求（1）坝顶安全超高、坝顶高程拟定参见第一章有关内容。（2）坝顶构造要求

1）坝顶宽度应根据构造、施工、运行和抗震等因素确定。

2）坝顶盖面材料应根据当地材料情况及坝顶用途确定，宜采用密实的砂砾石、碎石、单层砌石或沥青混凝土等柔性材料

3）坝顶面可向上下游侧或下游侧根据降雨强度放坡，一般在2％～3％之间选择，并做好向下游的排水系统。

4）坝顶上游侧的防浪墙应坚固不透水，墙顶应高于坝顶1.00～1.20m，并必须与防渗体紧密结合，同时设置必要的伸缩缝、做好止水。第十七页，共61页。四坝体防渗体的选择在土石坝中，土质防渗体是应用最为广泛的防渗结构，且可用作防渗体的土料范围很广。土质防渗体的主要结构形式为心墙和斜墙（图4-1-1）。防渗体顶部的水平宽度需要考虑机械化施工的要求，不应小于3m。土质防渗体顶部在正常蓄水位或设计洪水位以上的超高，应按表4.1.2-1的规定取值。心墙和斜墙的顶部以及斜墙的上游侧均应设置保护层，以防止冰冻和干裂。心墙、斜墙与坝壳和截水槽与坝基透水层之间，以及下游渗流逸出处，都必须设置反滤层。第十八页，共61页。四坝体防渗体的选择土质防渗体断面应满足渗透比降、下游浸润线和渗透流量的要求。土质防渗体的主要结构形式为心墙和斜墙（图4.1.1）。心墙和斜墙的厚度，决定于土料的容许坡降。在设计中通常采用平均容许坡降Ja作为控制标准，它等于最大作用水头H与防渗体厚度T的比值，心墙的Ja不宜大于4，斜墙的Ja不宜大于5。在国内外土石坝的建设实践中，厚心墙的底部厚度常取为水头的30％～50％，薄心墙的底部厚度取为水头的15%～20%。防渗体顶部的水平宽度需要考虑机械化施工的要求，不应小于3m。第十九页，共61页。四坝体防渗体的选择第二十页，共61页。四坝体防渗体的选择土质防渗体顶部在正常蓄水位或设计洪水位以上的超高，应按表4.1.2-1的规定取值。非常运用条件下，防渗体顶部不应低于非常运用条件的静水位，并应核算风浪爬高高度的影响。同时，防渗体顶部高程的确定应预留竣工后的沉降超高。第二十一页，共61页。表4-2-1正常运用情况下防渗体顶部超高

单位:m防渗体结构型式超高防渗体结构型式超高斜墙0.80～0.60心墙0.60～0.30第二十二页，共61页。五反滤层与过渡层设计（1）设计原则1）反滤层的作用是滤土排水，防止土工建筑物在渗流逸出处遭受管涌、流土等渗流变形的破坏以及不同土层界面处的接触冲刷。2）过渡层的作用是避免在刚度相差较大的两种土料之间产生急剧变化的变形和应力。3）坝的反滤层必须符合下列要求：①使被保护的土不发生渗透变形；②渗透性大于被保护土，能通畅地排出渗透水流；③不致被细粒土淤塞失效。第二十三页，共61页。五反滤层与过渡层设计

（2）反滤层的级配和层数的计算方法详见碾压式土石坝设计规范附录B

。（3）人工施工时，水平反滤层的最小厚度可采用0.30m，垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用0.50mm；采用机械施工时，最小厚度应根据施工方法确定。（4）如果防渗体与坝壳料之间的反滤层总厚度不能满足过渡要求时，可加厚反滤层或设置过渡层。（5）混凝土面板堆石坝的垫层和堆石之间，沥青混凝土心墙和坝壳之间均应设过渡层。（6）土质防渗体分区坝坝壳为堆石时，过渡层应采用连续级配，最大粒径不宜超过300mm，顶部水平宽度不宜小于3.00m，采用等厚度或变厚度均可。第二十四页，共61页。

图4-2-2Ⅰ型反滤图4-2-3Ⅱ型反滤第二十五页，共61页。六坝体排水及构造要求坝体排水的作用是：控制和引导渗流，降低浸润线，加速孔隙水压力消散，防止渗流出逸处产生渗透变形，并保护下游坝坡免遭冻胀破坏。(1)坝体排水必须满足以下要求：应有充分的排水能力，以保证自由地向坝外排出全部渗透水；应按反滤原则设计，以保证坝体及地基土不发生渗透破坏；便于观测和检修。第二十六页，共61页。(2)坝体排水有四种常用形式：1)坝内排水。坝内排水又分为竖式排水和水平排水。2)棱体排水，又称滤水坝趾。3)贴坡式排水，又称表面排水。4)综合型排水。六坝体排水及构造要求第二十七页，共61页。六坝体排水及构造要求(3)排水形式的选择，必须结合坝基排水的需要及其形式，考虑下列情况，经技术经济比较确定：(4)均质坝和下游坝壳用弱透水材料填筑的土石坝，宜优先选用竖式排水，其底部可用褥垫式排水将渗水引出。(5)坝内水平排水设计应遵守的规定：(6)棱体排水设计应遵守的规定：(7)贴坡排水设计应遵守的规定：(8)坝面排水第二十八页，共61页。七护坡坝表面为土、砂、砂砾石等材料时应设专门护坡，堆石坝可采用堆石材料中的粗颗粒料或超径石做护坡。（1）护坡的形式、厚度及材料粒径。（2）护坡的形式。（3）护坡的厚度和粒径计算。（4）护坡的覆盖面积应按以下要求确定：（5）护坡料与被保护料之间应满足反滤要求，并设置排水。寒冷地区的粘性土护坡，应根据冻胀是否引起护坡变形设置不小于当地冻结深度的防冻垫层。第二十九页，共61页。第三节坝基处理设计（一）坝基处理的一般要求（二）砂砾石坝基的处理在砂砾石地基上建坝的主要问题是进行渗流控制，解决办法是做好防渗和排水。第三十页，共61页。

（二）砂砾石坝基的处理（1）垂直防渗1）垂直防渗的型式：截水槽、混凝土防渗墙、灌浆帷幕或其组合等。2）截水槽当坝基砂砾石层不太深厚时，截水槽是最为常用而又稳妥可靠的防渗设施。一般布置在大坝防渗体底部（均质坝则多设在靠上游1/3至1/2坝底宽处），横贯整个河床并延伸到两岸。第三十一页，共61页。（2）上游防渗铺盖铺盖的作用是延长渗径，从而使坝基渗漏损失和渗流坡降减少至容许范围以内。铺盖多在中小工程中使用。对高、中坝，复杂地层、渗透系数较大和防渗要求较高的工程应慎重选用。铺盖应与下游排水设施联合使用。（3）下游排水设施及盖重①设置原则对于成层结构的砂砾石地基，单纯采用水平防渗不能有效降低渗透压力、消除渗透变形及下游沼泽化时，应设置排水沟或减压井，排水设施应做在透水层上。

第三十二页，共61页。②坝基排水设施的选用及布置·水平排水垫层，反滤排水沟

·反滤排水暗沟

·减压井③排水减压井系统设计确定井径、井距、井深、出口水位，并计算渗流量及井间渗水压力，使其小于允许值。第三十三页，共61页。3）混凝土防渗墙深厚砂砾石地基采用混凝土防渗墙是比较有效和经济的防渗设施，设计原则：①厚度应根据坝高和施工条件确定；②插入土质防渗体高度宜为1/10坝高；高坝可适当降低，或根据渗流计算确定；低坝应不低于2m。在墙顶填筑含水率大于最优含水率的高塑性土区；③墙底宜嵌入基岩0.5～1.0m。对风化较深和断层破碎带可根据坝高和断层破碎情况加深；④高坝深砂砾石层的混凝土防渗墙，应进行应力应变分析，为确定混凝土的强度提供依据；⑤除应具有所要求的强度外，还应有足够的抗渗性和耐久性，在混凝土内可掺粘土、粉煤灰及其他外加剂；⑥对高坝深厚覆盖层中的混凝土防渗墙宜采用钻孔、物探等方法做强度和渗透性的质量检查。第三十四页，共61页。4）灌浆帷幕根据容许的渗透坡降J确定帷幕厚度T。灌浆帷幕前，应先按可灌比（M）判别其可灌性：M>15可灌注水泥浆；M>10可灌注水泥粘土浆。可灌性应通过室内及现场试验最终确定。可灌比M可按式（4.3.1）计算：M＝D15/d85(4.3.1)式中D15——受灌地层中小于该粒径的土重占总土重的15％，mm；

d85——灌注材料中小于该粒径的土重占总土重的85％，mm。第三十五页，共61页。4）灌浆帷幕①帷幕厚度T可按式（4.3.2）计算：T＝H/J(4.3.2)式中H——最大设计水头，m；J——帷幕的允许坡降，对一般水泥粘土浆，可采用3～4。对深度较大的多排帷幕，根据渗流计算和已有的工程实例可沿深度逐渐减薄；第三十六页，共61页。4）灌浆帷幕②帷幕的底部深入相对不透水层宜不小于5m，若相对不透水层较深，可根据渗流分析，并结合类似工程研究确定；③多排帷幕灌浆的孔、排距应通过灌浆试验确定，初步可选用2～3m，排数可根据帷幕厚度确定；④使用的水泥粘土浆最优配比应由试验确定，但其中水泥量应为水泥和粘土总量的20％～50％（按质量计）；⑤灌浆结束后，对表层未固结好的砂砾石应挖除，在完整的帷幕顶上填筑防渗体，必要时可设置利于结合的齿墙或混凝土垫层；⑥灌浆方法宜用套阀花管法。第三十七页，共61页。（三）岩石坝基处理1.喀斯特地区岩石坝基处理2.不利地质构造地区岩石坝基处理3.帷幕灌浆的设计要求4.固结灌浆的设计要求（四）易液化土、软粘土和湿陷性黄土坝基的处理易液化土坝基的处理:挖除、振冲加密、围封、盖重、加强排水软粘土的坝基处理:挖除、排水或其它物理、化学方法加固地基、调整施工速率、提高防渗体柔性等湿陷性黄土的坝基处理:挖除、翻压、强夯、泡水预压或综合措施第三十八页，共61页。第四节坝体与坝基、岸坡及其它建筑物的连接（一）坝体与坝基及岸坡的连接（二）坝体与其他建筑物的连接1

.坝体与土质坝基及岸坡的连接必须遵守的规定坝体与岩石坝基和岸坡的连接应遵守的原则与土质防渗体连接的岸坡的开挖应符合的要求坝体与混凝土坝、溢洪道、船闸、涵管等建筑物的连接，必须防止接触面的集中渗流，因不均匀沉降而产生的裂缝，以及水流对上、下游坝坡和坡脚的冲刷等因素的有害影响。第三十九页，共61页。第五节坝的渗流计算，渗透稳定及坝坡稳定计算（一）坝的渗流计算1.渗流计算的内容2.渗流分析的目的3.渗流计算工况4.土石坝的渗流特性5.渗流分析的基本方程6.渗流分析的水力学方法和流网法第四十页，共61页。1.渗流计算的内容1）确定坝体浸润线及其下游出逸点的位置，绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图；2）确定坝体与坝基的渗流量；3）确定坝坡出逸段与下游坝基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透比降；4）确定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置或孔隙压力；5）确定坝肩的等势线、渗流量和渗透比降。第四十一页，共61页。3渗流计算工况1）上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；2）上游设计洪水位与下游相应的水位；3）上游校核洪水位与下游相应的水位；4）库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。第四十二页，共61页。4.土石坝的渗流特性坝体和河岸中的渗流均为无压渗流，有浸润面存在，大多数情况下可看作为稳定渗流。但水库水位急降时则产生不稳定渗流。在渗流分析中，一般假定渗流流速和坡降的关系符合达西定律，β＝１。在均质土坝中可假定各点和各个方向的渗透系数k是相同的，计算渗流量时宜采用土层渗透系数的大值平均值，计算水位降落时的浸润线宜用小值平均值。第四十三页，共61页。6．渗流分析的水力学方法和流网法（1）水力学方法水力学方法可用来近似确定浸润线的位置，计算渗流流量、平均流速和坡降。水力学方法采用的基本假定是：①渗流为缓变流动，等势线和流线均缓慢变化。渗流区可用矩形断面的渗流场模拟（图4-5-2）。渗流量q和渗流水深Hx的计算公式为(4-5-7）和（4-5-8）式中H1、H2——分别为上、下游水深；

L——渗流区长度；

x——计算点至下游面的距离。第四十四页，共61页。图4-5-2水力学方法计算简图

第四十五页，共61页。6．渗流分析的水力学方法和流网法上游三角形棱体可以用一等效的矩形体代替，当坝体和坝基渗透系数相同时，可以足够精确地认为等效矩形的宽度b＝0.4H1。上游坝坡较陡时(m1≤2)，可取式中m1——上游坝坡的坡率第四十六页，共61页。6．渗流分析的水力学方法和流网法当坝体和坝基渗透系数相同时，浸润线在下游坡面上的逸出高度△可近似确定。式中m2——下游坝坡的坡率；其它符号的含义见图4-5-3。第四十七页，共61页。（a）上游棱体的简化（b）坝基的简化

图4-5-3均质坝的计算图形第四十八页，共61页。2流网法

流网法是一种图解法。1)流网的基本特性⑴.等势线和流线互相正交；⑵.流网各个网格的长宽比保持为常数时，则相邻等势线间的水头差相等，各相邻流线间通过的渗流量相等；⑶上游水位下的坝坡和库底以及下游水位下的坝坡和库底均为等势线，总水头等于坝上、下游的水位差；⑷坝下不透水层面为一流线；⑸浸润线为一流线，其水头等于线上各点的y坐标。⑹渗流在下游坝坡上的逸出点与浸润线一样，其压力等于大气压，各点水头也随几何坐标y而变化；⑺

在两种渗透系数不同的土层交界面上，流线间的夹角成立如下的关系：tanα1/tanα2=k1/k2[见图4-5-5]

第四十九页，共61页。2)渗流计算

上图为图4-5-5流网特性图第五十页，共61页。（二）渗透稳定计算1.渗透稳定的计算内容1）判别土的渗透变形形式(即管涌、流土、接触冲刷等；)2）判明坝和坝基土体的渗透稳定；3）判明坝下游渗流出逸段的渗透稳定。2.渗透变形的判别方法1）应按GB50287-99《水利水电工程地质勘察规范》的规定执行；2）在没有反滤层保护时，坝体、坝基渗透出逸比降应小于材料的允许渗透比降。3.设置排水盖重或排水减压井的条件1）坝基表层土的渗透系数小于下层土的渗透系数，而下游渗透出逸比降符合(4-1-15)式，可设置排水盖重或排水减压井；4.阻止渗透变形的工程措施降低渗流的渗透坡降,或提高土体的抗渗强度,以防止渗透破坏。第五十一页，共61页。

三坝坡稳定计算概述计算工况与内容1）施工期（包括竣工时）、稳定渗流期、水库水位降落期和正常运用遇地震四种工况。2）计算内容①施工期的上、下游坝坡；②稳定渗流期的上、下游坝坡；③水库水位降落期的上游坝坡；④正常运用遇地震的上、下游坝坡。第五十二页，共61页。三坝坡稳定计算3.抗剪强度指标计算1）土石坝各种计算工况，土体的抗剪强度均应采用有效应力法按式（4.5.18）计算：2）粘性土施工期同时应采用总应力法按式（4.5.19）计算粘性土库水位降落期同时应采用总应力法按式（4.5.20）计算：第五十三页，共61页。

三坝坡稳定计算4.抗剪强度指标测定1）土的抗剪强度指