《小型水工建筑物设计》课件-3 .土石坝

3.1土石坝材料与构造

主要内容

一土石坝材料要求

二土石坝构造要点

坝顶

防渗体

排水

反滤层

护坡

一土石坝的材料（一）土石料的选择1.土石料的选择（1）选材原则。就近取材；开采运输方便；质量合格；储量丰富（一般要求2倍以上）。

一土石坝的材料（一）土石料的选择2.均质坝对材料的选择（1）强度指标：φ—内摩擦交；c—抗剪强度。（2）渗透系数：k≤10-4cm/s。（3）塑性指数：IP=7—17。（4）有机质含量≤5%。（5）土质以粘土为主，也有壤土。粘土（6）粒径小于0.005m的颗粒不超过40%。

一土石坝的材料（一）土石料的选择3.防渗体对材料的选择（1）渗透系数：k≤10-5cm/s。与坝壳料的渗透系数之比不大于1/1000。（2）塑性指数：IP=10—12。（3）有机质含量：≤1%（4）其他。水溶盐含量（粒径小于0.005mm）为15%—30%或塑性指数为10—17的中、重壤土及粘粒含量30%—40%或塑性指数为17—20。

一土石坝的材料（一）土石料的选择4.坝壳对材料的选择（1）强度指标：φ、C较大。具有抗震、抗滑性。（2）排水性能好，迅速降低浸润线。（3）级配好。土质级配良好的无粘性土（砂、卵石、碎石等）。

一土石坝的材料（一）土石料的选择5.排水、护坡对材料的选择（1）良好的抗水性、抗冻性、抗风化性。（2）强度大，抗压强度不小于50MPa。（3）岩质不易风化、用新鲜岩石、卵石、碎石。

一土石坝的材料（一）土石料的选择6.反滤料及过渡层土料（1）具有透水性、强度，较高的抗水性和抗风化能力。（2）具有良好的级配。（3）尽量用天然砂去筛分，也可以用人工碎石。

二土石料的填筑标准（一）粘性土的填筑标准以设计干重度为设计标准，并以含水量为控制。含砾和不含砾粘性土的天珠标准以压实度和最优含水率为控制指标，设计干重度应以击实最大干重度乘以最大干重度确定。（二）砂性土填筑标准相对密度相对密度(一)坝顶构造1.坝顶一般都做护面，护面材料可采用碎石、单层砌石或混凝土，4级以下的土坝也可以采用草皮护面。若有交通要求，还应该满足交通路面的规定。

2.通常在坝顶上游设防浪墙，且应与坝体防渗体严密结合，墙高1.0—1.2m。

防浪墙3.坝顶一般向一侧或两侧倾斜，坡度为2%—3%，以便于排除雨水。

(一)坝顶构造

（二）坝体防渗体常见的防渗体形式？心墙、斜心墙、斜墙、钢筋混凝土面板等。P84.常见的防渗体形式：心墙斜墙心墙+截水墙斜墙+截水墙心墙+铺盖

根据防渗体的材料，又可以分为土质防渗体和人工材料的防渗体（沥青混凝土、钢筋混凝土、复合土工膜等）。其中已建的工程中土质防渗体居多。温故知新（二）坝体防渗体

1.心墙。

布置在坝体中部，有时稍微偏向上游，以便和防渗体连接，通常采用透水性很小的粘性土筑成。（二）坝体防渗体

1.心墙。心墙顶部高程应高于设计洪水位0.4～0.6m；不低于校核洪水位。心墙上部设保护层，保护层厚度按照冰冻深度确定，且不小于1m。两侧坡度1:0.15～1:0.3底部厚度一般不小于3m顶部厚度一般不小于2m（二）坝体防渗体与坝壳之间应设反滤层

2.斜墙

（二）坝体防渗体

2.斜墙

心墙顶部高程应高于设计洪水位0.4～0.8m；不低于校核洪水位。底部厚度一般不小于水头的1/5。内坡不陡与1:2。心墙上部设保护层，保护层厚度不小于1m，一般取1.5～2.5m。同心墙比较，斜墙在施工时与坝体相互干扰小，坝体上升速度快，但斜墙上游坡度缓，填筑工程量比心墙大。同时，对坝体沉陷变形的影响较敏感，易产生裂缝，为避免这些问题，有时将心墙设在坝体中间偏向上游，成为斜心墙。（二）坝体防渗体3.用混凝土做防渗体，其抗渗性能好，但由于刚度大，容易在与坝体结合处产生裂缝。为降低混凝土的弹性模量，可在集料中加入沥青，成为沥青混凝土。4.土工膜做防渗体。包括聚乙烯、聚氯乙烯、氯化聚乙烯等。对2级以下的坝，可以用土工膜代替粘土、混凝土或沥青等，作为坝体的防渗体材料。（二）坝体防渗体

（三）排水体排水体的作用：（1）降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体稳定；(2)防止渗流逸出处的渗透变形；（3）防止下游波浪对坝坡的冲刷及冻胀破坏。什么是排水？为什么要排水？

贴坡排水棱体排水褥垫排水组合式排水贴坡排水不能降低浸润线高度，其他三种形式可以降低浸润线高度。反滤层反滤层反滤层（三）排水体管式排水

（四）反滤层知识要点：1.反滤层的作用：滤土排水；2.反滤层的位置：置于被保护土的下游侧；3.反滤层的级配：沿渗流方向颗粒由细变粗。

（四）护坡和排水

护坡作用：保护坝面，免受波浪、冰层和漂浮物的损害、降雨冲刷，防止坝体土料发生冻结、膨胀、收缩和人畜破坏。上游护坡：堆石、干砌石、浆砌石、混凝土、沥青混凝土等。下游护坡：草皮、干砌石、堆石等。

王家崖水库大坝上游护坡面板堆石坝的上游钢筋混凝土面板冯家山水库大坝上游护坡下游护坡（四）护坡和排水

总结作业

本节课重点内容：1.坝顶构造的特征；2.防渗体的类型；3.排水体的形式；4.护坡的材料；5.反滤层的作用和配比规律。3.2土石坝剖面设计

课程导入土石坝剖面设计的要点

坝顶高程坝坡任务布置土石坝剖面设计资料

某水库大坝为土石坝，定位2级建筑物。正常蓄水位116.7m，库容1240m3，100年一遇设计洪水位117.9m，下游水位84.3m，500年一遇校核洪水位119.6m，库容1.42亿m3，水库吹程D=2000m，β=0°，多年平均最大风速20m/s，上游边坡系数m=2.5，采用干砌石护坡，坝底高程82.2m，设计烈度5度。请设计土石坝剖面。

主要内容

一土石坝坝顶高程

二土石坝坝顶宽度

三土石坝的坝坡

一坝顶高程计算风涌高度波浪爬高安全超高超高坝顶高程设计思路坝顶高程=水位+超高设计洪水位+正常运用条件下的超高正常蓄水位+正常运用条件下的超高校核洪水位+非常运用条件下的超高正常蓄水位+非常运用条件下的超高+地震安全超高取大值作为“计算值”

一坝顶高程计算设计洪水位+正常运用条件下的超高正常蓄水位+正常运用条件下的超高校核洪水位+非常运用条件下的超高正常蓄水位+非常运用条件下的超高+地震安全超高取大值作为“计算值”防浪墙无，则计算值为坝顶高程有，则计算值为防浪墙墙顶高程校核坝顶不低于校核洪水位坝顶不低于“设计洪水位+0.5”必要时修正再加预留沉降量作为坝顶高程风涌高度一坝顶高程计算综合摩阻系数3.6×10-6计算风速正常运用情况1～2级坝（1.5～2）3～5级坝1.5非常运用情况风区长度（吹程）水域平均深度风向与坝轴线法线夹角波浪爬高一坝顶高程计算坝面粗糙渗透性系数表3.2经验系数表3.3参考莆田公式P24坝面上游边坡系数1：m有变坡时简化的莆田公式P109波浪爬高一坝顶高程计算频率系数表3.51：m斜向波折减系数表3.61～3级坝1%4～5级坝5%安全超高一坝顶高程计算1：m从表3.1中查阅二土石坝的坝顶宽度1.有交通要求的大坝，与路宽一直。2.无交通要求的，对于高坝，10—15m，中低坝5—10m。

三土石坝的坝坡沿坝高10—30m设一条马道。马道宽度1.5—2.0m。作用：拦截雨水；监测、交通、观测；利于坝坡稳定。（3）马道（4）参考教材P81表3.7、3.8

三土石坝的坝坡“上部陡，下部缓”逐级变坡。相邻坝坡之间坡度不超过1:0.25—1:0.5常用坡度1:2—1:4。（1）坡度基础知识均质土坝，上游比下游缓。斜墙坝相比心墙坝，上游缓、下游陡。碾压堆石坝的坝坡相比土坝陡。（2）常用规律粘性土，坝越高，坡度越缓。3.3土石坝材料与构造

主要内容

一土石坝材料要求

二土石坝构造要点

坝顶

防渗体

排水

反滤层

护坡

一土石坝的材料（一）土石料的选择1.土石料的选择（1）选材原则。就近取材；开采运输方便；质量合格；储量丰富（一般要求2倍以上）。

一土石坝的材料（一）土石料的选择2.均质坝对材料的选择（1）强度指标：φ—内摩擦交；c—抗剪强度。（2）渗透系数：k≤10-4cm/s。（3）塑性指数：IP=7—17。（4）有机质含量≤5%。（5）土质以粘土为主，也有壤土。粘土（6）粒径小于0.005m的颗粒不超过40%。

一土石坝的材料（一）土石料的选择3.防渗体对材料的选择（1）渗透系数：k≤10-5cm/s。与坝壳料的渗透系数之比不大于1/1000。（2）塑性指数：IP=10—12。（3）有机质含量：≤1%（4）其他。水溶盐含量（粒径小于0.005mm）为15%—30%或塑性指数为10—17的中、重壤土及粘粒含量30%—40%或塑性指数为17—20。

一土石坝的材料（一）土石料的选择4.坝壳对材料的选择（1）强度指标：φ、C较大。具有抗震、抗滑性。（2）排水性能好，迅速降低浸润线。（3）级配好。土质级配良好的无粘性土（砂、卵石、碎石等）。

一土石坝的材料（一）土石料的选择5.排水、护坡对材料的选择（1）良好的抗水性、抗冻性、抗风化性。（2）强度大，抗压强度不小于50MPa。（3）岩质不易风化、用新鲜岩石、卵石、碎石。

一土石坝的材料（一）土石料的选择6.反滤料及过渡层土料（1）具有透水性、强度，较高的抗水性和抗风化能力。（2）具有良好的级配。（3）尽量用天然砂去筛分，也可以用人工碎石。

二土石料的填筑标准（一）粘性土的填筑标准以设计干重度为设计标准，并以含水量为控制。含砾和不含砾粘性土的天珠标准以压实度和最优含水率为控制指标，设计干重度应以击实最大干重度乘以最大干重度确定。（二）砂性土填筑标准相对密度相对密度(一)坝顶构造1.坝顶一般都做护面，护面材料可采用碎石、单层砌石或混凝土，4级以下的土坝也可以采用草皮护面。若有交通要求，还应该满足交通路面的规定。

2.通常在坝顶上游设防浪墙，且应与坝体防渗体严密结合，墙高1.0—1.2m。

防浪墙3.坝顶一般向一侧或两侧倾斜，坡度为2%—3%，以便于排除雨水。

(一)坝顶构造

（二）坝体防渗体常见的防渗体形式？心墙、斜心墙、斜墙、钢筋混凝土面板等。P84.常见的防渗体形式：心墙斜墙心墙+截水墙斜墙+截水墙心墙+铺盖

根据防渗体的材料，又可以分为土质防渗体和人工材料的防渗体（沥青混凝土、钢筋混凝土、复合土工膜等）。其中已建的工程中土质防渗体居多。温故知新（二）坝体防渗体

1.心墙。

布置在坝体中部，有时稍微偏向上游，以便和防渗体连接，通常采用透水性很小的粘性土筑成。（二）坝体防渗体

1.心墙。心墙顶部高程应高于设计洪水位0.4～0.6m；不低于校核洪水位。心墙上部设保护层，保护层厚度按照冰冻深度确定，且不小于1m。两侧坡度1:0.15～1:0.3底部厚度一般不小于3m顶部厚度一般不小于2m（二）坝体防渗体与坝壳之间应设反滤层

2.斜墙

（二）坝体防渗体

2.斜墙

心墙顶部高程应高于设计洪水位0.4～0.8m；不低于校核洪水位。底部厚度一般不小于水头的1/5。内坡不陡与1:2。心墙上部设保护层，保护层厚度不小于1m，一般取1.5～2.5m。同心墙比较，斜墙在施工时与坝体相互干扰小，坝体上升速度快，但斜墙上游坡度缓，填筑工程量比心墙大。同时，对坝体沉陷变形的影响较敏感，易产生裂缝，为避免这些问题，有时将心墙设在坝体中间偏向上游，成为斜心墙。（二）坝体防渗体3.用混凝土做防渗体，其抗渗性能好，但由于刚度大，容易在与坝体结合处产生裂缝。为降低混凝土的弹性模量，可在集料中加入沥青，成为沥青混凝土。4.土工膜做防渗体。包括聚乙烯、聚氯乙烯、氯化聚乙烯等。对2级以下的坝，可以用土工膜代替粘土、混凝土或沥青等，作为坝体的防渗体材料。（二）坝体防渗体

（三）排水体排水体的作用：（1）降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体稳定；(2)防止渗流逸出处的渗透变形；（3）防止下游波浪对坝坡的冲刷及冻胀破坏。什么是排水？为什么要排水？

贴坡排水棱体排水褥垫排水组合式排水贴坡排水不能降低浸润线高度，其他三种形式可以降低浸润线高度。反滤层反滤层反滤层（三）排水体管式排水

（四）反滤层知识要点：1.反滤层的作用：滤土排水；2.反滤层的位置：置于被保护土的下游侧；3.反滤层的级配：沿渗流方向颗粒由细变粗。

（四）护坡和排水

护坡作用：保护坝面，免受波浪、冰层和漂浮物的损害、降雨冲刷，防止坝体土料发生冻结、膨胀、收缩和人畜破坏。上游护坡：堆石、干砌石、浆砌石、混凝土、沥青混凝土等。下游护坡：草皮、干砌石、堆石等。

王家崖水库大坝上游护坡面板堆石坝的上游钢筋混凝土面板冯家山水库大坝上游护坡下游护坡（四）护坡和排水

总结作业

本节课重点内容：1.坝顶构造的特征；2.防渗体的类型；3.排水体的形式；4.护坡的材料；5.反滤层的作用和配比规律。3.4土石坝渗流分析

课程导入温故知新1.土石坝的坝体结构组成？2.土石坝的防渗体有哪些形式？3.土石坝的排水设施有哪几种形式？4.反滤层的作用？5.坝面排水的设施？

课程导入温故知新6.土石坝的工作特点：稳定方面渗流方面沉降方面冲刷方面浸润线的位置？渗流量？渗透变形？

主要内容

一渗流分析计算简述

二渗流计算的水力学法1

基本假设、原理、公式2

不透水地基上的均质坝渗流分析3

有限透水地基上的均质坝渗流分析

三练习作业

一渗流分析计算概述（一）渗流分析的目的确定坝体浸润线的位置确定坝体及坝基的渗流量，估算水库的渗漏损失。确定坝体及坝基渗漏逸出区的渗流坡降，检查可能发生渗透变形的可能性。为坝体稳定分析和布置观测设备提供依据。

一渗流分析计算概述（二）渗流分析的方法解析法流网法电模拟试验法数值解法流体力学法水力学法

（三）渗流分析的计算工况一渗流分析计算概述

《碾压土石坝设计规范》规定，渗流计算应包括以下水位组合情况：

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。

二渗流计算的水力学法（一）基本假定、基本原理及基本公式1.水力学法基本假定坝体土料均一，各项同性渗流是渐变流动渗流是层流渗流满足连续性方程

二渗流计算的水力学法（一）基本假定、基本原理及基本公式2.水力学法基本原理等效原理叠加原理

二渗流计算的水力学法关于等效原理的设计方法注意参数：1：m1

二渗流计算的水力学法（一）基本假定、基本原理及基本公式单宽流量浸润线方程注：“理想状态下的基本方程”

二渗流计算的水力学法（一）基本假定、基本原理及基本公式4.总渗流量的计算

二渗流计算的水力学法（二）不透水地基均质坝的渗流分析不透水坝基：下游无排水（贴坡排水）的情况下游棱体排水的情况下游褥垫排水的情况

情况一：下游无排水（贴破排水）的均质坝二渗流计算的水力学法通过第一段通过第二段联立求解

情况二：下游褥垫排水的均质坝二渗流计算的水力学法单宽流量浸润线方程修正线方程线抛物线

情况三：下游棱体排水的均质坝二渗流计算的水力学法单宽流量浸润线方程修正线方程线抛物线

均质坝渗流分析的步骤（棱体排水、褥垫排水）二渗流计算的水力学法1.做“等效”，得到xoy坐标系。2.找浸润线的方程末点，并确定关键尺寸，。3.计算q，并确定浸润线方程y。4.根