水工建筑物B 教案

授课时间2008年10月8日第六周星期三第授课地点2204实到人数授课题目§4-1土石坝的概述§4-2土石坝的剖面尺寸与构造授课专业班级工管2006023～2006025教学目的与教学要求掌握土石坝的概念、分类及有缺点和设计要求，学会设计土石坝的一般步骤及土石坝的基本构造。主要内容第一节概述一、土石坝的概念二、土石坝的优点三、土石坝的缺点：四、土石坝设计的基本要求五、土石坝的工作条件六、土石坝的类型七、重要的土石坝第二节土石坝的剖面尺寸与构造一、土石坝的剖面尺寸First,theearthdamsectionSize二、坝的内部构造Second,theinternalstructureofdam重点与难点教学重点：土石坝优缺点和土石坝设计的步骤和构造。教学难点：土石坝剖面的拟定。教学方法手段（教具）参考资料天津大学《水工建筑物》第三版和第四版-祁庆何水利水电《水工建筑物》-王英华黄河水利《水利工程概论》-李宗坤、孙明权课后作业与思考题教学后记水工建筑物B教案讲稿部分教学过程时间分配第四章土石坝Earthandrockfilleddam第一节概述outline一、概念：碾压式土石坝设计规范SL274-2001：利用当地土石材料填筑而成的挡水坝，又称当地材料坝。二、土石坝的优、缺点①筑坝材料可以就地取材。②能适应各种不同的地形、地质和气候条件。③适应大型机械化。④构造简单，运用管理方便。①坝顶不能溢流。②施工导流不方便。③坝体填筑工程量大。三、土石坝设计的基本要求（1）具有足够的断面维持坝体的稳定。（2）设置良好的防渗和排水设施控制渗流。（3）设计合理。（4）泄洪建筑物具有足够的泄洪能力。（5）采取适当的构造措施。四、土石坝的工作条件（1）渗流影响impactofseepage（2）冲刷影响impactoferosion（3）沉陷影响Theimpactofsubsidence（4）稳定方面stabilityaspect（5）其他影响，冰冻、地震、动物筑窝等，五、土石坝的类型1、按坝体高度可分为：（1）高坝highdam；（2）中坝mediumdam；（3）低坝lowdam2、按施工方法可分为：（1）碾压式土石坝rollercompactedearth-rockfilldam（2）水力冲填式土石坝hydraulicfilldam（3）水中填土坝earthdambydumpingsoilintowater（4）定向爆破堆石坝directedblastingrockfilldam3、按土料在坝身内的配置和防渗体所用的材料又可分为：（1）均质坝（2）土质心墙坝（3）心墙多种土质坝（4）土质斜心墙坝（5）多种土质坝（6）土质斜墙坝（7）人工材料斜墙坝（8）人工材料心墙坝4、按坝体材料分类classifiedaccordingtomaterials：（1）土坝，主要由土料填筑而成。（2）堆石坝，坝体材料中砂砾料含量在60%-70%以上，起骨架作用。六、重要的土石坝1、世界上最高的水坝为塔吉克斯坦Tajikistan的罗贡rogun土石坝，坝高335m,水库库容133亿立方米。水电装机360万千瓦。2、我国已建的最高土石坝为小浪底土石坝，坝高154m.3、在建的水布垭面板堆石坝高达233m。清江中游湖北巴东县与长阳县交界处，电站装机总容量184万千瓦，设计安装四台46万千瓦水能发电机组，是世界上最高的面板堆石坝。该工程于2000年正式动工，2002年10月截流，计划2007年首台机组发电，2009年全面竣工。4、阿斯旺高坝AswanHigh

Dam位于开罗以南约700公里。大坝采用粘土心墙堆石坝，高111米，顶宽40米，底宽980米，坝顶长3830米。阿斯旺大坝在粘土心墙内布置灌浆廊道是大胆创新，廊道净宽3.5米，高5米，为钢筋混凝土结构。水库总库容为1689亿立方米。枢纽建筑物包括大坝、引水工程和电站。电站装机容量为210万千瓦。第二节土石坝的剖面尺寸与构造sectionsizeandstructureoftheearthdam一、土石坝的剖面尺寸（一）确定的基本途径essentialwayofdetermination：1、初步拟定坝顶高程、坝顶宽度和坝坡2、通过渗流、稳定分析最终确定的合理的剖面形状。（二）坝顶高程拟定draftcrestelevation1、计算工况thecalculationcases(calculationconditions、computationconditions)坝顶高程等于水库静水位与坝顶超高之和，应按以下运用条件计算，取其大值：（1）设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；（2）正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高；（3）校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；（4）正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全加高（地震区）。2、坝顶超高计算superelevationcalculationsofdamy─坝顶超高，m；R─波浪在坝坡上的最大爬高，m；e─最大风壅水面高度，m；A─安全加高，m。（1）波浪爬高（RP）1°平均波高和平均波长的计算（波浪要素的计算）：公式：官厅水库公式、莆田实验站公式以及鹤地公式。2°平均爬高Rm：爬高指波浪沿建筑物坡面爬升的垂直高度（由风壅水面算起），它与坝前的波浪要素element（波高和波长）、坝坡坡度、坡面糙率surfaceroughness、坝前水深、风速等因素有关。当坝坡系数m=1.5～5.0时。当m≤1.25时式中：R0─无风情况下，平均波高hm=1.0m，K△=1时的爬高值，可查表K△──斜坡的糙率roughnesscoefficient渗透性系数permeatecoefficient，根据护面的类型查表。m──单坡singlesloping的坡度系数slopefator，若单坡坡角为α，则m=cosα。Kw──经验系数，按表确定。hm，Lm──平均波高和波长，m。3°设计爬高Rp不同累计频率cumulativefrequency的爬高RP与Rm的比，可根据爬高统计分布表确定。设计爬高值按建筑物级别structuregrade而定，对1、2、3级土石坝取累计频率accumulativefrequencyP=1％的爬高值R1%；对4、5级坝取P=5％的R5%。（2）风壅水面高度e式中D──风区长度，m，取值方法见重力坝；Hｍ──坝前水域平均水深，m；K──综合摩阻系数，一般取K=3.6×10－6；β──风向与水域中线（或坝轴线法线）的夹角（°）；W──计算风速，m/s,正常运用情况下的1级、2级坝，采用多年平均最大风速的1.5～2.0倍；正常运用条件下的3级、4级和5级坝，采用多年平均最大风速的1.5倍；非常运用条件下，采用多年平均最大风速。（3）安全加高见表格（4）坝顶设防浪墙时，超高值y是指静水位与墙顶的高差。要求在正常运用条件下，坝顶应高出静水位0.5m，在非常运用情况下，坝顶不应低于静水位。（三）坝顶宽度crestwidth（1）确定根据Determinationbasis：运行、施工、构造、交通和防汛。（2）规范规定：高坝的坝顶最小宽度为10~15m；中低坝的坝顶最小宽度为5~10m。（3）最小宽度经验公式：（a）当坝高在30m~100m时，Bmin=0.1H;（b）当坝高大于100m时，Bmin=H0.5.（三）坝坡damslope1、一般规律：（1）稳定前提下采用较陡坝坡，减少工程量。（2）从坝体上部到下部，坝坡逐步放缓。（3）均质坝的上下游坡度比心墙坝的坝坡缓。（4）心墙坝：坝壳采用非粘性土料，上下游坝坡可陡些，坝体剖面较小，但施工干扰大。（5）粘土斜墙坝的上游坡比心墙的坝坡缓，而下游坝坡可比心墙坝陡些，施工干扰小，斜墙易断裂。砂砾料坝体可不变坡，但一般也常采用变坡形式。（6）土料相同时上游坡缓于下游坡。（7）粘性土料坝的坝坡与坝高有关，作成几级，相邻坡率差值为0.25~0.5。（8）砂或砂砾料坝体的坝坡与坝高关系甚微。（9）碾压式堆石坝的坝坡比土坝陡。（四）马道也称纤道berme1、马道作用：坝面排水、检修、观测、道路、增加护坡和坝基稳定。（1）土质防渗体分区坝和均质坝上游坡少设马道。（2）非土质防渗体材料面板坝上游不宜设马道。2、斜马道：（1）其坡度、宽度、转弯半径、弯道加宽和超高等，应满足施工车辆行驶要求。（2）斜马道之间的实际坝坡可局部变陡，但平均坡度应不陡于设计坝坡。3、马道宽度应根据用途确定，但最小宽度不宜小于1.50m（<2.0m）。二、坝的内部构造theinternalstructureofdam（一）主要构造：土石坝由坝身、防渗体、排水体和护坡等四部分组成。（二）坝的防渗体；防渗体的作用控制坝内浸润线的位置，并保持稳定渗流，这部分的土体比坝壳其他部分更不透水1、防渗体种类typesofanti-seepage（1）粘性土心墙cohesivesoilcorewall;（2）粘性土斜墙inclinedcohesivesoilwall;（3）粘性土斜心墙cohesivesoilslopingcore;（4）沥青混凝土防渗墙asphaltconcrete等。2、粘性土心墙Claycore（1）厚度：顶部最小厚度应不小于3m，底部厚度按下式计算下限值，且不小于3m，式中：H1-H2：为防渗体的上下游水头差；T：防渗体的厚度；Ja：平均容许渗透坡降，壤土Ja取4m，粘土Ja取6m。（２）心墙两侧边坡：１:0.15～1:0.3，厚心墙可达到１:0.4～1:0.5（３）过渡层或反滤层：厚1~3m的，作用：反滤的，缓和沉陷差，提高防渗体的容许渗透坡降，改善坝体应力分布和反滤排水。transitionlayer(bufferlayer,interlayer)（４）心墙顶部超高：0.3～0.6m,要高于校核洪水位。（５）顶端保护层：>1m，防土质防渗体冻结和干裂。（6）心墙可靠的连接防集中渗流。3、粘性土斜墙clayinclinedwall（１）位于坝体上游面，其结构尺寸确定与粘土心墙基本相同。（２）底部厚度（垂直于上游面）不宜小于０.2H，，以保持渗流稳定。（3）斜墙顶部高出设计洪水位0.6～0.8m,且不应低于校核洪水位。（4）斜墙顶部及上游坡应设置保护层，防冲刷、冰冻及干裂。材料为砂砾、卵石和碎石等。其厚度应不小于该地区的冰冻和干裂深度，一般采用2～3m。4、粘性土斜心墙（1）作用：克服直立心墙的拱效应和斜墙对变形敏感。保持了心墙坝上游较陡和斜墙坝下游坡较稳定的好处。并可改善坝体的应力状态和避免防渗体开裂。（2）斜心墙上游坡1:0.6～1:1.0之间，有些国家的经验认为1:0.５～1:０.6较好。（3）日本专家认为：斜心墙抗震性能与心墙坝相仿，而优于斜墙坝。（4）例子：美国渥洛维尔坝（224m）和加拿大买加坝（244m）5、沥青混凝土防渗墙asphaltconcretecut-offwall（1）结构主要有心墙和斜墙两种型式，要求具有稳定性、耐久性和抗渗性。（2）特点：①良好的塑性和柔性，适应变形能力强，渗透系数约为10-7～10-10cm②沥青混凝土在产生裂缝时，自行愈合能力好；③施工简单受气候影响小。（3）材料：沥青含量控制在9%，其余为砂、石子和石灰石粉LimeStonepowder、水泥、平炉渣openhearthslag等填料。（4）历史：1934年，德国12m高的阿梅克Amecker沥青斜墙坝；世界上最高的为奥地利的欧申涅克坝，坝高为106m。最早建成的沥青混凝土心墙坝是1949年葡萄牙的瓦勒•多•盖奥(ValedeCaio)坝（5）厚度：为（1/50～1/100）H，H为作用水头。（6）结构形式：单层式（单层monolayer）和复式（双层doublelayer）两种。①单层：用于较低的坝。单式面板常由每小层厚度大于5cm的三3层以上的小层沥青混凝土构成。②双层：在面板中间设有排水层，上下两层都为级配良好的密实混凝土，中间排水层为级配不连续的多孔沥青混凝土，用于较高的坝。上层多为2层以上，排水层和下层常为1层或2层，细颗粒级配沥青混凝土的每层厚度一般为4～6cm，且要大于骨料最大粒径的3倍。排水层的厚度通常在7～15cm，整平及碎石垫层厚度为30～40cm。（7）心墙：用得较少。6、钢筋混凝土面板reinforcedconcretepanels7、复合土工膜compositegeomembrane（三）坝体排水设备Drainagefacilityinthedambody1、坝体排水种类typesofdamdrainage（1）坝体内排水：1）竖式排水，包括直立排水、上昂式排水、下昂式排水等；2）水平排水，包括坝体不同高程的水平排水层、褥垫式排水（坝底部水平排水层）、网状排水带、排水管等。（2）棱体排水（滤水坝趾）；（3）贴坡式排水；（4）综合型排水，由上述各种排水形式中的两种或多种综合组成。2、坝体排水概述outlineofdamdrainage（１）材料：排水设施由砾石、碎石、卵石做成的排水体和反滤层两部组成。（２）主要作用：降低坝体浸润线，使下游坝坡大部分土料处于较干燥状态，以增加稳定性，防止渗透破坏和冻胀破坏。（３）设计考虑因素：排水形式和坝型、坝基地质、下游水位、施工条件及材料供应等因素有关。要求保持充分的排水能力，排水周围的土壤不应发生渗透破坏。3、贴坡排水surfacedrainage①表层排水，设置在下游坝坡底部，由1~3（书中1~2）层堆石或砌石构成，在石块与坝坡之间应设反滤层；②尺寸：厚度应略大于当地的冰冻深度，顶部应高出浸润线溢出点０.5~1.0m，并高出下游最高水位1.5~2.0m。③特点：形式简单，省料且易于检修，可防止渗透破坏和免受尾水冲刷。因未伸入坝体，不能降低浸润线，且防冻性较差。④适用：中小型且下游无水的均质坝及浸润线较低的心墙、斜墙坝。4、棱体排水prismdrainage①下游坝脚（坝趾）处用块石堆成棱体，在坝体和坝基与棱体之间需设反滤层。②尺寸：棱体顶部应高出下游最高水位０.5～1.0m，保证坝坡面和浸润线的距离大于该地区的冰冻深度。棱体顶宽度应不小于1m。棱体内坡由施工条件来确定，一般为1：1～1：1.5，外坡为1：1.5～1：2。③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，存在施工干扰。④适用：较高的土坝及石料较多的地区。5、褥垫排水horizontalblanketdrainage①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。②伸入坝体长度不大于1/3~1/4坝底宽，倾向下游的纵向坡度约为0.005～0.01,利水排出。③特点：下游无水时，能有效降低浸润线，有助于坝基排水固结，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。④适用下游无水或水位较低的情况6、混合式排水Hybriddrainage（四）护坡1、设置护坡的目的：1）上游护坡1º波浪淘刷；2º顺坝水流冲刷；3º漂浮物和冰层的撞击及冻冰的挤压。2）下游护坡1º冻胀、干裂及蚁、鼠等动物破坏；2º雨水、大风、水下部位的风浪、冰层和水流作用。2、设置护坡的一般要求：（1）垫层作用：反滤和过渡。（2）排水孔作用：消除护坡底面积水、降低浸润线和护坡底面扬压力。（3）护坡的范围：1º上游护坡，上部自坝顶（防浪墙），开始下部伸至死水位以下不小于2.50m（IV、V级坝可减至1.5m），最低水位不确定时应护至坝脚。2º下游坝坡应由坝顶护至排水体顶部，无排水体时也应护至坝脚。3、上游护坡材料1）堆石（抛石）；2）干砌石；3）浆砌石stonemasonry；4）预制或现浇的混凝土或钢筋混凝土板（或块）；5）沥青混凝土asphaltconcrete；6）其他形式（如水泥土cement-soil）上游坝面要有足够抗冲能力。已建造的土石坝，多采用堆石、干砌石和浆砌石护坡和混凝土护坡。4、干砌石护坡：（1）根据波浪大小可做成单层或双层；（2）单层厚度约为0.3～0.5m，双层干砌石护坡厚度约0.4～0.6m，。（3）当护坡与坝体土料之间不满足反滤要求时，护坡底面需设碎石或砾石垫层，垫层厚度一般为0.15～0.25m，并满足反滤要求和不冻要求。5、浆砌石护坡：（1）浆砌石是在块石之间充填砂浆或细石混凝土。（2）适用于波浪高、压力大、容易被冲坏的情况。（3）浆砌石护坡稳定性较好，其厚度可比干砌石护坡酌情减小。6、混凝土护坡：混凝土护坡有现浇和预制两种形式，采用方形5m×5m～20m×20m厚度为15～20cm的现浇板块、六角形预制块。7、其他如沥青混凝土护坡和水泥土护坡8、下游护坡材料：下游护坡型式一般有1）干砌石stonepitchingdry-laidstone；2）堆石、卵石或碎石；3）草皮；4）钢筋混凝土框格填石；5）其他形式（如土工合成材料）。9、下游护坡的几点规律（1）砾石和碎石护坡，厚度为0.1～0.15m（2）气候温和湿润地区的粘性土均质坝，可用草皮护坡grassedslope（sodrevement）。若是砂性土坝，可先铺一层腐殖土再植草皮sodfacing。（3）若石料丰富可用单层砌石护坡，护坡范围应从坝顶护至坝趾排水体。（4）卵石或碎石护坡：适用于由砂或砾石填筑的下游坝坡，卵石或碎石的粒径应为5～10cm，厚度40cm。（5）钢筋混凝土框格填石护坡：适用坝坡较陡、仅仅采用卵石或碎石护坡不稳定且不适宜采用草皮护坡的情况。框格尺寸一般为4～5m×4～5m，框条宽0.2m，厚0.3m，在框格中填卵石或碎石。（6）对干砌石、浆砌石、卵石或碎石、沥青混凝土以及钢筋混凝土护坡，护坡的下部都应设置碎石或砂、砂砾石垫层。垫层厚度约为15～30cm。冰冻地区，垫层厚度还应满足坝坡不冻要求。（五）坝顶护面：1、碎石、单层砌石、沥青或混凝土，IV—V级的土石坝也可用草皮护面。有交通要求时，坝顶护面应满足公路路面的有关规定。2、坡度：为排除降雨积水，向下游侧放坡2%～3%之间，并做好向下游的排水系统。3、防浪墙：墙顶应高于坝顶1.00～1.20m（六）坝面排水；1、范围：包括坝顶、坝坡、坝头及坝下游等部位的集水、截水和排水措施。坝坡与岸坡连接处也应设排水沟，其集水面积应包括岸坡积水面积在内。2、排水沟的尺寸和底坡应由计算确定。3、排水系统应纵横贯通，有马道时，纵向排水沟宜设在马道内侧，竖向排水沟可每隔50～100m设一条。4、排水沟的横断面可用混凝土浇筑或浆砌石砌筑，一般断面尺寸应不小于深0.2m，宽0.3m。15’20’30’25’华北水利水电学院授课时间2008年10月10日第6周星期五第授课地点1601实到人数授课题目§4-3土石坝的筑坝材料§4-4土石坝的渗流分析授课专业班级工管2006023～2006025教学目的与教学要求掌握土石坝对筑坝材料的要求，土石坝渗流分析的目的、方法以及渗流分析的水力学方法。主要内容第三节土石坝的筑坝材料embankmentmaterialofthedam一、筑坝材料选则的原则二、坝体不同部位对土石料的要求三、土料填筑标准的确定第四节土石坝渗流分析一、渗流分析的目的和内容二、渗流分析的工况三、渗流基本理论四、渗流分析的基本方法五、流网法flownet六、水力学法hydraulics七、渗透变形及防止措施重点与难点教学重点：土石坝筑坝材料的碾压质量控制指标，渗流分析的水力学方法。教学难点：非溢流坝剖面设计的基本原则、基本剖面及实用剖面。教学方法手段（教具）参考资料天津大学《水工建筑物》第三版和第四版-祁庆何水利水电《水工建筑物》-王英华黄河水利《水利工程概论》-李宗坤、孙明权课后作业与思考题教学后记水工建筑物B教案讲稿部分教学过程时间分配第三节土石坝的筑坝材料embankmentmaterialofthedam一、筑坝土石料选择的原则theprincipleofembankmentmaterialselection1、具有或经加工处理后具有与其使用目的相适应的工程性质，并具有长期稳定性；2、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；3、便于开采、运输和压实。二、坝体不同部位对土石料的要求1、防渗体对土料的要求1º渗透系数要求：均质坝应不大于1×10-4cm/s，心墙和斜墙应不大于1×10-5cm/s；2º水溶盐含量（指易溶盐和中溶盐，按质量计）：均质坝、心墙坝应不大于3%；3º有机质含量（按质量计）：均质坝应不大于5%，心墙和斜墙应不大于2%；4º具有较好的塑性和稳定性；5º浸水与失水时体积变化较小。2、不宜作为坝的防渗体填筑料（或处理后）：1º塑性指数大于20和液限大于40％的冲积粘土；2º膨胀土；3º开挖、压实困难的干硬粘土，4º冻土；5º分散性粘土。3、坝壳土石料的要求开采坝壳堆石料，应遵守下列规定：1º开采前应彻底清除覆盖层overburden；2º不同程度的风化weathering料与新鲜石料应分区开采；3º易风化的软岩Softrock（如泥岩mudstone、页岩shale（laminatedrock））宜边开采、边填筑；4º宜进行爆破设计blastingdesign，必要时进行爆破试验。5º有机质含量organiccontent不应超过5%6º水溶盐含量solublesalt不应超过8%7º不均匀系数nonuniformitycoefficient在η=d60/d10≥30~100之间是级配良好的土料。得到较大的干容重drybulkdensity和抗剪强度shearingstrength。8º料场开采和建筑物开挖的无粘性土cohesionlesssoil（包括砂sand、砾石gravel、卵石screecobble、漂石erraticboulder等）、石料和风化料、砾石土均可作为坝壳料，并应根据材料性质用于坝壳的不同部位。9º均匀中mediumsand、细砂finesand及粉砂mealysand可用于中、低坝坝壳的干燥区，但地震区不宜采用。10º采用风化石料和软岩填筑坝壳时，应按压实后的级配研究确定材料的物理力学指标，并应考虑浸水后抗剪强度的降低、压缩性增加等不利情况。对软化系数低、不能压碎成砾石土的风化石料和软岩宜填筑在干燥区。11º下游坝壳水下部位和上游坝壳水位变动区应采用透水料填筑。4、反滤、过渡层要求：1º质地致密，抗水性和抗风化性满足要求；2º具有要求的级配；3º具有要求的透水性；4º粒径小于0.075mm的颗粒含量应不超过5％。5º反滤料可利用天然或经过筛选的砂砾石料，也可采用块石blockstone、砾石轧制rolling，或天然和轧制的掺合料。6º等级低坝可采用土工织物geotextile，geofabric作为反滤层。5、排水、护坡对土石料的要求1º良好的抗水性、抗冻性和抗风化性。2º抗压强度不低于40～50Mpa，软化系数coefficientofsofting不小于0.75～0.85。3º用新鲜岩石、卵石、碎石。4º岩石的空隙率不大于3%，吸水率（按孔隙体积比计算）不大于0.8，容重应大于22kN/m3。三、土料填筑标准的确定thedeterminationofmaterialfillingstandard(placementstandards,fillingstandards1、土料的填筑标准：较高密实度、均匀性、强度和较小的压缩性、经济合理的坝体剖面。2、确定填筑标准时，应考虑下列因素：①坝高、坝型、坝的级别和坝的不同部位；②坝体填料特性：土石料的压实特性、参数③坝基土的强度和压缩性compressibility；④当地气候、设计地震烈度和其他影响；⑤采用的压实机具、施工难易程度；⑥不同填筑标准对造价的影响。3．粘性土的填筑标准（1）粘性土的填筑标准以压实度degreeofcompaction和最优含水率optimummoisturecontent作为控制指标:设计干容重应以击实最大干容重乘以压实度确定。（2）对于I、II级坝和高坝的压实度P应取98%～100%，III—V级坝和中、低坝应取0.95～0.98，V级坝和低坝取小值，设计地震烈度为8～9度时取最大值。对混凝土防渗墙顶部的高塑性土plasticsoil、湿陷性黄土，需根据工程实际情况确定合适的压实度。4．砂和砾石的填筑标准（1）击实可提高其抗剪强度和减小压缩性、防止液化。试验表明：砂砾的压实与级配和压实功有关；填筑标准应以相对密度为设计控制指标。（2）对于砂料，相对密度不应低于0.7，反滤料宜为0.7，砂砾石不应低于0.75。砂砾石，→室内结果→级配～干容重～相对密度关系，→现场挖坑取样检查。5、对于堆石料：宜用孔隙率relativedensity为设计控制指标，宜取20%～28%。第四节土石坝渗流分析一、渗流分析的目的和内容1、土石坝渗流分析的目的：①对初选的坝的形状与尺寸进行检验，确定渗流作用力，为核算坝坡稳定提供依据；②进行坝体防渗布置与土料配置，检验土体的渗流稳定，防止发生管涌与流土，在此基础上确定坝体及坝基中防渗体的尺寸。③确定渗流水量损失→排水系统的容量。2、渗流计算内容：①确定坝体浸润线及下游出逸点的位置，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确定坝体出逸段与下游坝基表面的出逸坡降，以及不同土层间的渗透比降；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、渗流量或渗透比降。二、渗流分析的工况operatingcondition上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；上游设计洪水位与下游相应的水位；上游校核洪水位与下游相应的水位；库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况三、渗流基本理论1、坝体和两岸的渗流为无压渗流unpressurizedseepage，有浸润线phreaticline存在，大多数情况下可看作稳定渗流steadyseepage，但水库水位急降时则产生不稳定渗流transientseepageflow，需要考虑浸润面随时间变化对坝坡稳定的影响。2、土石坝中渗流流速和坡降slopegradient的关系：其中，k为渗透系数permeabilitycoefficient，量纲dimension和流速同（m/s），为参量，β=1～1.1时为层流，β=1.1～1.85时为过渡状态，β=2为紊流，v是指化引为全断面流速，实际流速较此为高。3、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Darcy'slaw，即β=1，对于细粒土基本满足这一条件，对于粗粒土如砂砾石、砾卵石，只有部分满足这一条件，当达到1～10m/s时，=1.05～1.72，此时利用达西定律有一定的出入。4、对宽广河谷中的土石坝，一般采用二维渗流分析就可以满足要求，对狭窄河谷中的高坝，需要进行三维分析。5、一个基本公式：达西定律：应用达西定律，并假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等，对不透水地基上的矩形土体，流过断面上的平均流速为：单宽流量：自上游向下游积分：自上游向区域中某点（x,y）积分，得浸润线方程：四、渗流分析的基本方法methodsofseepageanalysis1、方法：流体力学法、水力学法、图解法和试验法，最常用的是水力学法和流网法（图解法）2、要求：计算渗流量→土层渗透系数的大值平均值→水位降落时的浸润线→小值平均值。3、方法选择：对1、2级坝和高坝应采用数值法计算确定渗流场各因素，其它可采用公式计算。岸边的绕坝渗流和高山峡谷的高土石坝应按叁维渗流用数值法计算。五、流网法flownet1、流网的概念：复杂剖面和边界条件，用计算方法求解土石坝浸润线比较困难，且不准确。流网法可求出渗流区任一点的渗透压力Osmoticpressure、坡降sloping、流速及渗流量。渗流场seepagefield：渗流运动的水质点的空间．流线streamline：水质点运动的轨迹．等势线equipotentialline：渗流场中势能相等的各点连线流网flownet：流线与等势线组成的网格。2、流网的画法：浸润线和不透水地基的表面都是流线；上下游水下边坡都是等势线；下游边坡出逸点至下游水位既是等势线又是流线。出逸段和浸润线上各点压力均为大气压力。画法:（1）根据经验初拟浸润线位置及出逸点。（2）上、下游落差等分。（3）等分的水平线与浸润线的交点即为等势线与浸润线的交点。（4）由交点绘制与等势线，一端垂直浸润线，一端垂直于地基表面，然后绘制流线。六、水力学法hydraulics（一）基本假定basicassumption1、土料均一，各向同性;2、渗流属稳定流；3、看作平面问题；4、渗流看作层流,渗流符合连续定律。（二）基本要点1、将坝内渗流分成若干段（即分段法）；2、应用达西定律和杜平假定（假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等），建立各段的运动方程。3、根据水流连续性求解流速、流量和浸润线等。（三）不透水地基均质坝的渗流计算（1）取1m宽坝体为计算单元，将空间问题→平面问题。用虚拟矩形体代替上游三角形。（2）原则：虚拟矩形体和上游三角形产生的渗流阻力相等。（3）当坝体与坝基的渗透系数相同时，虚拟矩形的宽度可取ΔL=0.4H1，当上游坝坡较陡（m1<2）时，虚拟矩形的宽度可取ΔL=m1*H1/（1+2m1），若为变坡率则应采用平均坡率。（4）渗流浸润线phreaticline在下游坝坡面的逸出点在下游水位之上。ao为渗流逸出点至下游水位的垂直距离。以通过渗流逸出点的垂直线为分界线，将坝体分成上、下游段两部分。当K地≤K坝/100）时，可认为地基是不透水的。（5）渗流计算上游段的任一点所在断面的渗透坡降则该断面的渗流量对首端至末端积分对首端至任意断面积分得浸润线方程下游段的渗流计算分析，水上部分：任一流管的过水断面为，长度为，作用水头为，沿高度呈线性变化，则渗透坡降为渗透流量为

水上部分的渗流流量：

水下部分：任一流管作用水头为常数，渗透坡降为，渗透流量为

。水下部分的渗流量：下游段的渗流量:：

由流量连续原理：，求解出及。（四）总渗流量计算（五）一些说明1、渗透系数相差5倍以内的相邻薄土层可视为一层，采用加权平均WeightedAverage渗透系数；2、双层结构坝基，如下卧土层subjacentbed较厚，且渗透系数小于上覆土层overlayingsoil渗透系数的1/100，可将下层视为相对不透水层；3、当透水层坝基深度大于建筑物不透水层底部长度的1.5倍以上时，可按无限深infinitedeep透水层permeablelayer情况估算。七、渗透变形及防止措施1、渗透变形seepagedeformation：定义：土石坝及地基中的渗流，由于物理和化学作用，土体颗粒流失，导致土壤发生局部破坏，称为渗透变形。2、常见渗透变形：（1）型式：管涌、流土、接触冲刷、剥离、化学管涌等。（2）管涌piping：在一定渗流作用下，土体中的细颗粒沿骨架颗粒所形成的孔隙管道移动或被渗流带走，发生于无粘性土中（沙砾料）。（3）流土soilflow：指在渗流作用下，粘性土及均匀无粘性土体被浮动的现象。流土常见于下游逸出处。（4）接触冲刷contactscouring：渗流沿着两种不同介质的接触面流动时，把其中颗粒层的细粒带走。（5）接触流土soilflowoncontactsurface渗流垂直于两种不同介质的接触面流动时，把其中一层的细粒，移入到另一层中去。例如反滤层的淤塞。化学管涌：指土体中的盐类被渗流水溶解带走的现象。3、变形的判别：（1）用土料的不均匀系数η；（2）用土体的孔隙直径与填料粒径之比；（3）用土体的细粒含量来判别。4、渗透变形计算土体在渗流作用下是否发生渗透破坏，主要取决于土体本身的抗渗强度。通常用临界坡降作为判定标准。临界坡降hydraulicgradient指土体中的细粒随着渗流的加剧，由静止转化为运动状态的坡降，可通过试验和计算确定。（1）产生管涌和流土的临界比降计算：1°管涌的临界水力比降计算：管涌临界水力比降的理论研究至今尚不成熟，对于中、小型工程，当渗流自下而上时，非粘性土发生管涌的临界水力比降可参照下式计算：：-沙金渲2°流土的临界水力比降计算：太沙基（2）管涌和流土的其他判别：粘性土不会产生管涌，无需判别，对于无粘性土，管涌与流土应根据土的细小颗粒含量按式判别：管涌＜；流土≥对于不均匀系数Cu大于5的不连续级配土也可判别：管涌Pc＜25%流土Pc≥35%中间为过渡型。5．防止渗透变形的工程措施具体有：①增大渗径，降低渗透破坏或截阻渗流；②设排水沟或减压井，降低下游渗流出口处的渗透压力。③在可能发生管涌地段，需设反滤层，拦截细粒；④可能发生流土地段，加设盖重。6、反滤层filter（1）反滤层可由2～3层不同粒径的砂、石料组成，每层粒径随渗流方向而增大。（2）其作用是滤土排水。（反滤的作用是滤土排水，防止土工建筑物在渗流逸出处遭受管涌、流土等渗透变形的破坏以及不同土层界面处的接触冲刷。反滤层是提高坝体抗渗破坏能力、防止各种渗透变形特别是防止管涌的有效措施。（3）在防渗体渗流出口处，如不符合反滤要求，必须设置反滤层。（4）反滤层每层的厚度应根据材料的级配、料源、用途、施工方法等综合确定。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0.50m；采用机械施工时，最小厚度应根据施工方法确定华北水利水电学院授课时间2008年10月14日第七周星期二第授课地点南阶梯0001实到人数授课题目§4-5土石坝的稳定分析§4-6土石坝的地基处理及裂缝控制授课专业班级工管2006023～2006025教学目的与教学要求刚体极限平衡法在土石坝稳定分析中的应用，各种软基的处理方法以及裂缝种类和控制措施。主要内容第五节土石坝的稳定分析一、土石坝失稳特点二、土石坝滑动失稳形式三、土石坝稳定分析的目的四、荷载及其组合五、抗剪强度指标的测定和选择六．稳定安全系数的采用七、坝坡稳定分析第六节土石坝的地基处理及裂缝控制一、土石坝地基处理的目的和要求二、常见的土石坝地基三、岩石地基的处理四、砂砾石地基处理重点与难点教学重点：瑞典条分法以及折线滑动法，软基处理技术以及裂缝控制。教学难点：瑞典条分法和地基处理技术。教学方法手段（教具）参考资料天津大学《水工建筑物》第三版和第四版-祁庆何水利水电《水工建筑物》-王英华黄河水利《水利工程概论》-李宗坤、孙明权课后作业与思考题教学后记水工建筑物B教案讲稿部分教学过程时间分配第五节土石坝的稳定分析一、土石坝失稳特点1、坝坡较缓→在外荷载及自重作用下→不会产生整体水平滑动→坝体或坝体连同部分坝基一起局部滑动的现象，造成失稳。2、土石坝失稳的原因→由于坝体抗剪强度太小，坝坡偏陡，滑动土体的滑动力超过抗滑力，或由于坝基土的抗剪强度不足因而会连同坝体一起发生滑动。二、土石坝滑动失稳形式土石坝由松散体构成，剖面大，是局部坝坡滑动。常见几种滑裂形式：（1）曲线滑动面（2）直线或折线滑动面（3）复合滑动面三、土石坝稳定分析的目的：分析坝体及坝基在各种不同的工作条件下可能产生的稳定破坏形式。通过必要的力学计算，校核坝剖面的安全度，经过反复修改定出经济剖面。确定土坝稳定性，主要指边坡的抗滑稳定。四、荷载及其组合（一）作用力1、自重：水上——湿容重，水下——浮容重。2、渗透力：是渗流引起的动水压力，与渗透坡降有关，土体表面上所受的渗透压强为，其中为水的容重，J为该处的渗透坡降。3、孔隙水压力：多发生在施工期，一方面粘性土或坝基中的软性土层，随着填筑而产生空隙水压力，或者库水位骤降，土体浮容重变成饱和容重。4、地震惯性力：地震区应考虑地震惯性力。地震惯性力以拟静力法计算。（二）荷载组合（计算工况）1、正常运用条件。（1）上游正常蓄水位与下游相应的最低水位或上游设计洪水位与下游相应的最高水位形成稳定渗流期的上、下游坝坡。2、非常运用条件Ⅰ（1）施工期的上下游坝坡。（2）上游校核洪水位与下游相应最高水位可能形成稳定渗流的上下游坝坡。（3）水库水位的非常降落，即库水位从校核洪水位降至死水位以下或大流量快速泄空的上游坝坡。3、非常运用条件Ⅱ。正常运用水位遇地震的上、下游坝坡。五、抗剪强度指标的测定和选择1．确定抗剪强度指标的计算方法抗剪强度指标的计算方法有总应力法和有效应力法。对于各种计算工况，土的抗剪强度都可采用有效应力法按下式确定：2．抗剪强度指标的测定方法及仪器使用规定筑坝土料的抗剪强度应采用三轴仪truetriaxialapparatus测定。III级中低坝，可用直剪仪—慢剪试验测有效强度指标。对于K<10-7cm/S土：允许采用直剪仪按快剪或固结快剪。六．稳定安全系数的采用按照我国《碾压式土石坝设计规范》，当用计及条块间作用力的计算方法时，坝坡稳定安全系数应不小于表规定的数值；当采用不计条块间作用力时，对I级坝正常运用：K>1.30，其他情况应比表规定的数值减少8%。表坝坡抗滑稳定最小安全系数七、坝坡稳定分析（一）坝坡稳定分析方法大致可分为强度分析法和刚体极限平衡法。1、强度分析法是应用土力学理论通过某种数值计算（如有限元法）求出土坝剖面内各点的应力分量，然后与土体具有的强度比较，以判定是否坍滑。2、极限平衡法：根据坝体结构和坝基情况，假定滑动面形状，然后计算滑动面上是否具有足够抵抗滑动体坍滑collapse能力。根据滑动面的不同，又可分为圆弧滑动法、折线滑动法和复式滑动法。（二）圆弧法1、圆弧法是假定坝坡滑动面为一圆弧，取圆弧面以上土体作为分析对象。2、常用于均质坝、厚心墙坝和厚斜墙坝；3、圆弧法由瑞典人彼得森提出，故称瑞典圆弧法。4、该法把分滑动体分若干土条，不考虑土条间的作用力，把滑动土体相对圆弧圆心的总阻滑力矩Mr与总滑动力矩MT的比值定义为坝坡稳定安全系数。5、最小安全系数的滑动面需反复试算才能确定。（三）滑动楔体法sliding（slip）-wedgemethod1、无粘性土坝坡，如心墙坝的上、下游坝坡、斜墙坝的下游坝坡或上游保护层以及保护层与斜墙等可能形成折线形滑动面。稳定分析时可按滑楔法计算。2、对厚斜墙坝和厚心墙坝还应按圆弧法校核。3、按滑楔法计算时，常将滑动体以折点为界分为若干滑楔。滑楔间的相互作用力方向一般按两种方向拟定：一种是水平方向；另一种是平行于滑动斜面，前者计算的稳定安全系数比后者小。因此，假定滑楔间作用力的方向不同，对稳定安全系数的要求也不同。（四）复式滑动法compositesurfaceofsliding如图所示，坝坡的任一滑动面abcd，其中ab、cd为圆弧滑动面。分析的思路是将滑动体分为三个区域，土块abf的推动力为，cde的阻滑力为，分别作用在fb和ec面上，土块bcef产生的阻滑力为，作用在bc面上，建立稳定极限平衡方程式为:第六节土石坝的地基处理及裂缝控制一、土石坝地基处理的目的和要求（1）渗流控制：减小渗透坡降和渗流量,防止渗透变形，降低坝体浸润线，减少下游的浸没。（2）稳定控制：足够的坝基强度。（3）变形控制：沉降量在控制范围内，特别防止不均匀沉降，避免产生裂缝。资料表明:土石坝有40%是因地基失事的二、常见的土石坝地基（1）岩基或浅覆盖地基（2）砂砾石地基（3）细砂或有淤泥地基（4）粘土或黄土地基三、岩石地基的处理1、清基：清除表面的腐植土和可能造成集中渗流和发生滑动的表层土石，如较薄的细砂层、草皮、稀泥、乱石以及松动块石。2、小型土石坝可不处理岩石地基，只需清理即可。3、大中型工程常用的岩基防渗处理方法是灌浆帷幕，以岩基单位吸水率值确定。大型工程一般为0.03～0.05l/（min·m·m），对于中型工程可增至0.1l4、断层破碎带，采用挖除、回填混凝土和做混凝土塞、帷幕灌浆或采用混凝土防渗墙。四、砂砾石地基处理1、主要方法有（1）垂直防渗：粘土截水槽claycutoffchute（trench），砼防渗墙concretecut-offwall灌浆帷幕groutcurtain；（2）水平防渗：铺盖blanket；（3）下游设排水减压设施。2、粘土截水槽（1）适用：砂砾土层深度在15m以内。（2）位置：一般设在大坝防渗体的底部（均质坝则多设在靠上游1/3～1/2坝底宽处），横贯整个河床并伸到两岸。（3）尺寸:截水墙的底宽，应按回填土料的允许比降确定（砂壤土取3.0，壤土3.0～5.0，粘土5.0～10.0），一般取5m~10m，最小宽度3.0m。插入相对不透层的深度应不小于0.5～1.0m3、混凝土防渗墙（1）适用:砂砾石层深度在15～80m。（2）尺寸决定因素：坝高、防渗墙的允许渗透比降、墙体溶蚀速度和施工条件等，一般允许比降以80～100为宜。从渗水作用下带走游离氧化钙Freecalciumoxide而使强度降低，渗透性增加，因此，可按其强度50%的年限审核墙体厚度。从施工和坝高考虑，用冲击钻造孔，1.3m直径钻具最大，一般将墙体厚度控制在0.6～1.3m的范围内。（3）构造：防渗墙墙顶应做成光滑的楔形，插入土质防渗体的深度为1/10坝高；低坝应不小于2.0m，并在墙顶填筑含水率大于最优含水率的高塑性土区。墙底应嵌入基岩0.5～1.0m（4）高坝深砂砾石层防渗墙，应分析核算墙的应力。（5）塑性：具有足够的抗渗性和耐久性，为此可在混凝土内掺入适量的粘土、粉煤灰及其他外加剂。（6）质量检查：为了保证防渗墙的施工质量，对高坝深砂砾石层的混凝土防渗墙、宜采用钻孔、物探等方法做强度和渗透性的质量检查。（7）案例：加拿大的马尼克3号坝Maricouagan，河床覆盖层120m，建两道0.61m厚的防渗墙，中心距3.2m，墙深131m。4、灌浆帷幕：（1）适用：当砂砾石层很深或采用其他防渗截水措施不可行时，可采用灌浆帷幕，或在深层灌浆帷幕，上层粘土截水墙或混凝土防渗墙等方法截渗。（2）在灌浆前，先对地基的可灌性和可灌何种料浆进行评估，可灌性应通过室内及现场试验确定。1°可灌比MD15—受灌地层中小于总土重的15%所对应的粒径，mm，d85—灌注材料中小于其总土重的85%所对应的粒径，mm。当M＞15时,可灌水泥浆；M＞10时可灌水泥粘土浆2°渗透系数除了以可灌比评价之外，也可用渗透系数进行评估。当地基的渗透系数＞10-1cm/s时灌水泥浆当地基的渗透系数＞10-2灌水泥粘土浆.渗透系数等于10-4~10-3可灌超细水泥浆.所有的砂层和砂砾石层，均可用化学浆材。（3）帷幕厚度应根据大坝承受的工作水头和帷幕本身的渗透比降确定，可按下式计算：J值一般为2.5-3.5，帷幕灌浆的深度可达100-120米（4）案例：法国谢尔庞坝：拔高125米，水泥粘土灌浆帷幕，共19排，帷幕顶厚35米，底部厚度15米，埃及阿斯旺高坝，坝高111米，水泥粘土灌浆帷幕深达174米。5、水平防渗铺盖（1）铺盖的作用是延长渗径，使渗漏损失和渗流比降减小。（2）特点:就地取材，施工简单，多用于中小工程。（3）案例：巴基斯坦的塔贝拉坝，坝高148m，用粘性土铺盖防渗，铺盖长2.12km，最大厚度12.8m，最小厚度4.5m，虽多次发生陷坑，最终是成功的。（4）位置：粘性土防渗铺盖是从坝身防渗体向上游延伸，多用于斜墙坝。（5）尺寸确定：前端最小厚度可取0.5～1.0m，任截面厚度由下式计算确定：。铺盖的长度，主要取决于下卧土层的允许比降，国内已建工程，一般取设计水头的4～6倍，个别工程最大取至11倍水头。（6）构造要求：铺盖与坝基接触面应平整、压实。如不满足反滤要求，应设反滤层，铺盖的渗透系数小于坝基土砂砾石层的100倍，并应小于1×10-6cm/s，在等于和略高于最优含水率下压实。6、排水减压drainageandpressurerelief措施（1）适用情况：采用铺盖防渗或采用其他措施防渗效果较差时，坝下地层渗透变形或沼泽化。可在下游坝脚或以外处配套设置排水减压措施。（2）排水沟drainage:对双层结构透水地基，可将表层挖穿做成反滤排水暗沟blindditch或明沟openditch。（3）减压井reliefwell:当表层弱透水层太厚或透水层成层性较显著时，宜采用减压井深入强透水层，将渗水导出，经排水沟排向下游。（4）减压井构造设计1º井距一般为15～30m，井径宜大于150mm，出口高于排水沟地面（高0.3～0.5m）而尽量低，免得排水沟水倒灌堵塞。2º靠近下游坝脚处沿平行于坝轴线方向布置一排。3º减压井由沉淀管、进水花管和导水管三部分组成，渗水由进水花管四周孔眼进入管内，经导水管顶面的出水口排入排水沟，进入管内的土粒靠自身重量淤落到沉淀管内，进水花管可由石棉水泥管、预制无砂混凝土管等，贯入透水层深度可为透水层厚度的50%～100%。进水花管孔眼可为条形或圆形，开孔率宜为10%～20%，管四周可按反滤要求布置反滤层和土工布。华北水利水电学院授课时间2008年10月15日第七周星期三第授课地点2204实到人数授课题目§4-6土石坝的地基处理及裂缝控制§4-7混凝土面板堆石坝授课专业班级工管2006023～2006025教学目的与教学要求讲述前一节还没有完成的内容，掌握混凝土面板堆石坝的构造和设计要点。主要内容五、软土地基处理六、土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接七、土石坝裂缝类型及控制措施第七节混凝土面板堆石坝一、案例：天生桥一级水电站二、什么是面板堆石坝三、主要特点四、堆石坝发展历程五、几个重要的堆石坝六、钢筋混凝土面板堆石坝剖面尺寸七、钢筋混凝土面板堆石坝的构造八、面板堆石坝的计算分析重点与难点教教学重点：面板堆石坝的构造和特点。教学难点：面板堆石坝的构造。教学方法手段（教具）参考资料天津大学《水工建筑物》第三版和第四版-祁庆何水利水电《水工建筑物》-王英华黄河水利《水利工程概论》-李宗坤、孙明权课后作业与思考题土石坝渗流分析作业教学后记水工建筑物B教案讲稿部分教学过程时间分配五、软土地基处理（一）细砂地基处理1、处理原因：均匀饱和的细砂地基→液化，必须进行处理。2、处理方法：1)全部挖除:当易液化地基厚度小且范围不广时。2)振动压密:当挖除困难或很不经济时，可进行振动压密或重锤夯实，其有效深度在1～2m之间，如采用重型振动碾，则可达2～3m，压实后土层可达中密或紧密状态。3)振冲强夯(振冲置换加强夯法):当易液化细砂地基厚度较深时，宜采用振冲(碎石桩)、强夯等方法加密。4）爆破震密法：在钻孔中放置炸药进行爆炸，爆炸振动使松砂层趋于密实。适合于比较纯静的松砂层，5）强力夯实法：是重锤（8～30t）从高处（一般为6～40m）自由落下，对砂土地基进行夯实，提高强度和减少变形。加固深度可达10m以上。6）振动水冲法：就是在振冲器不断振动和射水的过程中，利用振挤、浮振、重新固结的作用来提高砂土的紧密度。加固深度可达20m，是一种施工速度快、功效高，效果良好的细砂地基处理方法。7）打板桩封闭或压重，目的是增加土体的约束力。8）排水和减压，可在坝趾附近设置砂井，创造排水条件以使振动孔隙水压力很快消散。（二）淤泥地基处理1、处理原因：淤泥地基含水率大，抗剪强度低，承载能力小。2、处理方法：1）挖除:当淤泥土层较浅和分布范围不广时；2）压重法砂井排水法：当淤泥层较深，挖除难和不经济时，可采压重法或砂井排水法处理。3）砂井施工：砂井的施工是在地基中打入封底的钢管，拔管后回填粗粒砂、砾石料。4）作用:一方面是加密地基，另一方面是通过砂井把地基土料的含水量从砂井中导出，从而加快地基固结，提高其承载力和抗剪强度。5）砂井的构造1°直径为30～40cm，2°井距与井径之比为6～8，平面上采用梅花形布置。3°砂井的深度以穿过软土层为宜，但如果软土层很厚，则应穿过潜在最危险的滑动面或超过可能的塑流区。4°砂井顶面必须铺设砂垫层，其厚度为1m左右，排走井中渗水。5°砂井中材料宜选用良好级配的中粗砂，含泥量不得超过5%。（三）软粘土softclay和淤泥mud,silt地基处理1、挖除:软粘土地基土层较薄时宜全部挖除；2、砂井:当软粘土层较厚、分布范围较广、全部挖除难度较大或不经济时，可将表面强度很低的部分挖除，其余部分可用打砂井。六、土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接处理目的：避免产生水力劈裂hydraulicfracturing；接触面岩石大量漏水；不均匀沉降而导致坝体产生裂缝。（一）坝体与土质坝基及岸坡的连接1、清基clearingandstripping(foundationclearing)：把建筑物范围内（包括坝基和岸坡abutmentslope）的草皮sod;turf、树根treeroot、含有植物的表土surfacesoil,topsoil、蛮石cyclopean（boulder）、垃圾garbage和其他废料清除，并将清理后的坝基表面土层压实。2、清除或处理：不符合设计要求的低强度、高压缩性highcompressibility软土和地震时易液化liquefaction的土层；3、坝身防渗体应与坝基防渗设施连接：坝基防渗设施应座落在相对不透水土基上；坝基覆盖层与下游坝壳粗粒料接触处，应符合反滤要求。4、对坝基开挖的要求：岸坡开挖应大致平顺，避免台阶、反坡或突然变坡；对岸坡本身的整体性和稳定性要求，防止蓄水后岸坡稳定条件恶化，要求土质岸坡沿坝轴方向开挖坡度不宜陡于1:1.5。5、土质防渗体与岸坡连接：如因防渗体底面较窄而不满足防渗要求时，应加厚防渗体的断面和加强反滤层布置，以增加该处的防渗可靠性，渐变加厚断面。（二）坝体与岩石地基及岸坡的连接（1）清基:要求清除坝基表面的垃圾、废料和杂物外，还应清除其表面松动的石块,凹处清除积土后应用混凝土回填。（2）冲洗：开挖完毕后，宜用高压水枪highpressuregun冲洗waterblasting干净;（3）断层破碎带faultshattered（rupture）zones处理:对断层、张开节理裂隙应逐条开挖清理，并用混凝土或砂浆封堵。（4）喷混凝土(水泥浆)：坝基岩面上宜设混凝土盖板、喷混凝土或喷水泥砂浆，以利坝体底面与坝基岩面的结合。工程经验表明，在防渗体与岩石面之间建筑混凝土盖板对保证填土质量，便于施工、防止接触冲刷，特别是便于帷幕灌浆。（5）预留保护层：对失水后很快风化的软岩（如灰岩limestone、泥岩等），开挖时应留0.5m，待开始回填时，边开挖边回填，或开挖后用喷水泥砂浆或喷混凝土保护。（6）非粘土土质防渗体与岩石接触处，在邻近接触面0.5～1.0米范围内，防渗体应改为粘土，并在略高于最优含水率情况下填筑，在填土前应用粘土浆clayslip（suspension（7）岸坡段防渗体底部渗径不足时，应加厚防渗体尺寸，直至满足要求为止。同时岩石岸坡开挖坡度应满足稳定要求。一般不宜陡于1:0.5。（三）土石坝与混凝土建筑物的连接土石坝与混凝土建筑物的连接，使结合面具有足够的渗径长度和保护坝坡、坝脚不受冲刷的连接措施。一般采用插入式和侧墙式（翼墙式和重力墩式等）两种型式。1、插入式：（1）从混凝土坝与土石坝的连接部位开始，混凝土坝的断面成为混凝土心墙插入土坝心墙内。插入式的连接结构简单，也较经济，所以在高、中、低坝均采用较多。（2）土石坝的坝脚向混凝土坝方向延伸较长，一般适用于与非溢流重力坝段连接。（3）其插入距离较长，如刘家峡坝，插入段长22.5m，相当于连接处坝高的1/2，三道岭坝插入段长度相当于连接处坝高的1/3。2、侧墙式（1）土石坝与溢流坝、溢洪道，水闸或船闸连接时，一般采用侧墙式连接型式。侧墙式包括重力墩式和翼墙式等。（2）重力墩式连接是把连接部位的混凝土边墩abutment(side)pier或边墙做成重力式边墩，并向上、下游延伸至足够的长度（不弯折），必要时，还应在边墩背水面筑1～3道防渗刺墙插入土石坝防渗体内，以保证土质防渗体与混凝土建筑物的连接面具有足够的渗径长度。（3）为了避免两种不同材料的接触面的变形不协调而出现间隙和产生裂缝，重力墩与土石坝接合面的坡度不宜陡于1:0.25，连接段的防渗体应适当加厚。（4）并选用高塑性粘土highplasticclay填筑和充分压实，且在接合面附近加强防渗体下游的反滤保护，严寒地区应符合防冻要求。（5）案例：如我国的丹江口坝，土坝与混凝土坝接合坡度为1:0.25，并设有4道伸入土石坝长度3.0m的防渗刺墙。七、土石坝裂缝类型及控制措施（一）类型：干缩dryshrinkage；冻融frostthawing；不均匀沉降differentialsettlement滑坡sliplandslide；水力劈裂裂缝hydraulicfracture（二）干缩裂缝1、成因：均质坎和粘土斜墙坝的表面、粘土心墙坝的顶面及施工期的填筑面。为蒸发干缩产生的龟裂缝chappedjoint。2、处理：翻筑，特别是施工填筑面的龟裂缝要处理，遇雨可增加土体的含水量，使工程质量达不到要求，均质坝、斜墙坝表面裂缝较浅的可以不处理，让其自然闭合。3、危害：加速不均匀沉降裂缝uniformsedimentationcrack和滑坡裂缝landslidefissure(crevices)的发展，施工期干缩裂缝不及时处理，也会因水力劈裂扩展。（二）冻融裂缝Freeze-Thawfissure1、成因：寒冷地区粘壤土clayloam均质坝、心墙顶面未设防护，因冰冻产生的收缩缝。2、处理：翻松夯实后，再设防护层，施工中的土坝则翻松scarification夯实的再续填筑。（三）不均匀沉降裂缝（横向裂缝）1、横向裂缝的成因：（1）坝基纵向地质不同或地形落差大造成不均匀沉降产生。（2）由坝体与砼、砌石建筑刚柔连接的沉降差产生。（3）由于大坝碾压质量，密实度不一致，造成不均匀沉降而产生。（4）由地震、爆破的影响产生。2、处理：(1)浅层缝开挖翻筑;(2)中层缝套井开挖回填;(3)深层缝灌浆充填。3、施工注意事项：（1）开挖深度要超过裂缝深0.3-0.5米。（2）灌浆为泥浆。（三）不均匀沉降裂缝（纵向裂缝）纵向裂缝其特点是缝线接近于直线,平行于坝轴,错距小。1、成因：（1）坝基横向地质不一致，由不均匀沉降而产生。（2）坝基横向地形落差大,由沉降量不一致而产生。（3）由填坝土料不一致，碾压质量不一致而产生。（4）坝体骑在条形山嵴上（叫骑局加坝）,坝体向两侧沉降而产生。2、处理：同横向裂缝。（三）不均匀沉降裂缝（水平裂缝）：坝体内部水平缝其特征具有隐蔽性和层面性。1、成因：（1）施工时层面新旧结合不好，处理不完善形成。（2）由“拱效应”形成，心墙与代料沉降不一致，未做过渡带。2、处理：浅层开挖回填，深层以灌浆为主。（四）滑坡裂缝：其特征是外露滑坡缝，土体移位，呈弧形、大错距、渐变性。1、成因：（1）坝体含水量大；（2）坝坡陡；（3）土壤摩擦角小；（4）放水骤降。2、处理：减载缓坡、压坡固脚，而后加小压力或自重灌浆闭缝。（五）水力劈裂裂缝：1、成因：坝体的横向或水平裂缝在库水压力的作用下开度增大，有可能发展成为较大的渗流通道。还有可能没有裂缝，但是某个面上的压应力降低到小于库水压力，有可能由于水力劈裂作用使微小裂缝张大为大裂缝。（六）裂缝的控制措施：1、提高填土的压实质量；2、加强地基的处理，减少不均匀沉降。3、做好坝体和其他建筑物的连接，转折处边坡的角度差小于20º；4、做好土料选择和设计，同时考虑土料的强度和抗渗性能以及变形性能。5、做好土料之间的过渡，防渗墙和坝体之间做好过渡层，防止粒径差别过大引起变形差别过大。6、采用合适的防渗体形状和适当的边坡，如厚斜心墙可以克服心墙的拱效应和斜墙对变形敏感的特点。适用于高坝。7、坝体表面的保护。第七节混凝土面板堆石坝CFRD-concretefacedrockfilldam一、概念：面板堆石坝是以堆石体作为支承，以钢筋混凝土、沥青混凝土作为防渗体的一种坝型。以无凝聚性的、能够自由排水的砂砾石、山麓堆积料（piedmontdeposit）和人工开采的石块为主要筑坝材料（dammingmaterial）所堆筑的坝，统称为堆石坝。二、主要特点1、就地取材，在经济上有较大的优越性，除了在坝址附近开采石料以外，还可以利用枢纽其他建筑物开挖的废弃石料；2、施工度汛问题比土坝较为容易解决，可部分利用坝面溢流度汛，但应做好表面保护措施；3、对地形地质和自然条件适应性较混凝土坝强，可建在地质条件略差的坝址上，且施工不受雨天影响，对温度变化的敏感度也比混凝土坝低得多；4、方便机械化施工，有利于加快施工工期和减少沉降，随着重型振动碾等大型施工机械的应用，克服了过去堆石坝抛填法沉降量很大的缺点；5、坝身不能泄洪，施工导流问题较混凝土坝难予解决，一般需另设泄洪和导流设施。三、堆石坝发展历程1、初期（earlystage-incipientstage）：（1870-1940）：（1）施工工艺：抛石填筑，辅以高压水枪冲实的简单压实工艺，堆实体不密实，沉降和水平位移大。案例：1931年的美国盐泉坝（saltspringdam），高100m，另外的迪克斯河坝（DixRiver）；（2）问题：都出现了因变形过大使得面板破坏和大量的渗漏的事故。（3）适用范围：适用于坝高70m的中低坝。2、过渡期（transitionalstage）：（1940-1965）：（1）特点：抛填堆石坝向碾压堆石坝的过渡阶段，坝高的增加，面板堆石坝逐渐被粘土心墙或斜墙堆石坝所替代。（2）案例：1958年，英国的库契（Quoich）坝首次引入震动碾压实坝体堆石，从而开始了过渡，1966，过渡期的最后一座坝美国新国库（newexchequer）坝，高150米，是用薄层碾压和厚层抛填混合建成的。3、现代阶段（presentstage）：（1965-至今）（1）发展的原因：由于大型震动碾的出现和土石坝碾压技术的逐渐成熟，面板堆石坝重新获得了发展的良机。（2）案例：1971年的澳大利亚的塞沙娜（Cethana），坝高110m，奠定了现代面板坝的技术基础。从1980年，建成的巴西阿里亚（FozdoAreia）坝，1985年建成的哥伦比亚萨尔瓦兴娜坝（Salvajinadam，高148m）到1993年，建成的墨西哥阿瓜米尔巴坝（AguamilpaDam，高187m），四、几个重要的堆石坝（1）最高的心墙堆石坝：1980年：塔吉克斯坦：努列克堆石坝（NurekDam），坝高300m，（2）最高斜心墙堆石坝是1986年：塔吉克斯坦的罗贡坝（RounDam），最大坝高335m，（3）1993年，最高的混凝土面板堆石坝是墨西哥的阿瓜米尔巴坝，坝高187m，（4）2003年开工，中国最高的心墙堆石坝是大渡河上的瀑布沟大坝，最大坝高186米，（5）2001年建成的最高的斜心墙堆石坝是黄河小浪底大坝，最大坝高154米，（6）2002年开工，最高的混凝土面板堆石坝是水布垭大坝，最大坝高230米，六、钢筋混凝土面板堆石坝剖面尺寸（一）坝顶高程和宽度1、面板堆石坝一般为梯形剖面，其坝顶宽度和坝顶高程的确定与土坝类似；2、坝顶宽度：应兼顾面板堆石坝的施工要求(浇筑面板时有工作面和进行滑模设备的操作)，一般不宜小于5m。3、在坝顶上游侧设置钢筋混凝土防浪墙。防浪迎水面高4～6m，背水面高于坝顶1.0～1.2m（二）坝坡1、对于采用抗剪强度高的堆石料，上、下游坝坡在静力条件下均可采用堆石料的天然休止角naturalangleofrepose：对应的坡度；因此一般采用1:1.3～1:1.4。对于地质条件较差或堆石体填料抗剪强度较低以及地震区的面板堆石坝，其坝坡应适当放缓。七、钢筋混凝土面板堆石坝的构造（一）垫层区cushionzone1、材料：垫层区应选用质地新鲜、坚硬且耐久性较好的石料，可采用经筛选加工的砂砾石、人工石料或者由两者混合掺配。高坝垫层料应具有连续级配，一般最大粒径为80～100mm，粒径小于5mm的颗粒含量为30％～50％，小于0.075mm的颗粒含量应少于8％。2、要求：垫层料经压实后应具有内部渗透稳定性、低压缩性、抗剪强度高，并应具有良好的施工质量。3、施工：垫层施工时每层铺筑厚度一般为0.4～0.5m4、尺寸：垫层顶部水平宽度一般可采用3～4m，向下逐渐加宽。坝高100m以下的面板堆石坝，为了简化施工也可考虑采用上下等宽的垫层。5、对于周边缝附近的特殊垫层区，可以采用最大粒径小于40mm且内部稳定的细反滤料，经薄层碾压密实，以尽量减少周边缝的位移。图堆石坝分区示意图（二）过渡区transitionzone1、作用：过渡区介于垫层与主堆石区之间，起过渡作用，石料的粒径级配和密实度应介于垫层与主堆石区两者之间。此外，当面板开裂和止水失效而漏水时，过渡区应具有防止垫层内细颗粒流失的反滤作用，并保持自身的抗渗稳定性。2、要求：过渡区石料粒径要求可比垫层材料适当放宽，最大粒径一般为300～400mm。该区水平宽度可取3～5m，分层碾压厚度一般为0.40～0.5m（三）主堆石区mainrockfillzone1、作用：主堆石区为面板坝堆石的主体，是承受水压力的主要部分，它将面板承受的水压力传递到地基和下游次堆石区。2、要求：该区既应具有足够的强度和较小的沉降量，同时也应具有一定的透水性和耐久性。该区石料应级配良好，以便碾压密实。3、其他：主堆石区填筑层厚一般为0.8～1.0m，最大粒径应不超过600mm（四）次堆石区secondary（downstream）rockfill1、对填筑要求可酌情放宽。石料最大粒径可达1500mm，填筑层厚1.5～2.0m2、另外，混凝土面板上游铺盖区（1A区）可采用粉土、粉细砂、粉媒灰或其他材料填筑；3、上游盖重区（1B区）可采用渣料填筑；（五）钢筋混凝土防渗面板的构造1、采用钢筋混凝土面板作为防渗体，在堆石坝中应用较多，少量土坝也有采用。2、钢筋混凝土面板要求下游非粘性土坝体必须具有很小的变形，为此，钢筋混凝土面板在坝体完成初始变形后铺筑最为理想。3、钢筋混凝土面板防渗体主要是由防渗面板和趾板组成。4、面板底部厚度宜采用最大工作水头的1%，考虑施工要求，顶部最小厚度不宜小于30cm。5、为使面板适应坝体变形、施工要求和温度变化的影响，面板应设置伸缩缝和施工缝，垂直伸缩缝的间距，位于面板中部一带，垂直伸缩间距可以取大些，一般以10～18m为宜，靠近岸坡的垂直缝间距则应酌情减小。6、垂直缝宜采用平接，不使用柔性填充物，以便最大限度地减少面板的位移。7、为控制温度裂缝和干缩裂缝:面板需要布置双向钢筋，每向配筋率reinforcementratio为0.3%～0.5%。由于面板内力分布复杂，计算有一定的难度，故一般将钢筋布在面板中间部位。周边缝peripheraljoint、垂直缝和水平缝附近配筋应适当加密，以控制局部拉应力和边角免遭挤压破坏。8、趾板：趾板是面板的底座，其作用是保证面板与河床及岸坡之间的不透水连接，同时也作为坝基帷幕灌浆的盖板和滑模施工的起始工作面。9、趾板的截面形式：沿水流方向的宽度b一般可按b=H/J确定，J为坝基的允许渗透比降。可取水头的1/10～1/20，最小3.0m，低坝最小可取2.0m。10、对局部不良岸坡，应加大趾板宽度，增大固结灌浆范围。趾板厚度一般为0.5～1.0m，最小厚度0.3～011、分缝位置应与面板分缝（垂直缝）对应。如果地基为岩基，可设锚筋anchorrod（bar）与岩基固定。12、面板接缝设计（包括面板与趾板的周边接缝和趾板之间接缝）主要是止水布置，周边缝止水布置最为关键。13、面板中间部位的伸缩缝，一般设1～2道止水，底部用止水铜片，上部用聚氯乙烯止水带。14、周边缝受