第三章-土石坝及堤防.doc
《第三章-土石坝及堤防.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第三章-土石坝及堤防.doc(38页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第三章 土石坝与堤防教学要求:掌握土坝的工作原理、工作特点和分类;掌握作用在土坝坝顶高程计算方法和土坝的剖面拟定的方法;掌握土坝渗流计算的水力学方法和稳定分析的基本方法;掌握土坝地基的处理方法;熟悉土坝土料选用和施工要求、土坝排水设施构造和坝基处理方法。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。堤坊是沿河岸构筑的护岸建筑物,大多数采用土石坝的结构形式,在许多方面土石坝与堤坊都存在共性。由于结构简单、施工方便、可就地取材和投资低等特点,因而土石坝是应用最为广泛和发展最快的一种坝型,也是历史最为悠久的坝型。 一、土石坝的工作原理 土石坝是土石材料的堆筑物
2、,主要利用土石颗粒之间的摩擦、粘聚特性和密实性来维持自身的稳定、抵御水压力和防止渗透破坏。一般来说,土石坝为维持自身稳定需要较大的断面尺寸,因而有足够的能力抵御水压力。因此,土石坝工程主要面对两个问题:确保自身稳定和防止渗透破坏。其中自身稳定包括滑坡、沉陷和冲刷问题。 1、滑坡 由于土石材料为松散体,抗剪强度低,主要依靠土石颗粒之间的摩擦和粘聚力来维持稳定,没有支撑的边坡是填筑体稳定问题的关键。所以,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,通常1:1.51:3.
3、5。 此外,渗流也是影响坝体稳定的重要因素。 2、渗流 水库蓄水后,土石坝迎水面与背水面之间形成一定的水位差,在坝体内形成由上游向下游的渗流。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。在坝体与坝基、两岸以及其他非土质建筑物的结合面,还会产生集中渗流现象。 防止渗流破坏的原则是“前堵后排”,在坝前(迎水面)采取防渗、防漏的工程措施,减少渗流量,同时要尽量排除渗入坝体的水量,降低渗流对坝体的不利影响。 3、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。如果土石坝颗粒级配
4、不合理,沉降变形、不均匀会产生裂缝,破坏坝体结构,也会降低坝顶高程,使坝的高度不足。土石坝的沉陷与坝体、坝基的土石材料有关,因此,土石坝设计需要考虑土石材料选用、坝基处理、填筑工艺等因素,筑坝时应有适量的超填。 4、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。因此,土石坝坝坡要设置护面结构,特别是迎水面要防止波浪影响,是护面的重点。背水坡面要设置排水沟,防止雨水对坝面的冲刷。土石坝的溢洪道和引水涵一般远离坝区布置,以面冲刷坝体。土石堤防还要采用各种护脚措施,例如抛石和模袋混凝土护脚,或设置丁坝。 二、土石坝的类型 (一)按坝高分类 根据我国SL2742001碾
5、压式土石坝设计规范的规定:土石坝按其坝高可分为低坝、中坝和高坝。高度在30以下的为低坝,高度在3070m为中坝,高度在70m以上为高坝。(二)按施工方法分类1、碾压式土坝碾压式土坝的施工方法是用适当的土料、以合理的厚度分层填筑,逐层压实而成的坝。碾压填筑是应用最广的土坝施工方法,本章主要讲述这类型土坝。2、水力冲填坝以水力为动力完成土料的开采、运输和填筑全部筑坝工序而建成的土坝。利用水力冲刷泥土形成泥浆,通过泵或沟槽将泥浆输送到土坝填筑面,泥浆在土坝填筑面沉淀和排水固结形成新的填筑层,这样逐层向上填筑,直至完成整个坝体填筑。3、定向爆破堆石坝利用定向爆破方法,将河两岸山体的岩石爆出、抛向筑坝地
6、点,形成堆石坝体,经过人工修整,浇筑防渗体,即可完成坝体建筑。(三)按坝体材料的组合和防渗体的材料、相对位置分类 按坝体材料可分为土坝、土石混合坝和堆石坝三种,见图31。 1、土坝 土坝是用土料填筑而成的挡水坝。根据土料的分布情况,土坝还可分为均质坝、粘土心墙坝或斜墙坝、人工材料心墙坝或斜墙坝和多种土质坝。均质坝采用单一土料填筑,要求土料具有一定的防渗性能。粘土心墙坝或斜墙坝是采用防渗能力强的粘土作防渗体,设在坝体中上游位置,两边用透水性较大但抗剪强度较大的土料填筑。人工材料心墙坝或斜墙坝则是采用防渗能力强的人工材料,如沥青混凝土、钢筋混凝土作防渗体,设在坝体中上游位置,两边用土料填筑。多种土
7、质坝采用多种土料填筑,一般要设防渗心墙或斜墙。 2、土石混合坝 多种土质坝的下游部分采用砂砾石料时,就构成土石混合坝。 3、堆石坝 坝体绝大部分采用石料堆筑的坝,需要设置防渗心墙或斜墙。 堤坊大多选用土石材料,其形式与土石坝类似,后文均称土石坝。图31 土石坝的类型第二节 土石坝剖面设计 土坝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。本节主要介绍土坝剖面尺寸拟定,渗流和
8、稳定分析在后面介绍。 一、坝顶高程坝顶高程要保证挡水需要,同时要防止波浪超越坝顶,有些海堤允许波浪越顶,但也需要控制。坝顶高程按水库静水位加上防浪超高来确定,碾压式土石坝设计规范(SL2742001)规定,按下列运用条件计算,取其大者:(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;(2)正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高,再加地震安全超高。当上游设防浪墙时,以上确定的坝顶高程改为防浪墙顶高程。此时,在正常运用情况下,坝顶高程应高于静水位0.5m;在非常运用情况下,坝顶高程应高于静水位。堤防堤顶高程按设计洪水位或设计
9、高潮位加超高,且1、2级堤防的超高不应小于2.0m。超高的计算公式如下: (31)式中R为波浪在坝坡上的爬高,m;e为最大风壅水面高度,m;A为安全加高,m。 1、波浪爬高R(Rp) 波浪爬高与累积频率有关,一般用Rp表示,P为累积频率()。对于、级土石坝取累积频率P1的波浪爬高值R1%,对于、级土石坝取累积频率P5的波浪爬高值R15。对于不允许越浪的堤防取累积频率P2的波浪爬高值R2%;对于允许越浪的堤防取累积频率P13的波浪爬高值R31%。 当坝坡为m=1.55.0时,Rp的计算公式为 (32)式中为斜坡的糙率及渗透系数,见表31;为经验系数,与有关,见表32;为计算风速,见第二章;Hm为
10、坝前水域平均水深,m;为爬高累积频率换算系数,见表33;、为平均波高和波长,由式(33)(36)计算。表31 斜坡的糙率及渗透系数护面类型护面类型光滑不透水护面(沥青混凝土)1.0砌石护面0.750.85混凝土板护面0.9抛填两层块石(不透水地基)0.60.85草皮护面0.850.90抛填两层块石(透水地基)0.50.55表32 经验系数11.52.02.53.03.54.05.01.01.021.081.161.221.251.281.30表33 爬高累积频率换算系数P()125130.31.861.761.611.40 平均波高和波长采用莆田试验站的计算公式。 1)平均波高hm用式(33)
11、计算 (33)式中D为风区长度,见第二章;其余同前。 2)平均波长Lm采用式(34)(36)计算 当时,为深水波,其波长计算公式为 (34)其中 (35) 当时,为浅水波,其波长计算公式为 (36) 2、最大风壅水面高度e 最大风壅水面高度用式(37)计算 (37)式中K为综合摩阻系数,其值在(1.55.0)10-6之间,计算时可取3.610-6;为风向与坝轴法线的夹角;其余同前。 3、安全加高A (1)土石坝安全加高,根据坝等级和运行情况确定,见表34。表34 土石坝安全加高(m)运行情况坝的级别、正常1.51.00.70.5非常0.70.50.40.3 (2)堤防工程安全加高,根据堤防等级
12、(见表35)和是否允许越浪来确定,见表36。表35 堤防工程等级防洪标准重限期(年)100100,且5050,且3030,且208.06.03.0 三、坝坡坝坡应根据坝型、坝高、坝体材料和坝基情况,还要考虑坝体承受的荷载、施工和运用条件等因素,通过技术经济分析比较确定。一般方法是:根据经验初步拟定坝坡,再进行渗流和稳定分析,根据分析计算结果修改坝坡,直至获得合理的坝坡。较高的土石坝采用边坡方式,一般每隔1030m高度边坡,边坡处设马道,宽度1.52.0m。 一般坝坡为1:2.01:4.0,初拟坝坡时,可参照表38和39。表38 均质坝坝坡经验数据坝高(m)马道坝坡宽度(m)级数上游坡下游坡15
13、.01.511:2.50(上)1:2.75(下)1:2.25(上)1:2.50(下)15252.021:2.75(上)1:3.00(下)1:2.50(上)1:2.75(下)25352.031:2.75(上)1:3.00(中)1:3.50(下)1:2.50(上)1:2.75(中)1:3.00(下)表39 心墙坝坝坡经验数据坝壳部分心墙部分坝高(m)马道坝坡顶宽(m)边坡宽度(m)级数上游坡下游坡15.01.511:2.25(上)1:2.50(下)1:2.0(上)1:2.25(下)1.51:0.215252.0121:2.50(上)1:2.75(下)1:2.25(上)1:2.50(下)2.01:0
14、.150.2525352.031:2.75(上)1:3.00(中)1:3.50(下)1:2.50(上)1:2.75(中)1:3.00(下)2.51:0.150.25 此外,对于面板堆石坝,上游坝坡采用1:1.41:1.7,下游坝坡为1:1.31:1.6。第三节 渗流分析 一、渗流分析的概述 1、渗流分析的目的土石坝基本剖面确定后,需要通过渗流分析检验坝体及坝基的安全性,并为坝坡稳定分析提供依据。计算内容有坝:体浸润线、渗流出逸点的位置、渗透流量和各点的渗透压力或渗透坡降,并绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图等。 2、计算工况 根据土石坝的运行情况,渗流计算的工况应能涵盖各种不利运行条件及其
15、组合,一般需要计算的工况有:(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。 3、计算方法 渗流分析的依据是大西定律和连续方程,各向同性的三维渗流分析基本方程为: (38) 稳定流基本方程为: (39) 方程(38)或(39)在简单渗流区域内,可以解析求解,但绝大部分情况是难于解析求解的。比较成熟的计算方法是数值计算法,但需要专用程序计算。近似计算方法主要有水力学法,计算公式简单,便于应用,但精度较差。一般对于1、2级坝和高坝应采用数值法计算确定渗流场各因素,其它可采用水力学公式法
16、计算。 二、渗流分析的水力学法 假设铅直线上各点的渗流坡降均相等,并可用浸润线导数来表示,即。那么,渗流的达西定律可以写成微分方程表达式: (310)式中x为渗流沿程坐标;y为浸润线高度坐标;k为渗透系数;v为渗透流速。 设渗流单宽流量为q,则由式(3)可得: (311) 式(311)为浸润线微分方程,其解为 (312)式中H1为上游水深;q1为坝体单宽渗流流量。对于心墙坝和斜墙坝,上式变为: (313)式中h为防渗体后水深。 土坝浸润线基本公式为式(312)或式(313),其中q1、h为待定常数,其求解方程见表310。 单宽渗流量,q2为坝基渗流量,见表310。 水力学公式计算法对边界条件进
17、行近似处理得到的,各种教科书提供的公式都有一定的差异,引用时需要仔细分析选用。对于特殊情况,可以按照以上基本原理和边界条件进行推求。表310 渗流计算基本方程坝型计算简图基本方程备注均质坝,无排水设施,先求解a0。L0为坝底宽度。均质坝,棱体排水,L0为上游坝脚至棱体上游点D的宽度。均质坝,褥垫排水,心墙坝,先求解h。带截水墙的斜墙坝 ,先求解h。带水平铺盖的斜墙坝,先求解h。表中k、ke、kT分别为坝体、防渗体和坝基的渗透系数;T为透水地基深度;L0为排水体上游起点前的坝底宽度;n为坝基渗径修正系数,见表312;m1、m2、m3分别是上游坝坡、下游坝坡和排水棱体上游边坡坡比;。表312 坝基
18、渗径修正系数L0/T2054321n1.151.181.231.301.441.87二、渗流分析的数值计算法(一)边界条件渗流的数值计算法,就是用数值方法求解方程(38)或(39),待求函数为渗流水头: (314)式中z为计算点位置高程;p为渗透水压力;为水容重。求解边界条件为:上下游水面以下的坝面是等水头面,渗流水头为常数,即 (315);不透水地基是流面,渗透水透的法向导数为0,即 (316);浸润线满足式(316)和;自由渗出段也满足。利用专用程序计算,直接输出浸润线计算结果和等势线图。例如某土坝计算输出的等势线图,见图32。图32 某土坝浸润线和渗流等势线图 图中上下游水头差为H,则。
19、 (二)流网的应用 (1)渗透坡降 渗透坡降是判别渗流安全与否的重要参数。设计算点等势线的距离为,相应两等势线的水头(势能)差为,则渗透坡降为 (317) 一般需要计算渗流出逸点、坝脚附近的渗透坡降。 (2)渗流量 渗流量是衡量土石坝防渗的重要指标。计算时,取一等势线量取流线的距离和相应相交点等势线的,那末单宽流量为 (318)三、土石坝的渗流变形及其防治措施 土坝及地基中的渗流,由于其机械或化学作用,可能使土体产生局部破坏,称为“渗透破坏”。严重的渗透破坏可能导致工程失事,因此必须加以控制。(一)渗透变形的型式(分类)(一) 渗透变形的型式及其发生、发展、变化过程,与土料性质、土粒级配、水流
20、条件以及防渗、排渗措施等因素有关,一般可归纳为:管涌、流土、接触冲刷、接触流土、接触管涌等类型。最主要的是管涌和流土两种类型。n 1、管涌坝体或坝基中的细土壤颗粒被渗流带走,逐渐形成渗流通道的现象称为管涌或机械管涌。管涌一般发生在坝的下游坡或闸坝的下游地基面渗流逸出处。没有凝聚力的无粘性砂土、砾石砂土中容易发生管涌;粘性土的颗粒之间存在有凝聚力(或称粘结力),渗流难以将其中的颗粒带走,一般不易发生管涌。管涌开始时,细小的土壤颗粒被渗流带走;随着细小颗粒的大量流失,土壤中的孔隙加大,较大的土壤颗粒也会被带走;如此逐渐向内部发展,形成集中的渗流通道。使个别小颗粒土在孔隙内开始移动的水力坡降,称为管
21、涌的临界坡降;使更大的土粒开始移动从而产生渗流通道和较大范围破坏的水力坡降,称为管涌的破坏坡降。n 单个渗流通道的不断扩大或多个渗流通道的相互连通,最终将导致大面积的塌陷、滑坡等破坏现象。2、流土在渗流作用下,成块的土体被掀起浮动的现象称为流土。流土主要发生在粘性土及均匀非粘性土体的渗流出口处。发生流土时的水力坡降,称为流土的破坏坡降。3、接触冲刷当渗流沿两种不同土壤的接触面或建筑物与地基的接触面流动时,把其中细颗粒带走的现象称为接触冲刷。4、接触管涌当渗流垂直作用于两种不同土壤的接触面时,渗流可能将其中一层的细颗粒带到另一层的粗颗粒中去的现象成为接触管涌。接触管涌一般发生在粘土心(斜)墙与坝
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第三 土石 堤防
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【精***】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【精***】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。