第四章土石坝 第一节概述 土石坝是指由当地土料、石料或混合料,经过抛填、辗压方法堆筑成的挡水坝。 土坝当坝体材料以土和砂砾为主时,称土坝 堆石坝以石渣、卵石、爆破石料为主时,称堆石坝; 土石混合坝当两类材料均占相当比例时,称土石混合坝。由于筑坝材料主要来自坝 区,因而也称当地材料坝。 土石坝得以广泛应用和发展的主要原因是: (1)可以就地取材,节约大量水泥、木材和钢材,几乎任何土石料均可筑坝 (2)能适应各种不同的地形、地质和气候条件 3)大功率、多功能、高效率施工机械的发展,提高了土石坝的施工质量,加快了进度, 降低了造价,促进了高土石坝建设的发展 (4)岩土力学理论、试验手段和计算技术的发展,提高了大坝分析计算的水平,加快了 设计进度,进一步保障了大坝设计的安全可靠性 (5)高边坡、地下工程结构、高速水流消能防冲等设计和施工技术的综合发展,对加速 土石坝的建设和推广也起了重要的促进作用 、土石坝的特点和设计要求 分析土石坝的四大问题 (1)稳定方面。土石坝不会产生水平整体滑动。土石坝失稳的形式,主要是坝坡的滑动 或坝坡连同部分坝基一起滑动 (2)渗流方面。土石坝挡水后,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,还易引起管涌、流土等滲透变形。坝体内渗流的水面线叫做浸润线。浸润线以下的土 料承受着渗透动水压力,并使土的内磨擦角和粘结力减小,对坝坡稳定不利。 (3)冲刷方面。土石坝为散粒体结构,抗冲能力很低 ●工程措施:①在土石坝上下游坝坡设置护坡,坝顶及下游坝面布置排水措施,以免风浪、 雨水及气温变化带来有害影响;②坝顶在最高库水位以上要留一定的超高,以防止洪 水漫过坝顶造成事故;③布置泄水建筑物时,注意进出口离坝坡要有一定距离,以免 泄水时对坝坡产生淘刷 (4)沉陷方面。由于土石料存在较大的孔隙,且易产生相对的移动,在自重及水压力作 用下,会有较大的沉陷。为防止坝顶低于设计高程和产生裂缝,施工时应严格控制碾压标准并 预留沉陷量,使竣工时坝顶高程高于设计高程。可按坝高的(1~2)%预留沉陷值 土石坝的类型 (一)按坝高分类
第四章 土石坝 第一节 概述 ⚫ 土石坝 是指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压方法堆筑成的挡水坝。 ⚫ 土坝 当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝； ⚫ 堆石坝 以石渣、卵石、爆破石料为主时，称堆石坝； ⚫ 土石混合坝 当两类材料均占相当比例时，称土石混合坝。由于筑坝材料主要来自坝 区，因而也称当地材料坝。 土石坝得以广泛应用和发展的主要原因是： （1）可以就地取材，节约大量水泥、木材和钢材，几乎任何土石料均可筑坝。 （2）能适应各种不同的地形、地质和气候条件。 （3）大功率、多功能、高效率施工机械的发展，提高了土石坝的施工质量，加快了进度， 降低了造价，促进了高土石坝建设的发展。 （4）岩土力学理论、试验手段和计算技术的发展，提高了大坝分析计算的水平，加快了 设计进度，进一步保障了大坝设计的安全可靠性。 （5）高边坡、地下工程结构、高速水流消能防冲等设计和施工技术的综合发展，对加速 土石坝的建设和推广也起了重要的促进作用。 一、土石坝的特点和设计要求 分析土石坝的四大问题 （1）稳定方面。土石坝不会产生水平整体滑动。土石坝失稳的形式，主要是坝坡的滑动 或坝坡连同部分坝基一起滑动。 （2）渗流方面。土石坝挡水后，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,还易引起管涌、流土等渗透变形。坝体内渗流的水面线叫做浸润线。浸润线以下的土 料承受着渗透动水压力，并使土的内磨擦角和粘结力减小，对坝坡稳定不利。 （3）冲刷方面。土石坝为散粒体结构，抗冲能力很低； ⚫工程措施：①在土石坝上下游坝坡设置护坡，坝顶及下游坝面布置排水措施，以免风浪、 雨水及气温变化带来有害影响；②坝顶在最高库水位以上要留一定的超高，以防止洪 水漫过坝顶造成事故；③布置泄水建筑物时，注意进出口离坝坡要有一定距离，以免 泄水时对坝坡产生淘刷。 （4）沉陷方面。由于土石料存在较大的孔隙，且易产生相对的移动，在自重及水压力作 用下，会有较大的沉陷。为防止坝顶低于设计高程和产生裂缝，施工时应严格控制碾压标准并 预留沉陷量，使竣工时坝顶高程高于设计高程。可按坝高的（1～2）％预留沉陷值。 二、土石坝的类型 （一）按坝高分类
土石坝按坝高可分为F高度在30m以下的为低坝, 高度在3070m之间的为中坝, 高度超过70m的为高坝。 土石坝的坝高均从清基后的地面算起 (二)按施工方法分类 (1)碾压式土石坝 (2)水力冲填坝。 (3)水坠坝 (4)水中填土坝或水中倒土坝 (5)土中灌水坝。 (6)定向爆破堆石坝。 (三)按坝体材料的组合和防渗体的相对位置分类 土坝 (1)均质坝 (2)粘土心墙坝和粘土斜墙坝: (3)人工材料心墙和斜墙坝: (4)多种土质坝 2.土石混合坝 上述多种土质坝中,粗粒土改用砂砾石料筑成的坝,或用土石混合在一起的材料筑成的 坝,称为土石混合坝 3.堆石坝 除防渗体外,坝体的绝大部分或全部由石料堆筑起来的称为堆石坝
土石坝按坝高可分为：高度在 30m 以下的为低坝， 高度在 30~70m 之间的为中坝， 高度超过 70m 的为高坝。 土石坝的坝高均从清基后的地面算起。 （二）按施工方法分类 （1）碾压式土石坝。 （2）水力冲填坝。 （3）水坠坝。 （4）水中填土坝或水中倒土坝。 （5）土中灌水坝。 （6）定向爆破堆石坝。 （三）按坝体材料的组合和防渗体的相对位置分类 1．土坝 （1）均质坝： （2）粘土心墙坝和粘土斜墙坝： （3）人工材料心墙和斜墙坝： （4）多种土质坝： 2．土石混合坝 上述多种土质坝中，粗粒土改用砂砾石料筑成的坝，或用土石混合在一起的材料筑成的 坝，称为土石混合坝。 3．堆石坝 除防渗体外，坝体的绝大部分或全部由石料堆筑起来的称为堆石坝
3 (b) A考 (B) (k) (C)
第二节土石坝的基本剖面 、坝顶高程 ●坝顶高程根据正常运用和非常运用的静水位加相应的超高Y予以确定 静水+F 计算情况 ①设计洪水位+正常运用情况的坝顶超高; ②校核洪水位+非常运用情况的坝顶超高 最大值为坝顶高程 ③正常高水位+非常运用情况的坝顶超高+地震安全加高 坝顶设防浪墙时,超高值Y是指静水位与墙顶的高差 ●计算的坝顶高程是指坝体沉降稳定后的数值 Y按下式计算。 Y=R+e+A KI. D cos B 2 静水位 e=AoD B(4-2) 式中R——波浪在坝坡上的最大爬高,m; 最大风壅水面高度,即风壅水面超出原库水位高度的最大值,m; H 坝前水域平均水深,m; K—综合摩阻系数,其值变化在(1.5~50)×106之间,计算时一般取K=3.6×10°; β——风向与水域中线(或坝轴线的法线)的夹角,度;、D—一计算风速和风区 长度,见第二章 安全加高,m根据坝的等级和运用情况,按表4-1确 波浪爬高 波浪沿建筑物坡面爬升的垂直高度(由风壅水面算起)称为波浪爬高,波浪爬高R的计 算,土石坝设计规范推荐采用蒲田试验站公式,其具体计算方法如下 (1)计算波浪的平均爬高R:当坝坡系数m=1.5~50时,平均爬高Rm计算公式:
第二节 土石坝的基本剖面 一、坝顶高程 ⚫ 坝顶高程根据正常运用和非常运用的静水位加相应的超高 Y 予以确定。 顶 = 静水 + Y ⚫ 计算情况： ① 设计洪水位+正常运用情况的坝顶超高； ② 校核洪水位+非常运用情况的坝顶超高； 最大值为坝顶高程 ③ 正常高水位+非常运用情况的坝顶超高+地震安全加高 ⚫ 坝顶设防浪墙时，超高值 Y 是指静水位与墙顶的高差。 ⚫ 计算的坝顶高程是指坝体沉降稳定后的数值。 ⚫ Y 按下式计算。 Y=R+e+A cos 2 2 0 gHm Kv D e = cos 2 2 0 gHm Kv D e = (4-2) 式中 R——波浪在坝坡上的最大爬高，m; e——最大风壅水面高度，即风壅水面超出原库水位高度的最大值，m; Hm——坝前水域平均水深，m; K——综合摩阻系数，其值变化在（1.5～5.0） 6 10− 之间，计算时一般取 K=3.6 6 10− ; ——风向与水域中线（或坝轴线的法线）的夹角，度；v0、D——计算风速和风区 长度，见第二章； A——安全加高，m;根据坝的等级和运用情况，按表 4-1 确定。 ⚫ 波浪爬高: 波浪沿建筑物坡面爬升的垂直高度（由风壅水面算起）称为波浪爬高，波浪爬高 R 的计 算，土石坝设计规范推荐采用蒲田试验站公式，其具体计算方法如下： （1）计算波浪的平均爬高 Rm ：当坝坡系数 m=1.5～5.0 时，平均爬高 Rm 计算公式：
R= KK √hnL 式中K——斜坡的糙率渗透性系数 K-—经验系数,由计算风速wms)、水域平均水深Hn(m)和重力加速度g 组成的无维量" m一单坡的坡度系数,若单坡坡角为a,则m=cga; bn、Lm——平均波高和波长,m, 薄田试验站的波高和波长计算: 1)平均波高h用式计算 2)平均波长Lm由平均周期Tm和平均水深Hm按下述理论公式计算 平均周期Tm=4438h05 H 当m≥0.5时,称为深水波,其波长与周期有关: T ≈1.56T 当一m<0.5时,称为浅水波,其波长与周期和水深有关: 2H (2)计算设计爬高值R不同累计频率的爬高R与Rm的比,可根据爬高统计分布表确 定 当风向与坝轴的法线成一夹角β时,波浪爬高应乘以折减系数KB,其值由表确定 坝顶宽度 坝顶宽度应根据运行、施工、构造、交通和人防等方面的要求综合研究后确定。 坝顶宽度应按照交通规定选定。 当无特殊要求时,高坝的坝顶最小宽度可选用10~15m,中低坝可选用5~10m。 坝顶宽度必须考虑心墙或斜墙顶部及反滤层布置的需要
Rm = m m w h L m K K 2 1+ 式中 K ——斜坡的糙率渗透性系数 Kw——经验系数，由计算风速 v0(m/s)、水域平均水深 Hm （m）和重力加速度 g 组成的无维量 gHm v0 ； m—单坡的坡度系数，若单坡坡角为 ，则 m=ctg ； mh 、 Lm ——平均波高和波长，m; 薄田试验站的波高和波长计算： 1）平均波高 hm 用式计算： 2）平均波长 Lm 由平均周期 Tm 和平均水深 Hm 按下述理论公式计算： 平均周期 Tm=4.438 0.5 hm 当 m m L H 0.5 时，称为深水波，其波长与周期有关： 2 2 1.56 2 m m m T gT L = 当 m m L H <0.5 时，称为浅水波，其波长与周期和水深有关： m m m m L H th gT L 2 2 2 = （2）计算设计爬高值 R：不同累计频率的爬高 Rp 与 Rm 的比，可根据爬高统计分布表确 定。 当风向与坝轴的法线成一夹角 时，波浪爬高应乘以折减系数 K ,其值由表确定。 二、坝顶宽度 坝顶宽度应根据运行、施工、构造、交通和人防等方面的要求综合研究后确定。 坝顶宽度应按照交通规定选定。 当无特殊要求时，高坝的坝顶最小宽度可选用 10～15m，中低坝可选用 5～10m。 坝顶宽度必须考虑心墙或斜墙顶部及反滤层布置的需要