3第三章

授课题目：第三章 土石坝 第一节 概述 第二节 土石坝的基本剖面 教学目的：掌握土石坝的特点和设计要求，土石坝的类型，坝顶高程、坝顶宽度、坝坡的设计

教学重点：土石坝的类型，坝顶高程。

教学难点：土石坝的类型，坝顶高程。

教学过程： 组织教学：师生问好，清查人数。 复习提问：什么是挡水建筑物？它由哪几种坝型？ 导入新课：挡水建筑物是用以拦截江河，形成水库或壅高水位。如各种坝和闸；以

及为抗御洪水或挡潮，沿江河海岸修建的堤防、海塘等。常用的坝型有重力坝、土石坝，本节讲述由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压方法堆筑成的挡水坝，坝体材料以土和砂砾为主的土石坝。 讲授新课：

第三章 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 （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：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。按防渗体的布置，同样也有斜墙坝、心墙坝两种。钢筋混凝土刚性斜墙堆石坝也称为钢筋混凝土面板堆石坝。 有防渗体的土石坝，为避免因渗透系数和材料级配的突变而引起渗透变形，都要向上、下游方向分别设置２～３层逐层加粗的材料作为过渡层或反滤层。 第二节 土石坝的基本剖面 土石坝的基本剖面根据坝高和坝的等级、坝型和筑坝材料特性、坝基情况以及施工运行条件等参照现有工程的实践经验初步拟定，然后通过渗流和稳定分析检验，最终确定合理的剖面形状，所以土石坝剖面的基本尺寸主要包括：坝顶高程、坝顶宽、上下游坡度、防渗结构、排水设备的形式及基本尺寸等。 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。选以下三项中的最大值为坝顶高程。

Y静水顶

计算情况： 设计洪水位+正常运用情况的坝顶超高； 校核洪水位+非常运用情况的坝顶超高； 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。

土石坝的类型示意图

Y按下式计算。 Y=R+e+A

cos220mgHDKve

cos220mgHDKve

(３-2)

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）610之间，计算时一般取K=3.6610; ——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， 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mR：当坝坡系数m=1.5～5.0时，平均爬高mR计算公式：

mRmmwLhmKK21

式中 K——斜坡的糙率渗透性系数 wK——经验系数，由计算风速v0(m/s)、水域平均水深mH（m）和重力加速度g组成的无

维量mgHv0 ； m—单坡的坡度系数，若单坡坡角为，则m=ctg；

mh、mL——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=4.4385.0mh 当 mmLH 0.5时，称为深水波，其波长与周期有关： 2256.12mmmTgTL

当mmLH<0.5时，称为浅水波，其波长与周期和水深有关：

mmmmLHthgTL22

2

（2）计算设计爬高值R：不同累计频率的爬高pR与mR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。 在寒冷地区，坝顶还须有足够的厚度以保护粘性土料防渗体免受冻害。 三、坝坡 （1）上游坝坡常比下游坝坡为缓，但堆石坝上、下游坝坡坡率的差别要比砂土料为小。 （2）土质防渗体斜墙坝上游坝坡的稳定受斜墙土料特性的控制，斜墙的上游坝坡一较心墙坝为缓。而心墙坝，特别是厚心墙坝的下游坝坡，因其稳定性受心墙土料特性的影响，一般较斜墙坝为缓。 （3）粘性土料的稳定坝坡为一曲面，上部坡陡，下部坡缓，所以用粘性土料做成的坝坡，常沿高度分成数段，每段10～30m ,从上而下逐渐放缓，相邻坡率差值取0 .25或0.5。砂土和堆石的稳定坝坡为一平面，可采用均一坡率。由于地震荷载一般沿坝高呈非均匀分布，所以，砂土和石料有时也做成变坡形式。 （4）由粉土、砂、轻壤土修建的均质坝，透水性较大，为了保持渗流稳定，一般要求适当放缓下游坝坡。 （5）当坝基或坝体土料沿坝轴线分布不一致时，应分段采用不同坡率，在各段间设过渡区，使坝坡缓慢变化。 土石坝坝坡确定的步骤是：根据经验用类比法初步拟定，再经过核算、修改以及技术经济比较后确定。 马道 碾压式土石坝上下游坝坡常沿高程每隔10～30m设置一条马道，其宽度不小于1.5～2.0m，用以拦截雨水，防止冲刷坝面，同时也兼作交通、检修和观测之用，还有利于坝坡稳定。马道一般设在坡度变化处。 总结：本节重点讲述土石坝的特点，土石坝的类型，坝顶高程、坝顶宽度、坝坡的设计。 复 习 题 1. 土石坝的特点是什么？试与重力坝作比较？ 2. 土石坝的主要类型有哪些？各有什么优缺点？ 3. 确定土石坝坝顶高程和重力坝坝顶高程的不同点是什么？ 4. 土石坝的上、下游坝坡通常采用值的范围如何？为什么上游坝坡比下游坝坡平缓？ 授课题目：第三章 土石坝 第三节 土石坝的渗流分析 教学目的：掌握渗流分析的目的和方法，渗流分析的水力学法，渗流分析的手绘流网法，土石

坝的渗透变形及其防止措施。

教学重点：渗流分析的目的和方法，土石坝的渗透变形及其防止措施。

教学难点：渗流分析的水力学法，渗流分析的手绘流网法。

教学过程： 组织教学：师生问好，清查人数。 复习提问：什么是土石坝？它的工作特点与重力坝的不同有哪些？ 导入新课：渗流分析的目的是（1）确定坝体浸润线和下游渗流出逸点的位置。

（2）确定坝体与坝基的渗流量,以便估计水库渗漏损失和确定坝体排水设备的尺寸。 （3）确定坝坡出逸段和下游地基表面的出逸坡降, ,以判断该处的渗透稳定性。 （4）确定库水位降落时上游坝壳内自由水面的位置,估算由此产生的孔隙水压力,供上游坝坡稳定分析之用。

讲授新课： 第三节 土石坝的渗流分析 一、渗流分析的目的和方法 （一）渗流分析的目的 （1）确定坝体浸润线和下游渗流出逸点的位置。 （2）确定坝体与坝基的渗流量,以便估计水库渗漏损失和确定坝体排水设备的尺寸。 （3）确定坝坡出逸段和下游地基表面的出逸坡降, ,以判断该处的渗透稳定性。 （4）确定库水位降落时上游坝壳内自由水面的位置,估算由此产生的孔隙水压力,供上游坝坡稳定分析之用。 (二)渗流分析的方法 解析法分为流体力学法和水力学法。本节主要介绍水力学法。 手绘流网法是一种简单易行的方法,能够求渗流场内任一点渗流要素,并具有一定的精度,但在渗流场内具有不同土质,且其渗透系数差别较大的情况下较难应用。 二、渗流分析的水力学法 计算情况: 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最高水位； 上游校核洪水位与下游相应的最高水位； ④库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。 （一）渗流基本公式 对于不透水地基上矩形土体内的渗流,如图所示。