第二章土石壩與堤防

第二章土石壩與堤防第一節(jié)概述第二節(jié)土石壩剖面設(shè)計第三節(jié)細部構(gòu)造與壩體材料第四節(jié)滲流分析第五節(jié)土石壩穩(wěn)定分析第六節(jié)土石壩的壩基處理第七節(jié)堤防與河道整治建筑物第一節(jié)概述土石壩是指由土料、石料或土石混合料，采用拋填、碾壓等方法堆筑成的擋水壩。由于筑壩材料主要來自壩址區(qū)，因而也稱為當(dāng)?shù)夭牧蠅?。堤防是沿河岸修建?gòu)筑的護岸建筑物，大多數(shù)采用土石壩的結(jié)構(gòu)形式，在許多方面土石壩與堤防都存在共性。土石壩歷史悠久，是應(yīng)用最為廣泛和最有發(fā)展前途的一種壩型。一、土石壩的工作特點和設(shè)計要求（一）穩(wěn)定土石壩失穩(wěn)的型式，主要是壩坡的滑動或壩坡連同部分壩基一起滑動，影響壩體的正常工作，甚至導(dǎo)致工程失事。為確保土石填筑體的穩(wěn)定，土石壩斷面一般設(shè)計成梯形或復(fù)合梯形，而且邊坡較緩。（二）滲流滲流不僅使水庫損失水量，還會使背水面的土體顆粒流失、變形，引起管涌和流土等滲透破壞。防止?jié)B流破壞的原則是“前堵后排”。（三）沉陷由于土石顆粒之間存在較大的孔隙，在外荷載的作用下，易產(chǎn)生移動、錯位，細顆粒填充部分孔隙，使壩體產(chǎn)生沉降，也使土體逐步密實、固結(jié)。（四）沖刷土石壩為散粒結(jié)構(gòu)，抗沖能力低，受到波浪、雨水和水流作用，會造成沖刷破壞。（五）其他冬季結(jié)冰、夏季干裂、地震影響、穴居動物影響等。二、土石壩的類型（一）按壩高分類土石壩按其壩高可分為低壩、中壩和高壩。（二）按施工方法分類1、碾壓式土石壩2、水力沖填壩3、定向爆破堆石壩（三）按防滲材料及結(jié)構(gòu)不同1、均質(zhì)壩2、土質(zhì)防滲體分區(qū)壩3、人工防滲材料壩4、過水土石壩（四）按壩體材料所占比例1、土壩2、土石混合壩3、堆石壩第二節(jié)土石壩剖面設(shè)計剖面設(shè)計是土壩設(shè)計的主要內(nèi)容，包括壩頂高程、壩頂寬度、上下游壩坡、防滲結(jié)構(gòu)、排水結(jié)構(gòu)及其細部構(gòu)造。設(shè)計步驟：計算壩頂高程，根據(jù)具體要求和經(jīng)驗擬定剖面，進行滲流計算，最后進行壩坡穩(wěn)定分析，根據(jù)穩(wěn)定分析的結(jié)果判斷壩剖面的合理性。一般需要多次重復(fù)以上步驟，直至得到合理的剖面。一、壩頂高程程壩頂高程按水水庫靜水位加加上防浪超高高來確定，規(guī)規(guī)范規(guī)定，按按下列運用條條件計算，取取其大者。（1）設(shè)計洪水位位加正常運用用條件的壩頂頂超高。（2）正常蓄水位位加正常運用用條件的壩頂頂超高。（3）校核洪水位位加非常運用用條件的壩頂頂超高。（4）正常蓄水位位加非常運用用條件的壩頂頂超高，再加加地震安全超超高。壩頂超高的計計算公式如下下（二）壩頂寬寬度壩頂寬度主要要滿足運行、、施工、交通通和人防等要要求。（三）壩坡同種土質(zhì)的壩壩體，上游坡坡要比下游坡坡緩些。心墻壩上下游游壩殼一般比比均質(zhì)壩陡。。斜墻壩的上上游壩坡較緩緩，而下游壩壩坡和心墻壩壩相仿。地基條件好、、土料碾壓密密實的，壩坡坡可以陡些，，反之則應(yīng)放放緩。用黏性土料做做成的壩坡，，常沿高度分分成數(shù)段，從從上而下逐漸漸放緩。砂土土和堆石可采采用均一坡率率。第三節(jié)細部部構(gòu)造與壩體體材料一、防滲體設(shè)置防滲設(shè)施施的目的是減減少通過壩體體和壩基的滲滲漏量，降低低浸潤線，以以增加下游壩壩坡的穩(wěn)定性性；降低滲透透坡降以防止止?jié)B透變形。。（一）土質(zhì)心心墻（二）土質(zhì)斜斜墻（三）非土料料防滲體1、瀝青混凝土土防滲體2、鋼筋混凝土土防滲體二、壩體排水水土石壩壩身排排水設(shè)施的主主要作用是：：①降低壩體體浸潤線，防防止?jié)B流逸出出處的滲透變變形，增強壩壩坡的穩(wěn)定性性；②防止壩壩坡受冰凍破破壞；③有時時也起降低孔孔隙水壓力的的作用。（一）堆石棱棱體排水（二）貼坡排排水（三）褥墊排排水（四）組合式式排水三、壩頂及護護坡（一）壩頂壩頂一般采用用碎石、單層層砌石、瀝青青或混凝土路路面。如壩頂頂有公路交通通要求，壩頂頂結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足足公路交通路路面的有關(guān)規(guī)規(guī)定。（二）護坡護坡的主要作作用是保護壩壩坡免受波浪浪和降雨的沖沖刷；防止壩壩體的黏性土土發(fā)生冰結(jié)、、膨脹、收縮縮現(xiàn)象。1、上游護坡上游護坡可采采用拋石、干干砌石、漿砌砌石、混凝土土塊（板）或或瀝青混凝土土，其中以砌砌塊石護坡最最常用。2、下游護坡下游護坡可采采用草皮、碎碎石或塊石等等，其中草皮皮護坡是最經(jīng)經(jīng)濟的形式之之一。四、壩體各部部分對土料的的要求（一）均質(zhì)壩壩均質(zhì)壩的土料料應(yīng)具有一定定的抗?jié)B性能能；對粒徑及及有機質(zhì)含量量也有一定的的要求。（二）心墻壩壩和斜墻壩的的壩殼壩殼土石料主主要是為了保保持壩體的穩(wěn)穩(wěn)定性，一般般要求有較高高的強度。（三）土質(zhì)防防滲體對防滲性、水水溶鹽含量及及有機質(zhì)含量量有要求。（四）排水設(shè)設(shè)施和砌石護護坡用石料要求具有較高高抗壓強度，，良好的抗水水性、抗凍性性和抗風(fēng)化性性的巖石。五、填筑標準準土石料的填筑筑標準是指土土料的壓實程程度及其適宜宜含水量。（一）黏性土土的填筑標準準對不含礫或含含少量礫的黏黏性土料的填填筑標準應(yīng)以以壓實度和最優(yōu)含水率作為設(shè)計控制制指標。設(shè)計計干密度應(yīng)以以擊實最大干干密度乘以壓壓實度求得。。（二）非黏性性土料的填筑筑標準它的壓實程度度一般與含水水量關(guān)系不大大，而與粒徑徑級配和壓實實功能有密切切關(guān)系。壓密密程度一般用用相對密度來表示。堆石的填筑標標準，宜以孔隙率為設(shè)計控制指指標。第四節(jié)滲流流分析一、滲流分析析的概述（一）滲流分分析的目的土石壩的基本本剖面確定后后，需要通過過滲流分析檢檢驗壩體及壩壩基的安全性性，并為壩坡坡穩(wěn)定分析提提供依據(jù)。計計算內(nèi)容有：：壩體浸潤線線、滲流出逸逸點的位置、、滲透流量和和各點的滲透透壓力或滲透透坡降，并繪繪制壩體及壩壩基內(nèi)的等勢勢線分布圖或或流網(wǎng)圖等。。（二）計算工工況一般需要計算算的工況有：：①上游正常常蓄水位與下下游相應(yīng)的最最低水位；②②上游設(shè)計洪洪水位與下游游相應(yīng)的水位位；③上游校校核洪水位與與下游相應(yīng)的的水位；④庫庫水位降落時時上游壩坡穩(wěn)穩(wěn)定最不利的的情況。（三）計算方方法（略）二、滲流分析析的水力學(xué)法法（略）三、滲流分析析的數(shù)值計算算法（略）四、土石壩的的滲流變形及及其防治措施施（一）滲透變變形的型式1、管涌壩體或壩基中中的細土壤顆顆粒被滲流帶帶走，逐漸形形成滲流通道道的現(xiàn)象稱為為管涌或機械械管涌。管涌涌一般發(fā)生在在壩的下游坡坡或閘壩的下下游地基面滲滲流逸出處。。沒有黏聚力的的無黏性砂土土、礫石砂土土中容易發(fā)生生管涌。2、流土在滲流作用下下，成塊的土土體被掀起浮浮動的現(xiàn)象稱稱為流土。主主要發(fā)生在黏性土土及均勻非黏黏性土體的滲滲流出口處。3、接觸沖刷當(dāng)滲流沿兩種種不同土壤的的接觸面或建建筑物與地基基的接觸面流流動時，把其其中細顆粒帶帶走的現(xiàn)象稱稱為接觸沖刷刷。4、接觸管涌和和接觸流土滲流方向垂直直于兩種不同同土壤的接觸觸面時，可能能把其中一層層的細顆粒帶帶到另一層的的粗顆粒中去去，稱為接觸觸管涌。當(dāng)其其中一層為黏黏性土，由于于含水量增大大致使凝聚力力降低而成塊塊移動，甚至至形成剝蝕時時，稱為接觸觸流土。（二）滲透透變形的判判別滲流變形的的判別包括括兩個方面面：滲透類類型與發(fā)生生條件。（三）防止止發(fā)生滲透透變形的措措施防止?jié)B透變變形的工程程措施，一一方面是降降低滲流坡坡降從而減減小滲流速速度和滲流流壓力；另另一方面是是增強滲流流逸出處土土體抵抗?jié)B滲透變形的的能力。具體工程措措施有：①①在上游側(cè)側(cè)設(shè)置水平平與垂直防防滲體，延延長滲徑，，降低滲透透坡降或截截阻滲流；；②在下游游側(cè)設(shè)置排排水溝或減減壓井，降降低滲流出出口處的滲滲流壓力；；③對可能發(fā)生生管涌的地地段，需鋪鋪設(shè)反濾層層，攔截可可能被涌流流攜帶的細細粒；④對對下游可能能發(fā)生流土土的地段，，應(yīng)加蓋重重，蓋重下下的保護層層也必須按按反濾原則則鋪設(shè)。第五節(jié)土土石壩穩(wěn)定定分析一、概述土石壩的穩(wěn)穩(wěn)定性主要要是指邊坡坡穩(wěn)定問題題。土石壩壩邊坡的失失穩(wěn)形式主主要有滑坡坡、塑性流流動和液化化三種形式式。其中滑滑坡主要有有以下幾種種形式。（一）曲線線滑動曲線滑動面面是一個頂頂部稍陡而而底部漸緩緩的曲面，，多發(fā)生在在黏性土壩壩坡中。（二）直線線和折線滑滑動面在均質(zhì)的非非黏性土邊邊坡中，滑滑動面一般般為直線；；當(dāng)壩體的的一部分淹淹沒在水中中時，滑動動面可能為為折線。在在不同土料料的分界面面，也可能能發(fā)生直線線或折線滑滑動。（三）復(fù)式式滑動面復(fù)式滑動面面是同時具具有黏性土土和非黏性性土的土壩壩中常出現(xiàn)現(xiàn)的滑動面面型式。二、荷載及及其組合和和穩(wěn)定安全全系數(shù)的標標準（一）荷載載及其組合合1、基本荷載載（1）自重。土壩壩體自自重分三種種情況來考考慮，即：：在浸潤線線以上的土土體，按濕濕容重計算算；在浸潤潤線以下、、下游水面面線以上的的土體，按按飽和容重重計算；在在下游水位位以下的土土體，按浮浮容重計算算。（2）滲透力。。是在滲流場場內(nèi)作用于于土體的體體積力。（3）孔隙壓力力。黏性土在外外荷載的作作用下產(chǎn)生生壓縮，由由于土體內(nèi)內(nèi)的空氣和和水一時來來不及排出出，外荷載載便由土粒粒和空隙中中的空氣與與水來共同同承擔(dān)。其其中，由土土粒骨架承承擔(dān)的應(yīng)力力稱為有效效應(yīng)力，它它在土體滑滑動時能產(chǎn)產(chǎn)生摩擦力力；由空隙隙中的水和和空氣承擔(dān)擔(dān)的應(yīng)力稱稱為孔隙壓壓力，它它不能產(chǎn)生生摩擦力。。2、荷載組合合土石壩穩(wěn)定定分析的荷荷載組合主主要有正常常工作條件件和非常運運用情況。。（1）正常工作作條件。①①水庫上游游水位處于于正常蓄水水位和設(shè)計計洪水位與與死水位之之間的各種種水位的穩(wěn)穩(wěn)定滲流期期。②水庫庫水位在上上述范圍內(nèi)內(nèi)經(jīng)常性的的正常降落落情況。③③抽水蓄能能電站的水水庫水位的的經(jīng)常性變變化和降落落。（2）非常運用用情況。①①施工期。。②校核洪洪水位有可可能形成穩(wěn)穩(wěn)定滲流的的情況。③③水庫水位位的非常降降落。（二）土石石壩壩坡穩(wěn)穩(wěn)定安全系系數(shù)標準（（略）三、土石壩壩邊坡穩(wěn)定定計算（略略）第六節(jié)土土石壩的壩壩基處理根據(jù)土石壩壩地基條件件，地基處處理的目的的大體可歸歸納為以下下幾個方面面：①改改善地基的的剪切特性性，防止剪剪切破壞，，減少剪切切變形，保保證地基不不發(fā)生滑動動；②改善善地基的壓壓縮性能，，減少不均均勻沉降，，以限制壩壩體裂縫的的發(fā)生；③③減少地基基的透水性性，降低揚揚壓力和地地下水位，，使地基以以至壩身不不產(chǎn)生滲透透變形，并并把滲流流流量控制在在允許的范范圍內(nèi)；④④改善地基基的動力特特性，防止止液化。一、砂礫石石地基處理理砂礫石地基基的處理，，主要是對對地基的防防滲處理，，通常采取取“上堵下下排”的措措施，“上上堵”包括括水平和鉛鉛直防滲措措施，“下下排”主要要是排水減減壓。（一）垂直直防滲設(shè)施施垂直防滲是是解決壩基基滲流問題題效果最好好的措施。。垂直防滲滲的效果相相當(dāng)于水平平防滲效果果的3倍。因此在在土石壩的的防滲措施施中，應(yīng)優(yōu)優(yōu)先選擇垂垂直防滲措措施。垂直防滲措措施主要有有：黏性土土截水槽、、混凝土防防滲墻、灌灌漿帷幕、、板樁等。。（二）水平平防滲設(shè)施施防滲鋪蓋是是由黏性土土做成的水水平防滲設(shè)設(shè)施，是斜斜墻、心墻墻或均質(zhì)壩壩體向上游游延伸的部部分。當(dāng)采采用垂直防防滲有困難難或不經(jīng)濟濟時，可考考慮采用鋪鋪蓋防滲。。（三）排水水減壓措施施常用的排水水減壓設(shè)施施有排水溝溝和排水減減壓井。二、細砂、、軟黏土和和濕陷性黃黃土地基處處理第七節(jié)堤堤防與河道道整治建筑筑物一、堤防工工程堤防是沿河河流、湖泊泊、海洋的的岸邊或蓄蓄滯洪區(qū)、、水庫庫區(qū)區(qū)的周邊修修筑的擋水水建筑物，，其作用是是抵擋河道道洪水、海海潮，保護護兩岸或海海岸不受洪洪水（海潮潮）威脅。。同時，堤堤防也影響響岸區(qū)雨洪洪的排泄，，因此，必必須設(shè)置穿穿堤排水建建筑物——水閘和泵站站。（一）堤防防的類型和和作用（1）堤防按其其所在位置置不同，可可分為湖堤堤、河堤、、海堤、圍圍堤和水庫庫中堤防五五種。（2）河堤按其其所在位置置和重要性性，又分為為干堤、支支堤和民堤堤。（3）在黃河上上，河堤常常分為遙堤堤、縷堤、、格堤、越越堤和月堤堤五種。（二）堤線線布置及堤堤型選擇1、堤線布置置2、堤型選擇擇二、河道整整治工程河流無論在在自然狀態(tài)態(tài)下或在人人類活動影影響下，由由于可動的的邊界