水利工程土石壩與堤防培訓(xùn)講義

第二二章章土土石石壩壩與與堤堤防防第一一節(jié)節(jié)概概述述第二二節(jié)節(jié)土土石石壩壩剖剖面面設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)第三三節(jié)節(jié)細(xì)細(xì)部部構(gòu)構(gòu)造造與與壩壩體體材材料料第四四節(jié)節(jié)滲滲流流分分析析第五五節(jié)節(jié)土土石石壩壩穩(wěn)穩(wěn)定定分分析析第六六節(jié)節(jié)土土石石壩壩的的壩壩基基處處理理第七七節(jié)節(jié)堤堤防防與與河河道道整整治治建建筑筑物物第一一節(jié)節(jié)概概述述土石石壩壩是是指指由由土土料料、、石石料料或或土土石石混混合合料料，，采采用用拋拋填填、、碾碾壓壓等等方方法法堆堆筑筑成成的的擋擋水水壩壩。。由由于于筑筑壩壩材材料料主主要要來來自自壩壩址址區(qū)區(qū)，，因因而而也也稱稱為為當(dāng)當(dāng)?shù)氐夭牟牧狭蠅螇巍?。堤堤防防是是沿沿河河岸岸修修建建?gòu)構(gòu)筑筑的的護(hù)護(hù)岸岸建建筑筑物物，，大大多多數(shù)數(shù)采采用用土土石石壩壩的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)形形式式，，在在許許多多方方面面土土石石壩壩與與堤堤防防都都存存在在共共性性。。土石石壩壩歷歷史史悠悠久久，，是是應(yīng)應(yīng)用用最最為為廣廣泛泛和和最最有有發(fā)發(fā)展展前前途途的的一一種種壩壩型型。。一、、土土石石壩壩的的工工作作特特點(diǎn)點(diǎn)和和設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)要要求求（一一））穩(wěn)穩(wěn)定定土石石壩壩失失穩(wěn)穩(wěn)的的型型式式，，主主要要是是壩壩坡坡的的滑滑動(dòng)動(dòng)或或壩壩坡坡連連同同部部分分壩壩基基一一起起滑滑動(dòng)動(dòng)，，影影響響壩壩體體的的正正常常工工作作，，甚甚至至導(dǎo)導(dǎo)致致工工程程失失事事。。為為確確保保土土石石填填筑筑體體的的穩(wěn)穩(wěn)定定，，土土石石壩壩斷斷面面一一般般設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)成成梯梯形形或或復(fù)復(fù)合合梯梯形形，，而而且且邊邊坡坡較較緩緩。。（二二））滲滲流流滲流流不不僅僅使使水水庫庫損損失失水水量量，，還還會(huì)會(huì)使使背背水水面面的的土土體體顆顆粒粒流流失失、、變變形形，，引引起起管管涌涌和和流流土土等等滲滲透透破破壞壞。。防止止?jié)B滲流流破破壞壞的的原原則則是是““前前堵堵后后排排””。。（三三））沉沉陷陷由于于土土石石顆顆粒粒之之間間存存在在較較大大的的孔孔隙隙，，在在外外荷荷載載的的作作用用下下，，易易產(chǎn)產(chǎn)生生移移動(dòng)動(dòng)、、錯(cuò)錯(cuò)位位，，細(xì)細(xì)顆顆粒粒填填充充部部分分孔孔隙隙，，使使壩壩體體產(chǎn)產(chǎn)生生沉沉降降，，也也使使土土體體逐逐步步密密實(shí)實(shí)、、固固結(jié)結(jié)。。（四四））沖沖刷刷土石石壩壩為為散散粒粒結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，抗抗沖沖能能力力低低，，受受到到波波浪浪、、雨雨水水和和水水流流作作用用，，會(huì)會(huì)造造成成沖沖刷刷破破壞壞。。（五五））其其他他冬季季結(jié)結(jié)冰冰、、夏夏季季干干裂裂、、地地震震影影響響、、穴穴居居動(dòng)動(dòng)物物影影響響等等。。二、、土土石石壩壩的的類類型型（一一））按按壩壩高高分分類類土石石壩壩按按其其壩壩高高可可分分為為低低壩壩、、中中壩壩和和高高壩壩。。（二二））按按施施工工方方法法分分類類1、碾碾壓壓式式土土石石壩壩2、水水力力沖沖填填壩壩3、定定向向爆爆破破堆堆石石壩壩（三三））按按防防滲滲材材料料及及結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)不不同同1、均均質(zhì)質(zhì)壩壩2、土土質(zhì)質(zhì)防防滲滲體體分分區(qū)區(qū)壩壩3、人人工工防防滲滲材材料料壩壩4、過過水水土土石石壩壩（四四））按按壩壩體體材材料料所所占占比比例例1、土土壩壩2、土土石石混混合合壩壩3、堆堆石石壩壩第二二節(jié)節(jié)土土石石壩壩剖剖面面設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)剖面面設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)是是土土壩壩設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)的的主主要要內(nèi)內(nèi)容容，，包包括括壩壩頂頂高高程程、、壩壩頂頂寬寬度度、、上上下下游游壩壩坡坡、、防防滲滲結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)、、排排水水結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)及及其其細(xì)細(xì)部部構(gòu)構(gòu)造造。。設(shè)計(jì)計(jì)步步驟驟：：計(jì)計(jì)算算壩壩頂頂高高程程，，根根據(jù)據(jù)具具體體要要求求和和經(jīng)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)擬擬定定剖剖面面，，進(jìn)進(jìn)行行滲滲流流計(jì)計(jì)算算，，最最后后進(jìn)進(jìn)行行壩壩坡坡穩(wěn)穩(wěn)定定分分析析，，根根據(jù)據(jù)穩(wěn)穩(wěn)定定分分析析的的結(jié)結(jié)果果判判斷斷壩壩剖剖面面的的合合理理性性。。一一般般需需要要多多次次重重復(fù)復(fù)以以上上步步驟驟，，直直至至得得到到合合理理的的剖剖面面。。一、、壩壩頂頂高高程程壩頂頂高高程程按按水水庫庫靜靜水水位位加加上上防防浪浪超超高高來來確確定定，，規(guī)規(guī)范范規(guī)規(guī)定定，，按按下下列列運(yùn)運(yùn)用用條條件件計(jì)計(jì)算算，，取取其其大大者者。。（1）設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)洪洪水水位位加加正正常常運(yùn)運(yùn)用用條條件件的的壩壩頂頂超超高高。。（2）正正常常蓄蓄水水位位加加正正常常運(yùn)運(yùn)用用條條件件的的壩壩頂頂超超高高。。（3）校校核核洪洪水水位位加加非非常常運(yùn)運(yùn)用用條條件件的的壩壩頂頂超超高高。。（4）正正常常蓄蓄水水位位加加非非常常運(yùn)運(yùn)用用條條件件的的壩壩頂頂超超高高，，再再加加地地震震安安全全超超高高。。壩頂頂超超高高的的計(jì)計(jì)算算公公式式如如下下（二二））壩壩頂頂寬寬度度壩頂頂寬寬度度主主要要滿滿足足運(yùn)運(yùn)行行、、施施工工、、交交通通和和人人防防等等要要求求。。（三三））壩壩坡坡同種種土土質(zhì)質(zhì)的的壩壩體體，，上上游游坡坡要要比比下下游游坡坡緩緩些些。。心墻墻壩壩上上下下游游壩壩殼殼一一般般比比均均質(zhì)質(zhì)壩壩陡陡。。斜斜墻墻壩壩的的上上游游壩壩坡坡較較緩緩，，而而下下游游壩壩坡坡和和心心墻墻壩壩相相仿仿。。地基基條條件件好好、、土土料料碾碾壓壓密密實(shí)實(shí)的的，，壩壩坡坡可可以以陡陡些些，，反反之之則則應(yīng)應(yīng)放放緩緩。。用黏黏性性土土料料做做成成的的壩壩坡坡，，常常沿沿高高度度分分成成數(shù)數(shù)段段，，從從上上而而下下逐逐漸漸放放緩緩。。砂砂土土和和堆堆石石可可采采用用均均一一坡坡率率。。第三三節(jié)節(jié)細(xì)細(xì)部部構(gòu)構(gòu)造造與與壩壩體體材材料料一、、防防滲滲體體設(shè)置置防防滲滲設(shè)設(shè)施施的的目目的的是是減減少少通通過過壩壩體體和和壩壩基基的的滲滲漏漏量量，，降降低低浸浸潤潤線線，，以以增增加加下下游游壩壩坡坡的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性；；降降低低滲滲透透坡坡降降以以防防止止?jié)B滲透透變變形形。。（一一））土土質(zhì)質(zhì)心心墻墻（二二））土土質(zhì)質(zhì)斜斜墻墻（三三））非非土土料料防防滲滲體體1、瀝瀝青青混混凝凝土土防防滲滲體體2、鋼鋼筋筋混混凝凝土土防防滲滲體體二、、壩壩體體排排水水土石石壩壩壩壩身身排排水水設(shè)設(shè)施施的的主主要要作作用用是是：：①①降降低低壩壩體體浸浸潤潤線線，，防防止止?jié)B滲流流逸逸出出處處的的滲滲透透變變形形，，增增強(qiáng)強(qiáng)壩壩坡坡的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性；；②②防防止止壩壩坡坡受受冰冰凍凍破破壞壞；；③③有有時(shí)時(shí)也也起起降降低低孔孔隙隙水水壓壓力力的的作作用用。。（一）堆堆石棱體體排水（二）貼貼坡排水水（三）褥褥墊排水水（四）組組合式排排水三、壩頂頂及護(hù)坡坡（一）壩壩頂壩頂一般般采用碎碎石、單單層砌石石、瀝青青或混凝凝土路面面。如壩壩頂有公公路交通通要求，，壩頂結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿滿足公路路交通路路面的有有關(guān)規(guī)定定。（二）護(hù)護(hù)坡護(hù)坡的主主要作用用是保護(hù)護(hù)壩坡免免受波浪浪和降雨雨的沖刷刷；防止止壩體的的黏性土土發(fā)生冰冰結(jié)、膨膨脹、收收縮現(xiàn)象象。1、上游護(hù)護(hù)坡上游護(hù)坡坡可采用用拋石、、干砌石石、漿砌砌石、混混凝土塊塊（板））或?yàn)r青青混凝土土，其中中以砌塊塊石護(hù)坡坡最常用用。2、下游護(hù)護(hù)坡下游護(hù)坡坡可采用用草皮、、碎石或或塊石等等，其中中草皮護(hù)護(hù)坡是最最經(jīng)濟(jì)的的形式之之一。四、壩體體各部分分對(duì)土料料的要求求（一）均均質(zhì)壩均質(zhì)壩的的土料應(yīng)應(yīng)具有一一定的抗抗?jié)B性能能；對(duì)粒粒徑及有有機(jī)質(zhì)含含量也有有一定的的要求。。（二）心心墻壩和和斜墻壩壩的壩殼殼壩殼土石石料主要要是為了了保持壩壩體的穩(wěn)穩(wěn)定性，，一般要要求有較較高的強(qiáng)強(qiáng)度。（三）土土質(zhì)防滲滲體對(duì)防滲性性、水溶溶鹽含量量及有機(jī)機(jī)質(zhì)含量量有要求求。（四）排排水設(shè)施施和砌石石護(hù)坡用用石料要求具有有較高抗抗壓強(qiáng)度度，良好好的抗水水性、抗抗凍性和和抗風(fēng)化化性的巖巖石。五、填筑筑標(biāo)準(zhǔn)土石料的的填筑標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)是指指土料的的壓實(shí)程程度及其其適宜含含水量。。（一）黏黏性土的的填筑標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不含礫礫或含少少量礫的的黏性土土料的填填筑標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)應(yīng)以壓實(shí)度和最優(yōu)含水水率作為設(shè)計(jì)計(jì)控制指指標(biāo)。設(shè)設(shè)計(jì)干密密度應(yīng)以以擊實(shí)最最大干密密度乘以以壓實(shí)度度求得。。（二）非非黏性土土料的填填筑標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)它的壓實(shí)實(shí)程度一一般與含含水量關(guān)關(guān)系不大大，而與與粒徑級(jí)級(jí)配和壓壓實(shí)功能能有密切切關(guān)系。。壓密程程度一般般用相對(duì)密度度來表示。。堆石的填填筑標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，宜以以孔隙率為設(shè)計(jì)控控制指標(biāo)標(biāo)。第四節(jié)滲滲流分分析一、滲流流分析的的概述（一）滲滲流分析析的目的的土石壩的的基本剖剖面確定定后，需需要通過過滲流分分析檢驗(yàn)驗(yàn)壩體及及壩基的的安全性性，并為為壩坡穩(wěn)穩(wěn)定分析析提供依依據(jù)。計(jì)計(jì)算內(nèi)容容有：壩壩體浸潤潤線、滲滲流出逸逸點(diǎn)的位位置、滲滲透流量量和各點(diǎn)點(diǎn)的滲透透壓力或或滲透坡坡降，并并繪制壩壩體及壩壩基內(nèi)的的等勢線線分布圖圖或流網(wǎng)網(wǎng)圖等。。（二）計(jì)計(jì)算工況況一般需要要計(jì)算的的工況有有：①上上游正常常蓄水位位與下游游相應(yīng)的的最低水水位；②②上游設(shè)設(shè)計(jì)洪水水位與下下游相應(yīng)應(yīng)的水位位；③上上游校核核洪水位位與下游游相應(yīng)的的水位；；④庫水水位降落落時(shí)上游游壩坡穩(wěn)穩(wěn)定最不不利的情情況。（三）計(jì)計(jì)算方法法（略））二、滲流流分析的的水力學(xué)學(xué)法（略略）三、滲流流分析的的數(shù)值計(jì)計(jì)算法（（略）四、土石石壩的滲滲流變形形及其防防治措施施（一）滲滲透變形形的型式式1、管涌壩體或壩壩基中的的細(xì)土壤壤顆粒被被滲流帶帶走，逐逐漸形成成滲流通通道的現(xiàn)現(xiàn)象稱為為管涌或或機(jī)械管管涌。管管涌一般般發(fā)生在在壩的下下游坡或或閘壩的的下游地地基面滲滲流逸出出處。沒有黏聚聚力的無無黏性砂砂土、礫礫石砂土土中容易易發(fā)生管管涌。2、流土在滲流作作用下，，成塊的的土體被被掀起浮浮動(dòng)的現(xiàn)現(xiàn)象稱為為流土。。主要發(fā)生在黏黏性土及及均勻非非黏性土土體的滲滲流出口口處。3、接觸沖沖刷當(dāng)滲流沿沿兩種不不同土壤壤的接觸觸面或建建筑物與與地基的的接觸面面流動(dòng)時(shí)時(shí)，把其其中細(xì)顆顆粒帶走走的現(xiàn)象象稱為接接觸沖刷刷。4、接觸管管涌和接接觸流土土滲流方向向垂直于于兩種不不同土壤壤的接觸觸面時(shí)，，可能把把其中一一層的細(xì)細(xì)顆粒帶帶到另一一層的粗粗顆粒中中去，稱稱為接觸觸管涌。。當(dāng)其中中一層為為黏性土土，由于于含水量量增大致致使凝聚聚力降低低而成塊塊移動(dòng)，，甚至形形成剝蝕蝕時(shí)，稱稱為接觸觸流土。。（二）滲滲透變形形的判別別滲流變形形的判別別包括兩兩個(gè)方面面：滲透透類型與與發(fā)生條條件。（三）防防止發(fā)生生滲透變變形的措措施防止?jié)B透透變形的的工程措措施，一一方面是是降低滲滲流坡降降從而減減小滲流流速度和和滲流壓壓力；另另一方面面是增強(qiáng)強(qiáng)滲流逸逸出處土土體抵抗抗?jié)B透變變形的能能力。具體工程程措施有有：①在在上游側(cè)側(cè)設(shè)置水水平與垂垂直防滲滲體，延延長滲徑徑，降低低滲透坡坡降或截截阻滲流流；②在在下游側(cè)側(cè)設(shè)置排排水溝或或減壓井井，降低低滲流出出口處的的滲流壓壓力；③對(duì)可能發(fā)發(fā)生管涌涌的地段段，需鋪鋪設(shè)反濾濾層，攔攔截可能能被涌流流攜帶的的細(xì)粒；；④對(duì)下下游可能能發(fā)生流流土的地地段，應(yīng)應(yīng)加蓋重重，蓋重重下的保保護(hù)層也也必須按按反濾原原則鋪設(shè)設(shè)。第五節(jié)土土石壩壩穩(wěn)定分分析一、概述述土石壩的的穩(wěn)定性性主要是是指邊坡坡穩(wěn)定問問題。土土石壩邊邊坡的失失穩(wěn)形式式主要有有滑坡、、塑性流流動(dòng)和液液化三種種形式。。其中滑滑坡主要要有以下下幾種形形式。（一）曲曲線滑動(dòng)動(dòng)曲線滑動(dòng)動(dòng)面是一一個(gè)頂部部稍陡而而底部漸漸緩的曲曲面，多多發(fā)生在在黏性土土壩坡中中。（二）直線線和折線滑滑動(dòng)面在均質(zhì)的非非黏性土邊邊坡中，滑滑動(dòng)面一般般為直線；；當(dāng)壩體的的一部分淹淹沒在水中中時(shí)，滑動(dòng)動(dòng)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(dòng)。（三）復(fù)式式滑動(dòng)面復(fù)式滑動(dòng)面面是同時(shí)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(dòng)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(biāo)標(biāo)準(zhǔn)（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(jì)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(jì)算；在在下游水位位以下的土土體，按浮浮容重計(jì)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(shí)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(dòng)時(shí)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(yùn)運(yùn)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(jì)計(jì)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)（（略）三、土石壩壩邊坡穩(wěn)定定計(jì)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(gè)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(dòng)動(dòng)；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(yáng)揚(yáng)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(dòng)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(duì)對(duì)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(jì)濟(jì)時(shí)，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(xì)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(hù)護(hù)兩岸或海海岸不受洪洪水（海潮潮）威脅。。同時(shí)，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(dòng)影影響下，由