土石坝教学讲解课件.ppt
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- 土石 教学 讲解 课件
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1、土石坝Embankment dam概念n土石坝的概念:由土、石料等当地材料建成的坝。土石坝的概念:由土、石料等当地材料建成的坝。n当地材料坝当地材料坝 n根据坝体材料不同,土石坝大体可分为根据坝体材料不同,土石坝大体可分为1 1)土坝)土坝 2 2)堆)堆石坝石坝 3 3)土石混合坝)土石混合坝 n对于由砂砾料或卵砾石料填筑的土石坝,应当归为土对于由砂砾料或卵砾石料填筑的土石坝,应当归为土坝还是堆石坝,目前尚无统一的划分标准。坝还是堆石坝,目前尚无统一的划分标准。土石坝的历史及现状n土石坝是历史最为悠久的一种坝型。土石坝是历史最为悠久的一种坝型。n近代土石坝的筑坝技术在近代土石坝的筑坝技术在5
2、050年代以后得到发展年代以后得到发展 n世界的情况世界的情况 0%0%10%10%20%20%30%30%40%40%50%50%60%60%70%70%80%80%90%90%100%100%50年代50年代60年代60年代70年代70年代80年代80年代土石坝比例土石坝比例土石坝的发展n4800 years ago;Egypt(overtopping)n500 B.C.,Ceylon.n1200 A.D.,Ceylon and India(overtopping)n1789,Estrecho de Rientes dam(a serious set-back)n1820,Telford.
3、(use puddled clay for the core)nThe end of the 19th century,hydraulic fill damn1856,Darcys lawn1859,steam rollern1939,soil mechanicsnVibratory roller,Nurek Dam 312mn1974,concrete-decked dams(exceeding 100m)n1300 B.C.,bitumenn1893,asphaltic reventmentn1896,cement concrete(a small dam)世界上最高坝 n罗贡坝:罗贡坝:
4、n塔吉克共和国塔吉克共和国n粘土斜心墙土石坝粘土斜心墙土石坝n最大坝高最大坝高335m335m中国的情况n最早用现代技术修建的土坝最早用现代技术修建的土坝 甘肃省的鸳鸯池水库大坝甘肃省的鸳鸯池水库大坝n土石坝数量多,但是高坝少土石坝数量多,但是高坝少 n100m100m以上的仅三座以上的仅三座 n陕西省的石头河粘土心墙堆石坝,最大坝高陕西省的石头河粘土心墙堆石坝,最大坝高114m114m 中国的情况(续)n甘肃省甘肃省 碧口碧口 壤土心墙土石混合坝壤土心墙土石混合坝 最大坝高最大坝高101.8m101.8m 过木道溢洪道中国的情况(续)n鲁布革水电站鲁布革水电站 n最大坝高最大坝高103.81
5、03.8米米 原因分析n国际环境:世界经济快速发展时期国际环境:世界经济快速发展时期n国内环境:发展相对滞后国内环境:发展相对滞后n技术上技术上n布置泄洪和施工导流所需工程量较大,造价较高布置泄洪和施工导流所需工程量较大,造价较高n对防渗土料要求过高对防渗土料要求过高n施工水平落后施工水平落后中国的发展n水平逐渐提高水平逐渐提高 现在的筑坝技术居于世界前列现在的筑坝技术居于世界前列n天生桥一级水电站天生桥一级水电站 混凝土面板堆石坝混凝土面板堆石坝 中国的发展(续)n小浪底水利枢纽小浪底水利枢纽 壤土斜心墙土石坝壤土斜心墙土石坝 堤防工程n采用土料石料填筑而成的挡水建筑物,除了土石坝,采用土料
6、石料填筑而成的挡水建筑物,除了土石坝,还有堤防工程。我们现在讨论的土石坝问题也适应于还有堤防工程。我们现在讨论的土石坝问题也适应于堤防工程。堤防工程。n堤防是江河、湖泊、海洋的岸边或蓄滞洪区、水库库堤防是江河、湖泊、海洋的岸边或蓄滞洪区、水库库区的周边修建的防止洪水漫溢或风暴潮袭击的挡水建区的周边修建的防止洪水漫溢或风暴潮袭击的挡水建筑物。筑物。土石坝的长处 n利用当地材料。节省大量的钢材水泥,免修公路利用当地材料。节省大量的钢材水泥,免修公路n适应不同地形地质条件。特别是在高烈度地震区,土适应不同地形地质条件。特别是在高烈度地震区,土石坝实际上是唯一可取的坝型石坝实际上是唯一可取的坝型 土石
7、坝的长处(续)n施工机械的改进使得工效大大提高施工机械的改进使得工效大大提高n理论的发展提高了设计水平理论的发展提高了设计水平n其他技术,如地下电站(其他技术,如地下电站(Underground PlantUnderground Plant)、隧)、隧洞(洞(TunnelTunnel)、地基处理()、地基处理(Foundation TreatmentFoundation Treatment)等的发展增加了枢纽布置的灵活性等的发展增加了枢纽布置的灵活性n结构简单,工作可靠,便于维修和加高、扩建结构简单,工作可靠,便于维修和加高、扩建土石坝的缺点 n坝顶不能过流,坝身泄洪(坝顶不能过流,坝身泄洪(
8、Flood DischargingFlood Discharging)困难较)困难较大,需要溢洪道(大,需要溢洪道(SpillwaySpillway)或泄洪洞()或泄洪洞(Spillway Spillway TunnelTunnel),枢纽布置有时比较困难),枢纽布置有时比较困难n施工导流(施工导流(River DiversionRiver Diversion)困难)困难n对防渗要求高,因为剖面大,所以填筑量大。如用粘土对防渗要求高,因为剖面大,所以填筑量大。如用粘土(ClayClay)作防渗体()作防渗体(Seepage ControlSeepage Control),受气候影响较),受气候
9、影响较大大土石坝设计的基本要求 n(1 1)足够的泄洪能力,不允许水流漫顶,要求坝体有)足够的泄洪能力,不允许水流漫顶,要求坝体有一定的超高;一定的超高;n(2 2)满足渗流要求;)满足渗流要求;n(3 3)坝体和坝基必须稳定;)坝体和坝基必须稳定;n(4 4)根据现场条件选择筑坝土石料的要求)根据现场条件选择筑坝土石料的要求n(5 5)应避免有害裂缝及必须能抵抗其他自然现象的破)应避免有害裂缝及必须能抵抗其他自然现象的破坏作用;坏作用;n(6 6)采取适当的构造措施,使坝运用可靠和耐久)采取适当的构造措施,使坝运用可靠和耐久n(7 7)安全使用前提下,力求经济美观。)安全使用前提下,力求经济
10、美观。土石坝设计的基本要求 设计要求设计要求泄洪能力泄洪能力渗流渗流坝体、坝基坝体、坝基稳定稳定土石料土石料避免裂缝、避免裂缝、抵抗自然破坏抵抗自然破坏可靠、可靠、耐久耐久经济美观经济美观土石坝的失事n沟后水库沟后水库 沙砾石面板坝沙砾石面板坝土石坝的失事(续)n世界最大的水库垮坝惨剧世界最大的水库垮坝惨剧 n河南省驻马店地区包括两座大型水库在内的数河南省驻马店地区包括两座大型水库在内的数十座水库漫顶垮坝十座水库漫顶垮坝 :板桥水库:板桥水库 、石漫滩水库、石漫滩水库n 11001100万亩农田受到毁灭性的灾害,万亩农田受到毁灭性的灾害,11001100万人万人受灾,超过受灾,超过2.62.6
11、万人死亡,经济损失近百亿元万人死亡,经济损失近百亿元 土石坝失事(续)当前大坝建设20022002年在建年在建60m60m以上大坝排在前以上大坝排在前2020名的国家及其坝数(共名的国家及其坝数(共349349座)座)国家国家中国中国土耳其土耳其伊朗伊朗日本日本印度印度西班牙西班牙巴西巴西坝数坝数8860454011118国家国家意大利意大利罗马尼罗马尼亚亚俄罗斯俄罗斯委内瑞委内瑞拉拉阿根廷阿根廷智利智利韩国韩国坝数坝数7754322国家国家泰国泰国美国美国德国德国波兰波兰葡萄牙葡萄牙南非南非坝数坝数221111土石坝的分类 施工方法施工方法碾压坝碾压坝Roller Compacted Dam
12、水力冲填坝水力冲填坝Hydraulic Fill Dam水中倒土坝水中倒土坝Dam Built By Dumping Soil into Water定向爆破坝定向爆破坝Directional Blasting Dam坝高坝高低坝低坝中坝中坝高坝高坝h70m土石坝的分类 构造构造均质坝均质坝Homogeneous Embankment Dam分区坝分区坝Zoned Earthfill Dam人工防渗人工防渗材料坝材料坝土质心墙土质心墙土质斜墙土质斜墙多种土质坝多种土质坝心墙心墙斜墙斜墙面板面板Central CoreInclined CoreDeck土石坝的分类(续)土石坝的分类(续)土石坝的基
13、本剖面 n坝顶高程(坝顶高程(Crest ElevationCrest Elevation):取以下最大值):取以下最大值 正常蓄水位正常坝顶超高正常蓄水位正常坝顶超高设计洪水位正常坝顶超高设计洪水位正常坝顶超高校核洪水位非常坝顶超高校核洪水位非常坝顶超高正常蓄水位非常坝顶超高地震加高正常蓄水位非常坝顶超高地震加高坝顶超高坝顶超高 (FreeboardFreeboard)n坝顶超高坝顶超高 其中,其中,h hB B 爬高,爬高,a a为安全加高,为安全加高,e e指坝前水位指坝前水位因风浪引起的壅高。因风浪引起的壅高。aehdB坝顶超高的计算方法nR+e:按碾压土石坝规范确定,对于中小型土石坝
14、,:按碾压土石坝规范确定,对于中小型土石坝,可按风的吹程作近似估计。可按风的吹程作近似估计。n设计的坝顶高程针对坝沉降稳定后的情况设计的坝顶高程针对坝沉降稳定后的情况n地震区的土石坝:附加地震涌浪高度。对于地震引起地震区的土石坝:附加地震涌浪高度。对于地震引起的大体积滑坡时的涌浪高度尚需专门研究。的大体积滑坡时的涌浪高度尚需专门研究。土石坝的基本剖面(续)n土石坝的基本剖面(续)n坝面坡度:影响稳定与工程量 n取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、施工方法及坝型等因素。n1、均质坝的上下游坡度比心墙坝的坝坡缓;2、粘土斜墙坝的上游坡比心墙的坝坡缓,而下游坝坡可比心墙坝陡些;3、土料相同
15、时上游坡缓于下游坡;4、粘土均质坝的坝坡与坝高有关,坝高越大坝坡越缓;5、碾压式堆石坝的坝坡比土坝陡。6、粉土、砂、轻壤土修建均质坝下游坝坡较缓。7、坝基或坝体土料沿坝轴线不一致,宜分段采用不同坡率。土石坝的基本剖面(续)n土坡1:21:3.5 堆石坡 1:1.31:2 n土质防渗体的心墙坝:n下游采用堆石:1:1.51:2.5,采用土料1:21:3n上游采用堆石1:1.71:2.7,采用土料:1:2.51:3.5n人工材料面板坝:n石料,上游:1:1.41:1.7n下游:1:1.31:1.4n马道(Berme):1.5m本节结束!附录:土石坝的失事19311931年年102102座溃坝原因统
16、计座溃坝原因统计洪水漫顶洪水漫顶渗透破坏渗透破坏管道渗漏管道渗漏滑坡滑坡其它其它不详不详土石坝的失事(续)n19521952年年206206座溃坝原因统计座溃坝原因统计洪水漫顶洪水漫顶渗透破坏渗透破坏管道渗漏管道渗漏滑坡滑坡其它其它不详不详护坡护坡土石坝的失事(续)19001950,建设大坝,建设大坝5286座,溃坝座,溃坝117座,溃坝率座,溃坝率2.2%19511986,建设大坝,建设大坝12138座,溃坝座,溃坝59座,溃坝率座,溃坝率0.49%土石坝溃坝数占溃坝的土石坝溃坝数占溃坝的70左右,主要是土石坝量大左右,主要是土石坝量大 70的溃坝坝高小于的溃坝坝高小于30m,主要原因也是量
17、大,主要原因也是量大土石坝的失事(续)19801980年底,全国总共溃坝年底,全国总共溃坝29762976起起 大型水库大型水库2 2起起(0.6%)(0.6%)中型水库中型水库117117起起(5.1%)(5.1%)小小(1)(1)型水库型水库594594起起(4.2%)(4.2%)小小(2)(2)型水库型水库22632263起起(3.2%)(3.2%)运行期占运行期占74%74%,施工期占,施工期占26%26%土石坝失事(续)漫坝漫坝 51.5质量质量问题问题管理管理不当不当其其它它不不详详失事原因失事原因土石坝失事(续)失事原因失事原因 裂缝裂缝渗漏渗漏管涌管涌滑坡塌坑滑坡塌坑护坡破坏护
18、坡破坏百分比百分比25.326.45.310.96.5失事原因失事原因冲刷破坏冲刷破坏气蚀破坏气蚀破坏闸门启闭闸门启闭失控失控白蚁大洞及其他事故白蚁大洞及其他事故百分比百分比11.23.04.86.6非溃坝事故非溃坝事故 世界及中国建坝情况对照.15m以坝总以坝总数数30m以上坝以上坝数数100m以上以上坝数坝数150m以以上坝上坝数数2002年正建年正建60m以上坝以上坝数数世界世界4969712600670155349中国中国2580046941082488建坝数排在前20名的国家及其坝数(15m以上)国家国家中国中国美国美国日本日本印度印度韩国韩国西班牙西班牙南非南非坝数坝数258002
19、58008724872426412641248124811206120612021202923923国家国家加拿大加拿大巴西巴西阿尔巴阿尔巴尼尼亚亚墨西哥墨西哥意大利意大利土耳其土耳其英国英国坝数坝数804804634634630630575575549549521521517517国家国家澳大利澳大利亚亚挪威挪威德国德国津巴布津巴布韦韦保加利保加利亚亚沙特阿拉伯沙特阿拉伯坝数坝数474474336336311311244244215215190190内容:土石坝渗流稳定分析n土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析n土石坝的稳定分析土石坝的稳定分析土石坝的渗流分析n渗流的概念渗流的概念:水库蓄水后,
20、由于上下游水位差:水库蓄水后,由于上下游水位差的关系,水流会通过坝体土粒之间的空隙从上的关系,水流会通过坝体土粒之间的空隙从上游向下游流动。游向下游流动。n渗流分析的主要内容渗流分析的主要内容:确定浸润线与下游溢出点,核算稳定确定浸润线与下游溢出点,核算稳定估算坝体和坝基渗透流量,估算渗透量估算坝体和坝基渗透流量,估算渗透量计算局部渗透坡降,验算渗透变形稳定计算局部渗透坡降,验算渗透变形稳定土石坝的渗流分析n用途:用途:(1)为土坝中各部分土的饱水状态的划分提供依据;)为土坝中各部分土的饱水状态的划分提供依据;(2)确定对坝坡稳定有重要影响的渗流作用力;)确定对坝坡稳定有重要影响的渗流作用力;
21、(3)最后确定土坝剖面及防渗、排水设备的型式及尺寸;)最后确定土坝剖面及防渗、排水设备的型式及尺寸;(4)确定渗漏量。)确定渗漏量。n计算方法计算方法水力学方法水力学方法流体有限元流体有限元其他,如图解、实验等其他,如图解、实验等渗流的分类n按参数随时间变化分:恒定和非恒定渗流;按参数随时间变化分:恒定和非恒定渗流;n按参数沿流程变化分:均匀和非均匀渗流;按参数沿流程变化分:均匀和非均匀渗流;n按有无自由水面分:无压和有压渗流;按有无自由水面分:无压和有压渗流;n无压渗流:位于不透水地基上并且具有自由面(也称为浸润面)无压渗流:位于不透水地基上并且具有自由面(也称为浸润面)的渗流。无压渗流主要
22、求解渗流流量和地下水面线(浸润线)的的渗流。无压渗流主要求解渗流流量和地下水面线(浸润线)的分析计算。分析计算。n有压渗流:位于不透水层之间的渗流。有压渗流除计算渗透流量,有压渗流:位于不透水层之间的渗流。有压渗流除计算渗透流量,还要计算水工建筑物底板受到的扬压力。还要计算水工建筑物底板受到的扬压力。n地下河槽水流的水力要素沿流程不变的称为均匀渗流,否则称为地下河槽水流的水力要素沿流程不变的称为均匀渗流,否则称为非均匀渗流。非均匀渗流。n在非均匀渗流中,若流线近乎于平行的直线,则称为非均匀渐变在非均匀渗流中,若流线近乎于平行的直线,则称为非均匀渐变渗流,否则称为非均匀急变渗流。渗流,否则称为非
23、均匀急变渗流。渗流的基本特性 n假设假设:均质均质,层流层流,稳定渐变流稳定渐变流 n应用应用达西定律达西定律,并假定任一铅直过水断面内各点的,并假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等,对不透水地基上的矩形土体,流过渗透坡降相等,对不透水地基上的矩形土体,流过断面上的断面上的平均流速平均流速为:为:n单宽流量单宽流量:kJdxdykvdxdykyvyq达西定律的适用范围97Re k1、达西定律仅适用于达西定律仅适用于层流渗流层流渗流(因为层流时水头损失与流速(因为层流时水头损失与流速的一次方成正比)。水利工程的一次方成正比)。水利工程中的渗流除堆石坝、堆石排中的渗流除堆石坝、堆石排水体等大空
24、隙介质的渗流为紊流外,大多为属于层流渗流水体等大空隙介质的渗流为紊流外,大多为属于层流渗流2、判别标准判别标准1023.075.01Revdn粒径(粒径(d d)雷诺数(雷诺数(ReRe)0.013.0mm3、对非层流渗流,对非层流渗流,当当m=2m=2时为紊流渗流,时为紊流渗流,m=1m=12 2时时为层流到紊流的过渡区。为层流到紊流的过渡区。mkJv1达西定律kiv)(biikvbicrvkiv icv viiivv砂土砂土砾石砾石密实粘土密实粘土bi起始水力梯度起始水力梯度渗流的基本特性n渗透系数的性质渗透系数的性质n坝体、坝基渗透系数的各向异性坝体、坝基渗透系数的各向异性n渗透系数随时
25、间变化渗透系数随时间变化n考虑渗流分析与应力分析的耦联作用考虑渗流分析与应力分析的耦联作用二维渗流的连续条件dzzvvzzdxxvvxxzvxv单位时间内流入这个微单元体的单位时间内流入这个微单元体的水量为:水量为:11dxvdzvdqzxe单位时间内流出这个微单元体的单位时间内流出这个微单元体的水量为:水量为:1)(1)(dxdzzvvdzdxxvvdqzzxxo根据水流不可压缩及连续原理根据水流不可压缩及连续原理oedqdq 0zvxvzx渗流基本方程 n土坝渗流为层流,因此满足达西定律土坝渗流为层流,因此满足达西定律(Darcy(Darcys Law),s Law),渗流区内任一点势函数
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