1、精選優質文檔-傾情為你奉上教 學 內 容板書或旁注第四章 土石壩§4-1土石壩的特點和類型一、土石壩的特點和設計要求分析土石壩的四大問題（1）穩定方面。土石壩不會產生水平整體滑動。土石壩失穩的形式，主要是壩坡的滑動或壩坡連同部分壩基一起滑動。（2）滲流方面。土石壩擋水后，在壩體內形成由上游向下游的滲流。滲流不僅使水庫損失水量,還易引起管涌、流土等滲透變形。壩體內滲流的水面線叫做浸潤線。浸潤線以下的土料承受著滲透動水壓力，并使土的內磨擦角和粘結力減小，對壩坡穩定不利。（3）沖刷方面。土石壩為散粒體結構，抗沖能力很低；l 工程措施：在土石壩上下游壩坡設置護坡，壩頂及下游壩面布置排水措施，

2、以免風浪、雨水及氣溫變化帶來有害影響；壩頂在最高庫水位以上要留一定的超高，以防止洪水漫過壩頂造成事故；布置泄水建筑物時，注意進出口離壩坡要有一定距離，以免泄水時對壩坡產生淘刷。（4）沉陷方面。由于土石料存在較大的孔隙，且易產生相對的移動，在自重及水壓力作用下，會有較大的沉陷。為防止壩頂低于設計高程和產生裂縫，施工時應嚴格控制碾壓標準并預留沉陷量，使竣工時壩頂高程高于設計高程?？砂磯胃叩模?2）預留沉陷值。二、土石壩的類型（一）按壩高分類土石壩按壩高可分為：高度在30m以下的為低壩，高度在3070m之間的為中壩，高度超過70m的為高壩。土石壩的壩高均從清基后的地面算起。（二）按施工方法分類（1）

3、碾壓式土石壩。（2）水力沖填壩。（3）水墜壩。（4）水中填土壩或水中倒土壩。（5）土中灌水壩。（6）定向爆破堆石壩。（三）按壩體材料的組合和防滲體的相對位置分類1土壩（1）均質壩： （2）粘土心墻壩和粘土斜墻壩： （3）人工材料心墻和斜墻壩： （4）多種土質壩：2土石混合壩上述多種土質壩中，粗粒土改用砂礫石料筑成的壩，或用土石混合在一起的材料筑成的壩，稱為土石混合壩。3堆石壩除防滲體外，壩體的絕大部分或全部由石料堆筑起來的稱為堆石壩教 學 內 容板書或旁注§4-2土石壩的剖面與構造一、壩頂高程l 壩頂高程根據正常運用和非常運用的靜水位加相應的超高Y予以確定。l 計算情況： 設計洪水位

4、+正常運用情況的壩頂超高； 校核洪水位+非常運用情況的壩頂超高； 最大值為壩頂高程 正常高水位+非常運用情況的壩頂超高+地震安全加高l 壩頂設防浪墻時，超高值Y是指靜水位與墻頂的高差。l 計算的壩頂高程是指壩體沉降穩定后的數值。l Y按下式計算。 Y=R+e+A (4-2)式中R波浪在壩坡上的最大爬高，m; e最大風壅水面高度，即風壅水面超出原庫水位高度的最大值，m; Hm壩前水域平均水深，m; K綜合摩阻系數，其值變化在（1.55.0）之間，計算時一般取K=3.6; 風向與水域中線（或壩軸線的法線）的夾角，度；v0、D計算風速和風區長度，見第二章； A安全加高，m;根據壩的等級和運用情況，按

5、表4-1確定。l 波浪爬高:波浪沿建筑物坡面爬升的垂直高度（由風壅水面算起）稱為波浪爬高，波浪爬高R的計算，土石壩設計規范推薦采用蒲田試驗站公式，其具體計算方法如下：（1）計算波浪的平均爬高：當壩坡系數m=1.55.0時，平均爬高計算公式： 式中 斜坡的糙率滲透性系數經驗系數，由計算風速v0(m/s)、水域平均水深（m）和重力加速度g組成的無維量 ；m單坡的坡度系數，若單坡坡角為，則m=ctg；、平均波高和波長，m;薄田試驗站的波高和波長計算：1）平均波高hm用式計算：2）平均波長Lm由平均周期Tm和平均水深Hm按下述理論公式計算：平均周期Tm=4.438 當 0.5時，稱為深水波，其波長與周

6、期有關： 當<0.5時，稱為淺水波，其波長與周期和水深有關： （2）計算設計爬高值R：不同累計頻率的爬高與的比，可根據爬高統計分布表確定。當風向與壩軸的法線成一夾角時，波浪爬高應乘以折減系數,其值由表確定。二、壩頂寬度壩頂寬度應根據運行、施工、構造、交通和人防等方面的要求綜合研究后確定。壩頂寬度應按照交通規定選定。當無特殊要求時，高壩的壩頂最小寬度可選用1015m，中低壩可選用510m。壩頂寬度必須考慮心墻或斜墻頂部及反濾層布置的需要。在寒冷地區，壩頂還須有足夠的厚度以保護粘性土料防滲體免受凍害。三、壩坡（1）上游壩坡常比下游壩坡為緩，但堆石壩上、下游壩坡坡率的差別要比砂土料為小。（2）

7、土質防滲體斜墻壩上游壩坡的穩定受斜墻土料特性的控制，斜墻的上游壩坡一較心墻壩為緩。而心墻壩，特別是厚心墻壩的下游壩坡，因其穩定性受心墻土料特性的影響，一般較斜墻壩為緩。（3）粘性土料的穩定壩坡為一曲面，上部坡陡，下部坡緩，所以用粘性土料做成的壩坡，常沿高度分成數段，每段1030m ,從上而下逐漸放緩，相鄰坡率差值取0 .25或0.5。砂土和堆石的穩定壩坡為一平面，可采用均一坡率。由于地震荷載一般沿壩高呈非均勻分布，所以，砂土和石料有時也做成變坡形式。（4）由粉土、砂、輕壤土修建的均質壩，透水性較大，為了保持滲流穩定，一般要求適當放緩下游壩坡。（5）當壩基或壩體土料沿壩軸線分布不一致時，應分段采

8、用不同坡率，在各段間設過渡區，使壩坡緩慢變化。土石壩壩坡確定的步驟是：根據經驗用類比法初步擬定，再經過核算、修改以及技術經濟比較后確定。馬道的形式及布置要求。 教 學 內 容板書或旁注§4-3土石壩的滲流分析一、滲流分析的目的和方法（一）滲流分析的目的(1)確定壩體浸潤線和下游滲流出逸點的位置。（2）確定壩體與壩基的滲流量,以便估計水庫滲漏損失和確定壩體排水設備的尺寸。（3）確定壩坡出逸段和下游地基表面的出逸坡降, ,以判斷該處的滲透穩定性。（4）確定庫水位降落時上游壩殼內自由水面的位置,估算由此產生的孔隙水壓力,供上游壩坡穩定分析之用。(二)滲流分析的方法解析法分為流體力學法和水力

9、學法。本節主要介紹水力學法。手繪流網法是一種簡單易行的方法,能夠求滲流場內任一點滲流要素,并具有一定的精度,但在滲流場內具有不同土質,且其滲透系數差別較大的情況下較難應用。二、滲流分析的水力學法l 計算情況: 上游正常蓄水位與下游相應的最低水位； 上游設計洪水位與下游相應的最高水位； 上游校核洪水位與下游相應的最高水位；庫水位降落時上游壩坡穩定最不利的情況。（一）滲流基本公式對于不透水地基上矩形土體內的滲流,如圖所示。滲流計算圖q = 即 由式可知,浸潤線是一個二次拋物線。式當滲流量q已知時,即可繪制浸潤線,若邊界條件已知,即可計算單寬滲流量。（二）不透水地基上均質土石壩的滲流計算（1）土石壩

10、下游有水而無排水設備的情況。當下游無水時,以上各式中的H2=O;當下游有貼坡排水時,因貼坡式排水基本上不影響壩體浸潤線的位置,所以計算方法與下游不設排水時相同。以下游有水而無排水設備的情況為例。計算時將土壩剖面分為上游楔形體,中間段和下游楔形體三段,如圖所示。l 等效矩形寬度：，值由下式計算: 式中 上游壩面的邊坡系數,如為變坡則取平均值； 上游水深。l 計算對象：壩身段(AMB”)及下游楔形體段(BB”N)。l 壩身段的滲流量為: (4-15)式中 浸潤線出逸點在下游水面以上高度；K壩身土壤滲透系數； H1上游水深； H2下游水深； 見圖(4-6)。l 下游楔形體的滲流量：可分下游水位以上及

11、以下兩部分計算。根據試驗研究認為，下游水位以上的壩身段與楔形體段以1：0.5的等勢線為分界面，下游水位以下部分以鉛直面作為分界面，與實際情況更相近，則通過下游楔形體上部的滲流量為： 通過下游楔形體下部的滲流量為 通過下游楔形體的總滲流量為: 式中 l 水流連續條件： ,l 未知量的求解：兩個未知數滲流量和逸出點高度。浸潤線由式(4-13)確定。上游壩面附近的浸潤線需作適當修正:自A點作與壩坡AM正交的平滑曲線,曲線下端與計算求得的浸潤線相切于A點,。當下游無水時,以上各式中的H2=O;當下游有貼坡排水時,因貼坡式排水基本上不影響壩體浸潤線的位置,所以計算方法與下游不設排水時相同。（1） 有褥墊

12、排水的均質壩 （2） 有棱體排水的均質壩 當下游無水時,按上述褥墊式排水情況計算。（三）有限深透水地基上土石壩的滲流計算（1）均質土石壩 l 滲流量：可先假定地基不透水,按上述方法確定壩體的滲流量和浸潤線；然后再假定壩體不透水,計算壩基的滲流量；最后將和相加,即可近似地得到壩體和壩基的滲流量。l 壩體浸潤線：可不考慮壩基滲透的影響,仍用地基不透水情況下的結果。對于有褥墊排水的情況,因地基滲水而使浸潤線稍有下降,可近似地假定浸潤線與排水起點相交。由于滲流滲入地基時要轉一個90的彎,流線長度比壩底長度要增大些。根據實驗和流體力學分析,增大的長度約為0.44T。(T為地基透水層的厚度)。這時,通過壩

13、體和壩基的滲流量可按下式計算: 式中的q用壩身的滲流量。（2）心墻土石壩 心墻、截水墻段:其土料一般是均一的,可取平均厚度進行計算。若心墻后的浸潤線高度為h，則通過心墻、截水墻的滲流量下游壩殼和壩基段:由于心墻后浸潤線的位置較低,可近似地取浸潤線末端與堆石棱體的上游端相交,然后分別計算壩體和壩基的滲流量。當下游有水時,可近似的假定浸潤線逸出點在下游水面與堆石棱體內坡的交點處,用上述同樣的方法進行計算。（3）斜墻土石壩 有限深透水地基上的斜墻土壩,一般同時設有截水墻或鋪蓋。前者用以攔截透水地基,后者用以延長滲徑、減小滲透坡降,防止滲透變形,兩種結構的布置如圖所示。1)有截水墻的情況 它與心墻土壩

14、的情況類似, 當下游無水時，H2=0，L1=L。當T=0時，也可得出不透水地基上斜墻壩的滲流計算公式。2)有鋪蓋的情況 當鋪蓋與斜墻的滲透系數比壩體和壩基的滲透系數小很多時，可近似地認為鋪蓋與斜墻是不透水的，并以鋪蓋末端為分界線，將滲流區分為兩段進行計算。 (四)總滲流量計算計算總流量時，應根據地形及透水層厚度的變化情況，將土石壩沿壩軸線分為若干段，如圖所示，然后分別計算各段的平均單寬流量，則全壩的總滲透流量Q可按下式計算： Q=式中 、各段壩長； 、斷面1、斷面2處的單寬流量；滲流量計算圖三、滲流分析的手繪流網法（一）流網的特性（1）流線和等勢線都是圓滑的曲線。（2）流線和等勢線是互相正交的

15、，即在相交點，二曲線的切線互相垂直。（二）流網的繪制以不透水地基上均質壩為例說明手繪流網的方法，如圖所示。l 首先確定滲流區的邊界：上、下游水下邊坡線AF和DE均為等勢線，初擬的浸潤線AC及壩體與不透水地基接觸線FE均為流線。下游坡出逸段CD既不是等勢線，也不是流線，所以流線與等勢線均不與它垂直正交，但其上各點反映了該處逸出滲流的水面高度。l 其次，將上、下游水頭差分成n等分，每段為（如圖中分為10等分，每段為0.1），然后引水平線與浸潤線相交，從交點處按照等勢線與流線正交的原則繪制等勢線，形成初步的流網。l 最后，不斷修改流線（包括初擬浸潤線）與等勢線，必要時可插補流線和等勢線，直至使它們構

16、成的網格符合要求，通常使之成為扭曲正方形。（三）流網的應用（1） 滲透坡降與滲透流速：在圖中任取一網格i，兩等勢線相距為Li，兩流線間相距為Mi,水頭差為，則該網格的平均滲透坡降為： 通過該網格兩流線間（流帶）的平均滲透流速為： 由于K、在同一流網中為常數，及大小與網格的中線長成反比，即網格小的地方坡降和流速大，反之則小。因此，從流網中可以很清楚地看出流速的分布情況和水力坡降的變化。(2)滲流量 單寬滲流量q為所有流帶流量的總和。 網格i所在流帶中的滲流量為： 如果繪制的網格是扭曲正方形（），則： 如整個流網分成m個流帶（圖中分為3個），則單寬總滲透流量為： （3）滲透動水壓力 因為任意兩相鄰

17、等勢線的水頭差為，所以任一網格i范圍內的土體所承受的滲透動水壓力為： 式中 Ai網格i的面積；水的重度。五、土石壩的滲透變形及其防止措施（一）滲透變形的型式（1）管涌 在滲流作用下，壩體或壩基中的細小顆粒被滲流帶走逐步形成滲流通道的現象稱為管涌，常發生在壩的下游坡或閘壩下游地基面滲流逸出處。沒有凝聚力的無粘性砂土、礫石砂土中容易出現管涌；粘性土的顆粒之間存在有凝聚力（或稱粘結力），滲流難以把其中的顆粒帶走，一般不易發生管涌。（2）流土 在滲流作用下，成塊土體被掀起浮動的現象稱為流土。它主要發生在粘性土及均勻非粘性土體的滲流出口處。發生流土時的水力坡降稱為流土的破壞坡降。（3）接觸沖刷 當滲流沿

18、兩種不同土壤的接觸面流動時，把其中細顆粒帶走的現象，稱為接觸沖刷。接觸沖刷可能使臨近接觸面的不同土層混合起來。（4）接觸流土和接觸管涌 滲流方向垂直于兩種不同土壤的接觸面時，例如在粘土心墻（或斜墻）與壩殼砂礫料之間，壩體或壩基與排水設施之間，以及壩基內不同土層之間的滲流，可能把其中一層的細顆粒帶到另一層的粗顆粒中去，稱為接觸管涌。當其中一層為粘性土，由于含水量增大凝聚力降低而成塊移動，甚至形成剝蝕時，稱為接觸流土。（二）滲透變形型式的判別試驗研究表明，土壤中的細顆粒含量是影響土體滲透性能和滲透變形的主要因素。（三）滲透變形的臨界坡降（1）管涌的臨界坡降 對中小型工程及初步設計時，當滲流方向為由

19、下向上時，可用南京水利科學研究院的經驗公式推算： 式中 d3相應于粒徑曲線上含量為3%的粒徑K滲透系數，cm/s； n土壤孔隙率。容許滲透坡降J，可根據建筑物的級別和土壤的類型選用安全系數23。J值還可參照不均勻系數值選用：10<<20的非粘性土，J=0.20；>20的非粘性土，J=0.10。（2）流土的臨界坡降 當滲流自下向上作用時，常采用根據極限平衡得到的太沙基公式計算，即： 式中 G土粒比重； n土的孔隙率。 JB一般在0.81.2之間變化。南京水利科學研究院建議把上式乘以1.17。容許滲透坡降JB也要采用一定的安全系數，對用粘性土，可用1.5；對于非粘性土，可用2.0

20、2.5。（四）防止滲透變形的工程措施設置反濾層是提高抗滲破壞能力、防止各類滲透變形特別是防止管涌的有效措施。在任何滲流流入排水設施處一般都要設置反濾層。(1) 反濾層的結構 反濾層一般是由層不同粒徑的非粘性土、砂和砂礫石組成的。層次排列應盡量與滲流的方向垂直，各層次的粒徑則按滲流方向逐層增加，如圖所示。（）反濾層的材料 反濾層的材料首先應該是耐久的、能抗風化的砂石料。為保證濾土排水的正常工作，材料的布置和要求應滿足如下原則：1）被保護土壤的顆粒不得穿過反濾層。但對細小的顆粒（如粒徑小于0.1mm的砂土），則可允許被帶走。因為它的被帶走不會使土的骨架破壞，不至于產生滲透變形。2）各層的顆粒不得發

21、生移動。3）相臨兩層間，較小的一層顆粒不得穿過較粗一層的孔隙。4）反濾層不能被堵塞，而且應具有足夠的透水性，以保證排水暢通。5）應保證耐久、穩定，其工作性能和效果應不隨時間的推移和環境的改變而遭受破壞。（）反濾層級配的設計 根據上述要求，碾壓式土石壩設計規范中提出如下的設計方法：對于被保護的第一層反濾層，建議用： 式中 反濾層的粒徑，小于該粒徑的土重占總重的15%；被保護土的粒徑，小于該粒徑的土重占總重的85%；被保護土的粒徑，小于該粒徑的土重占總重的15%。（）土工織物簡介 土工織物已在國內外的水利工程、鐵路路基和海港等工程中廣泛應用，我國也在廣泛的研究和試用中。土工織物是由聚合物形成的纖維

22、制成的。使用最廣泛的聚合物是聚酯、聚丙稀、聚乙稀和聚酰胺，它們都具有較高的機械強度。按其制成的方法可分為三種類型：有紡型由相互正交的纖維組成；編織型用一根根單一的纖維按一定的方式編成；無紡型其纖維呈無規則編列的狀態。教 學 內 容板書或旁注§4-4土石壩的穩定分析一概述壩坡穩定計算時，應先確定滑裂面的形狀，大體可歸納為如下幾種：（1）曲線滑裂面 當滑裂面通過粘性土的部位時，其形狀常是上陡下緩的曲面，由于曲線近似圓弧，因而在實際計算中常用圓弧代替。（2）直線或折線滑裂面 滑裂面通過無粘性土時，滑裂面的形狀可能是直線或折線形。當壩坡干燥或全部浸入水中時呈直線形；當壩坡部分浸入水中時呈折線

23、形圖。斜墻壩的上游坡失穩時，通常是沿著斜墻與壩體交界面滑。（3）復合滑裂面 當滑裂面通過性質不同的幾種土料時，可能是由直線和曲線組成的復合形狀滑裂面。二、荷載組合及穩定安全系數的標準（一）荷載土石壩穩定計算必須考慮的荷載有自重、滲透動水壓力和地震慣性力等。（1）自重 壩體自重一般在浸潤線以上的土體按濕重度計算，浸潤線以下、下游水位以上的按飽和重度計算，下游水位以下的按浮重度計算。（2）滲透動水壓力 動水壓力的方向與滲透方向相同，作用在單位土體上的滲透動水壓力為J，為水的重度，J為該處的滲透坡降。（3）孔隙水壓力 這是粘性土體中常存在的一種力。粘性土在外荷載作用下產生壓縮時，由于土內空氣和水一時

24、來不及排除，外荷載便由土粒及空隙中水和空氣共同承擔。土粒骨架承擔的應力稱為有效應力，它在土體滑動時能產生摩擦力，而水和空氣承擔的應力稱為孔隙壓力，它是不能產生摩擦力的。土壤中的有效應力為總應力與孔隙壓力u 之差，所以土壤的有效抗剪強度為： 式中、分別為內摩擦角和凝聚力。（二）穩定計算情況根據經驗，應對以下幾種荷載組合情況進行穩定計算：（1） 正常運用情況（設計情況）包括： 上游為正常蓄水位，下游為相應的最低水位或上游為設計洪水位，下游為相應的最高水位時，在穩定滲流情況下的上、下游壩坡的穩定計算；水庫水位正常降落時，上游壩坡的穩定計算。（2） 非常運用情況（校核情況）包括： 施工期，凡粘性填土均

25、應考慮孔隙水壓力的影響，考慮孔隙水壓力消散的條件為填筑密度低，飽和度>80%,K在cm/s 之間的大體積填土； 水庫水位非常降落，如自校核洪水位降落、降落至死水位以下，大流量泄空等情況下的上游壩坡穩定計算；校核洪水位下有可能形成穩定滲流時的下游壩坡穩定計算。（三）穩定安全系數標準壩坡的抗滑穩定安全系數應不小于規定的數值。三、土料抗剪強度指標的選取穩定計算時應該采用粘性土固結后的強度指標。確定抗剪強度指標的方法有前述的有效應力法和總應力法兩種，碾壓式土石壩設計規范規定，對級壩和級以下高壩在穩定滲流期必須采用有效應力法作為依據。級以下中低壩可采用兩種方法的任一種。四、穩定分析方法（一）圓弧滑

26、動法土石壩設計中目前最廣泛應用的圓弧滑動靜力計算方法有瑞典圓弧法和簡化的畢肖普法。1基本原理假定滑動面為圓柱面，將滑動面內土體視為剛體，邊坡失穩時該土體繞滑弧圓心O作旋轉運動，計算時沿壩軸線取單寬按平面問題進行分析。由于土石壩工作條件復雜，滑動體內的浸潤線又呈曲線狀，而且抗剪強度沿滑動面的分布也不一定均勻，因此，為了簡化計算和得到較為準確的結果，實踐中常采用條分法，即將滑動面上的土體按一定寬度分為若干個鉛直土條，分別計算各土條對圓心O的抗滑力矩和滑動力矩，再分別取其總和，其比值即為該滑動面的穩定安全系數K：2不計條塊間作用力的瑞典圓弧法現以滲流穩定期，用總應力法計算為例分析如下。（1）將土條編

27、號 土條寬度常取半徑R的，即b=0.1R。各塊土條編號的順序為：零號土條位于圓心之下，向上游（對下游壩坡而言）各土條的順序為1、2、3n, 往下游的順序為-1、-2-m。（2）分別計算各土條上的作用力（不包括底面反力）對圓心的力矩Ms；以土條i為例說明計算方法如下： 由圖可求得Wi 為： Wi=1h1+3 (h2+h3)+4h4b 式中 h1h4 土條各分段的中線高度 1 、3 、4分別為壩體土的濕重度、浮重度和壩基土的浮重度。 將土條自重在土條底面中點處分解為兩個分力：切線方向分力Ti=Wisin 法線方向分力=Wicosl 注意：在圖示垂線左邊為正，右邊為負。通過圓心，對圓心不產生力矩，故

28、該土條自重對圓心產生的力矩： (3)土條底部抗滑力產生的抗滑力矩Mr 根據庫倫定律可求得土條底部的抗剪力Si=CiLi+Nitg。其對圓心的抗滑力矩為： 當土條底部為無粘性土時，Ci =0。(4)求穩定安全系數 按上述方法可求得每個土條的Ms 、Mr, 由式可得 如果兩端土條的寬度不等于b，可將其高度換算成寬度為b的高度h=/b。若取b=0.1R, 則sin =ib/R=0.1i, ，對每個滑弧都是固定數，不必每次計算。當采用有效應力時，式中的應改為、應改用有效抗剪強度指標、，Ui為孔隙水壓力。3簡化的畢肖普（Bishop）法瑞典圓弧法不滿足每一土條力的平衡條件，一般計算出的安全系數偏低。畢肖

29、普法在這方面作了改進，近似考慮了土條間相互作用力的影響，其計算簡圖如圖所示。圖中Ei和Xi分別表示土條間的法向力和切向力；Wi為土條自重，在浸潤線上、下分別按濕重度和飽和重度計算；Qi為水平力，如地震力等；Ni和Ti分別為土條底部的總法向力和總切向力，其余符號意義如圖4-14所示。 簡化的畢肖普法 為使問題可解，畢肖普假設Xi=Xi+1，即略去土條間的切向力，使計算工作量大為減少，而成果與精確法計算的仍很接近，故稱簡化的畢肖普法。安全系數計算公式為 式中符號意義同上。4、考慮滲透動水壓力時的壩坡穩定計算當壩體內有滲流作用時，還應考慮滲流對壩坡穩定的影響。在滑動力矩中應增加一項，其中為總的滲透動

30、水壓力，為距滑動圓心的距離。滲透動水壓力可用流網法求得，但總的滲透動水壓力需將各網格的滲透動水壓力按向量求和，比較繁瑣，在工程中常采用替代法。例如，在審查下游壩坡穩定時，可將下游水位以上、浸潤線與滑弧間包圍的土體在計算滑動力矩時用飽和重度，而計算抗滑力矩時則用浮重度，浸潤線以上仍用濕重度計算，下游水位以下土體仍用浮重度計算，其穩定安全系數表達式為： 式中 土體的濕重度； 土體的浮重度； 土體的飽和重度； h1、h2分別為浸潤線以上和浸潤線與滑弧之間的土條高度。替代法適用于浸潤面與滑動面大致平行，而且角較小的情況，因而是近似的。5、地震作用下的穩定計算6、最危險圓弧位置的確定（1）B.B方捷耶夫

31、法 最小安全系數的滑弧圓心在扇形bcdf范圍內。 (2)費蘭鈕斯法 如圖所示，H為壩高，定出距壩頂為2H，距壩趾為4.5H的M1點；再從壩趾B1和壩頂A引出B1M2和AM2，它們分別與下游坡及壩頂成1、2 ，角并相交于M2點，連接M1M2線，費蘭鈕斯認為最危險滑弧的圓心位于M1M2的延長線附近。 教 學 內 容板書或旁注§4-4土石壩的穩定分析（二）折線滑動法常采用兩種假定：滑楔間作用力為水平向，采用與圓弧滑動法相同的安全系數；滑楔間作用力平行滑動面，采用與畢肖普法相同的安全系數。1、 非粘性土壩坡部分浸水的穩定計算 對于部分浸水的非粘性土壩坡，由于水上與水下土的物理性質不同，滑裂面

32、不是一個平面，而是近似折線面，今以圖4-23所示心墻壩的上游壩坡為例，說明折線法按極限平衡理論計算安全系數的方法。 土體ADE的平衡式為： 由以上二式聯立，可以求得安全系數K。 若 并令 則 并再將以上兩式聯解得： 式中 安全系數 為求得壩坡的穩定安全系數，應假定不同的1、2和上游水位，即先求出在某一水位和2下不同1值時的最小穩定安全系數，然后在同一水位下再假定不同的2值，重復上述計算可求出在這種水位下的最小穩定安全系數。一般還必須至少再假設兩個水位，才能最后確定壩坡的最小穩定安全系數。 2、 斜墻壩上游壩坡的穩定計算斜墻壩上游壩坡的穩定計算，包括保護層沿斜墻和保護層連同斜墻沿壩體滑動兩種情況

33、，因為斜墻同保護層和斜墻同壩體的接觸面是兩種不同的土料填筑的，接觸面處往往強度低，有可能斜墻和保護層共同沿斜墻底面折線滑動，如圖所示，對厚斜墻還應計算圓弧滑動穩定。斜墻與下游壩殼接觸面的抗剪強度，可用直剪儀做兩種接觸面的抗剪強度試驗得到，也可根據兩種土料的強度包線OAD，確定接觸面的抗剪強度，當接觸面法向壓應力小于c時，抗剪強度用OA線；當接觸面法向壓應力大于時，抗剪強度用AD線。 設試算滑動面abcd(圖4-18)，將滑動土體分成三塊。如土體重量為W1，ab面的砂料內摩擦角為1（按圖4-19原理決定），土體作用在面上的土壓力為P1, P1的方向假定與底面平行。令 式中、分別為bc及cd面上的

34、實際內摩擦角；c2為bc面上斜墻土料的實際單位凝聚力；f1、f2、f3分別為各滑動面為維持極限平衡所需的摩擦系數。 式（4-39）的意義是：各滑動面為維持極限平衡所需的摩擦系數之比值應與相應的土料抗剪強度之比值一致。也就是說各滑動面的安全系數相等。 由于f1、f2、f3未知，故先用已知的、及c2由公式（4-39）算出n1、n2、n3，然后列出維持土體極限平衡時方程式，求出f3，由圖可知：P P= 式中 bc面的長度。維持土體極限平衡的平衡方程式為 將式（4-40）、（4-41）代入式（4-42），經整理后得 式中 由式（4-43）求出f3值，穩定安全系數K為： K= 為求得最危險滑動面，須用試

35、算的方法，先假定某一上游水位，再假定c點位置（隨即得出m3 ），再假定不同的b點。（三）復合滑動面法當滑動面通過不同土料時，常由直線與圓弧組合的形式。例如厚心墻壩的滑動面，通過砂性土為直線，通過粘性土為圓弧。當壩基下不深處存在有軟弱夾層時，滑動面也可能通過軟弱夾層而形成如圖所示的復合滑動面。計算時，可將滑動土體分為個區，土體abf的滑動推力為，土體cde的推力為n，分別作用于fb和ec面上。由土體bcef產生的抗滑力作用于bc面上，穩定安全系數可表示為： （47）式中w土體bcef的自重； 、軟弱夾層的內摩擦角和凝聚力。 求a、Pn時，也可用條分法將兩邊的滑動土體abf和cde分成幾個條塊，并

36、假定條塊間的推力近似于水平。用上述試算法，擬定一個安全系數，推求各條塊對下一塊的推力（求a時從左塊開始，求Pn時則從右塊開始），得出a和Pn后代進式（4-47），如果得到值與擬定的值不同，則重新擬定，重復計算，直至兩者相等為止。當然，也要多假定幾個ab弧和cd弧的位置，經過多次試算，才能求出沿這種滑動面的最小穩定安全系數。§4-5土石壩的地基處理一、砂礫石地基處理l 主要問題：解決滲流問題。l 措施：上防下排，上防包括水平和鉛直防滲措施，下排主要是排水減壓，鉛直的防滲措施能夠截斷地基滲流，可靠而有效地解決地基滲流問題，在技術條件可能而又經濟合理時應優先采用。（一）粘性土截水墻當覆蓋層

37、深度在15m以內時，可開挖深槽直達不透水層或基巖，槽內回填粘性土而成截水墻（也稱截水槽），心墻壩、斜墻壩常將防滲體向下延伸至不透水層而成截水墻。截水墻底寬常根據回填土料的允許滲透坡降與基巖接觸面抗滲流沖刷的允許坡降以及施工條件確定。截水墻內回填粘土、重壤土時不小于0.1H（H為作用水頭），中、輕壤土不小于0.2H，且一般不小于3m，以利于施工。截水墻的土料應與其上部的心墻或斜墻一致。均質土壩截水墻所用土料應與壩體相同，其截水墻的位置宜設于距上游壩腳1/31/2壩底寬處。截水墻結構簡單、工作可靠、防滲效果好，得到了廣泛的應用。缺點是槽身挖填和壩體填筑不便同時進行，若汛前要達到一定的壩高攔洪渡汛，

38、工期較緊。（二）板樁當透水的沖積層較厚時，可采用板樁截水，或先挖一定深度的截水槽，槽下打板樁，槽中回填粘土，即合并使用板樁和截水墻。通常采用的是鋼板樁，木板樁一般只用于圍堰等臨時性工程。鋼板樁可以穿過礫石類土和軟弱或風化的巖石，在砂卵石層中打鋼板樁時，由于孤石的阻力，可能使板樁歪斜，顯著地增加透水性，加之造價較高，在我國用得不多。（三）混凝土防滲墻用鉆機或其它設備在土層中造成圓孔或槽孔，在孔中澆混凝土，最后連成一片，成為整體的混凝土防滲墻，適用于地基滲水層較厚的情況。防滲墻厚度根據防滲和強度要求確定。按施工條件可在0.61.3m之間選用（一般為0.8m），因受鉆孔機具的限制，墻厚不能超過1.3

39、m?；炷练罎B墻的允許坡降一般為80100，混凝土強度等級為C10，抗滲等級P6P8，坍落度820cm，水泥用量每m3為300kg左右。墻底應嵌入半風化巖內0.51.0m，頂端插入防滲體，插入深度應為壩前水頭的1/10，且不得小于2m。（四）灌漿帷幕當砂卵石層很厚時，用上述3種處理方法都較困難或不夠經濟，可采用灌漿帷幕防滲。灌漿帷幕的施工方法是：先用旋轉式鉆機造孔，同時用泥漿固壁，鉆完孔后在孔中注入填料，插入帶孔的鋼管（圖4-48），待填料凝固后，在帶孔的鋼管中置入雙塞灌漿器，用一定壓力將水泥漿或水泥粘土漿壓入透水層的孔隙中。壓漿可自下而上分段進行，分段可根據透水層性質采用0.330.5m不等

40、。待漿液凝固后，就形成了防滲帷幕。砂卵石地基的可灌性，可根據地基的滲透系數，可灌比值M及小于0.1mm顆粒含量等因素來評判。M=，D15為某一粒徑，在被灌土層中小于此粒徑的土重占總土重的15%，d85是另一粒徑，在灌漿材料中小于此粒徑的重量占總土重的85%。一般認為，地基中小于0.1mm的顆粒含量不超過5%，或滲透系數 k>10-2cm/s或M>10,可灌水泥粘土漿，當滲透系數k>10-1cm /s 或M>15時，可灌水泥漿。灌漿帷幕的厚度T，根據帷幕最大作用水頭H和允許水力坡降J, 按下式估算： 一般J=34。灌漿帷幕的優點是灌漿深度大，這種方法的主要問題是對地基的適

41、應性較差，有的地基如粉砂、細砂地基，不易灌進，而透水性太大的地基又往往耗漿量太大。（五）防滲鋪蓋這是由粘性土做成的水平防滲設施，是斜墻、心墻或均質壩體向上游延伸的部分。當采用垂直防滲有困難或不經濟時，可考慮采用鋪蓋防滲。防滲鋪蓋構造簡單，造價一般不高，但它不能完全截斷滲流，只是通過延長滲徑的辦法，降低滲透坡降，減小滲透流量，所以對解決滲流控制問題有一定的局限性，其布置形式如圖所示。鋪蓋常用粘土或砂質粘土材料，滲透系數應小于砂礫石層滲透系數的1/100。鋪蓋長度一般為4-6倍水頭，鋪蓋厚度主要取決于各點頂部和底部所受的水頭差Hx和土料的允許坡降J,即距上游端為x處的厚度應不小于,J值對于粘土可取

42、510，對壤土可取35。上游端部厚度不小于0.5m，與斜墻連接處常達35m。鋪蓋表面應設保護層，鋪蓋與砂礫石地基之間應根據需要設置反濾層或墊層。（六）排水減壓措施常用的排水減壓設施有排水溝和排水減壓井。排水溝在壩趾稍下游平行壩軸線設置，溝底深入到透水的砂礫石層內，溝頂略高于地面，以防止周圍表土的沖淤。按其構造，可分為暗溝和明溝兩種。兩者都應沿滲流方向按反波層布置，明溝溝底與下游的河道連接。將深層承壓水導出水面，然后從排水溝中排出，其構造如圖所示。在鉆孔中插入帶有孔眼的井管，周圍包以反濾料，管的直徑一般為2030cm,井距一般為2030m。二、細砂與淤泥地基處理（一）細砂與淤泥地基處理飽和的均勻

43、細砂地基在動力作用下，特別是在地震作用下易于液化，應采取工程措施加以處理。當厚度不大時，可考慮將其挖除。當厚度較大時，可首先考慮采取人工加密措施，使之達到與設計地震烈度相適應的密實狀態，然后采取加蓋重，加強排水等附加防護設施。(二)淤泥層的地基處理淤泥層地基天然含水量大，重度小，抗剪強度低、承載能力小。當埋藏較淺且分布范圍不大時，一般應把它全部挖除；當埋藏較深，分布范圍又較寬時，則常采用壓重法或設置砂井加速排水固結。壓重施加于壩趾處。砂井排水法，是在壩基中鉆孔，然后在孔中填入砂礫，在地基中形成砂樁的一種方法。設置砂井后，地基中排除孔隙水的條件大為改善，可有效地增加地基土的固結速度。三、軟粘土和

44、黃土地基處理軟粘土層較薄時，一般全部挖除。當土層較薄而其強度并不太低時，可只將表面較薄的可能不穩定的部位挖除，換填較高強度的砂，稱為換砂法。黃土地基在我國西北部地區分布較廣，其主要特點是浸水后沉降較大。處理的方法一般有：預先浸水，使其濕陷加固；將表層土挖除，換土壓實；夯實表層土，破壞黃土的天然結構，使其密實等。§4-6面板堆石壩一概述堆石壩主要由堆石作為支承體和弱透水材料作為防滲體這兩部分組成。按防滲體的位置分為心墻壩和斜墻壩，按防滲體材料的性質分為剛性防滲體(如混凝土、鋼筋混凝土、木板和鋼板等)的壩和塑性防滲體（如土料和瀝青混凝土等）的壩，按施工方法分為拋填的、碾壓的和定向爆破的壩

45、，其主要類型如圖 所示。二堆石壩的特點堆石壩與其它壩型比較具有如下主要特點：（1）有廣泛的適用性。如地震區、多雨、寒冷以及交通不便地區等，都可修建,而且不影響施工。(2)可就地取材，在經濟上有較大的優越性。(3)施工機械的迅速發展和施工的高度機械化，大大加速了建壩的速度，減少了投資費用。(4)可承受水頭不大的壩頂漫溢，較之土壩有更大的安全性，施工渡汛時也允許有少量漫水。三壩頂和壩坡(一) 壩頂和壩坡堆石壩一般為梯形剖面，其壩頂寬度和壩頂高程的確定與土壩類似。堆石壩的壩坡與石料性質、壩高、壩型和地基條件有關，下游坡一般取1:1.251:1.4。如果石料質量或地基條件較差，則需要放緩邊坡，有的達1

46、:2.01:2.2左右。我國有些巖基上的堆石壩下游坡用大塊石護面或干砌石護面，坡度可陡至1:1，甚至1:0.51:0.7，運用情況良好。上游坡取決于防滲體的材料和結構，變化范圍較大，可自1:0.5到1:2.5，在地震區有的達1:3.0，由穩定計算條件確定。(二)堆石壩的構造組成：堆石體、防滲體和上述二者之間的墊層（或過渡層）。1、堆石體 堆石體是支承堆石壩并使之穩定的一個主要部分。一般應采用新鮮、完整、堅硬和耐久的石料。對于沉降反應敏感的非土質防滲體（混凝土和瀝青混凝土）堆石壩，當壩殼或壩體采用拋填式堆石施工時，要求盡可能采用新鮮、完整、堅實的大石料，并要求石塊的最大邊長與最小邊長之比不大于35，細料不超過5%。對于土質防滲體堆石壩，可把粒徑較小、強度較低、抗凍性也較差的石料填筑在壩體內部，兩側棱體則采用強度較高、粒徑較大的材料。碾壓堆石壩一般多采用薄層碾壓填筑堆石。每層填筑的厚度約0.60.9m,用614t的振動碾碾壓，使干