沥青砼斜墙定向爆破堆石坝.ppt
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1、水工建筑物课件,西安理工大学水利水电学院 水利水电工程系教研室 2007年1月,5.7 土石坝的构造,一、防渗体,1.土质防渗体,心墙和斜墙。 确定防渗体的原则: J【J】及施工条件。 (1)粘土心墙 由于 【J】4 底厚: 0.3 0.5H 0.15 0.2H 顶厚: 3m。 心墙坡比: 1:0.151:0.3, 肥心墙可达:1:0.41:0.5,墙顶高程: 墙顶正常+(0.30.6)m 墙顶设计+(0.30.6)m 且 墙顶校核 墙顶保护层厚度:不小于当地冻土或干燥深度;且1m。 (2)粘土斜墙 底厚: (垂直于斜墙下游坡) 【J】5 顶厚: 斜墙坡比: 内坡不陡于1:2; 外坡不陡于1:
2、2.5; 墙顶高程: 墙顶正常+(0.60.8)m 墙顶设计+(0.60.8)m 且 墙顶校核 墙顶保护层厚度:不小于当地冻土或干燥深度;且1m。 常用23m。,2.沥青砼防渗墙 沥青砼具有较好的塑性和柔性,k=107 1010 cm/s,防渗和适应变形的能力均较好,裂缝时,有一定的自愈功能,且施工受气候的影响也小,适用作土石坝的防渗材料。 【奥地利】欧申力克沥青砼斜墙堆石坝,H=106m; 【石砭峪】沥青砼斜墙定向爆破堆石坝,H=85m。,(1)沥青砼斜墙 早期的斜墙做成双层,在两层沥青砼防渗层之间夹一层排水层,排除透过防渗层的渗水。但实践表明效果并不明显。近年来倾向于不设排水层。斜墙铺设在
3、垫层上,垫层一般为厚13m的碎石,上铺34cm厚的沥青碎石层作为斜墙的基垫。斜墙防渗层厚20cm左右,分层铺压,每一层厚36cm。在迎水面涂一层沥青马蹄脂保护层。按施工要求,斜墙的上游坝坡不应陡于1:1.61:1.7。,图531 沥青砼斜墙和心墙坝(高程:m,尺寸:cm) (a)斜墙坝;(b)心墙坝,(2)沥青混凝土心墙 沥青混凝土心墙可做成竖直的或倾斜的。 顶厚: c=3050cm 底厚: 中低坝 (H坝高) 且40cm。 高坝 且40cm (H为坝高) 。 过渡层:设在心墙两侧。,二、坝顶和护坡,1.坝顶 防浪墙:墙顶高于坝顶1.001.20m。用浆砌石或钢筋混凝土筑成,墙底应和坝体中的防
4、渗体紧密连接。 坝顶面:向两侧或一侧倾斜,作成23的坡度。 坝顶照明:常设。,坝顶构造(单位:cm),三、坝体排水和反滤层,1.坝体排水,(1)棱体排水,又称滤水坝趾 组成:在下游坝脚处用块石堆成的棱体。 棱体顶宽1.0m;还应保证浸润线位于下游坝坡面的冻层以下。棱体内坡:1:11:1.5,外坡:1:1.51:2。,2. 护坡 上游护坡:干砌石、浆砌石或堆石,近年来砼板护坡使用得也不少。 下游护坡:干砌石,碎石、或砾石护坡,厚约0.3m。对气候适宜地区的粘性土均质坝也可采用草皮护坡,草皮厚约510cm。,(2)贴坡排水,又称表面排水,棱体与坝体以及土质地基之间均应设置反滤层。 优点:可降低浸润
5、线,防止坝坡冻胀,保护下游坝脚不受波浪淘刷,可与坝基排水相接。可发挥支撑坝体增加稳定。 缺点:石料用量大,费用较高,与坝体施工有干扰,检修也较困难。,优:构造简单,用料节省,施工方便,易于检修。防止坝坡土发生渗流破坏,保护坝坡免受下游波浪淘刷。 缺:不能有效地降低浸润线,易因冰冻而失效。 常用于土质防渗体分区坝。,组成:用一至二层堆石或砌石加反滤层,直接铺设在下游坝坡表面。 尺寸:排水顶部须高出浸润线逸出点1.52m。 排水的厚度:应大于当地的冰冻深度。,(3)坝内排水,褥垫排水层、网状排水带、排水管、竖式排水体。 褥垫排水 组成:是沿坝基面平铺一层厚约0.40.5m的块石、 外包反滤层组成。
6、 尺寸:伸入坝体内的深度1/21/3B;倾向下游的纵坡为0.0050.1。 优:当下游无水时能有效地降低浸润线,有助于坝基排水,加速软粘土地基的固结。 缺点:是对不均匀沉降的适应性差,易断裂,且难以检修。当下游水位高过排水设施时,降低浸润线的效果将显著降低。,网状排水 由纵向(平行坝轴线)和横向排水带组成。 横向排水带宽0.5m,间距30100m,坡度1,或由不产生接触冲刷的要求确定。当渗流量大,所需排水带尺寸过大时,可铺设排水管。,竖式排水 排水顶部可伸到坝面附近,厚度由施工条件确定,但不小于1.0m,底部用水平排水带或褥垫排水将渗水引出坝外。规范建议,均质坝和坝壳用弱透水材料填筑的土石坝,
7、宜优先选用竖式排水。,图535 设有竖式排水和水平排水的土坝 (a)竖式排水(与水平排水相连);(b)水平排水,(4)综合式排水 根据具体情况将几种 不同型式的排水组合在一起, 以兼取各型式的优点。 当下游高水位持续时间不长时,为了节省石料,可考虑在正常水位以上用贴坡排水,以下用棱体排水; 在其它情况下,还可采用褥垫排水与棱体排水组合或贴坡、棱体与褥垫排水组合的型式等。,2.反滤层及过渡层 反滤的作用: 滤土排水, 防止渗流变形破坏及接触冲刷。 位置: 土质防渗体与坝壳或坝基透水层之间, 坝壳与坝基的透水部位均应尽量满足反滤原则。 过渡层:主要对其两侧土料的变形起协调作用。 反滤层可起过渡层的
8、作用,而过渡层却不一定能满足反滤的要求。 在分区坝的防渗体与坝壳之间,根据需要与土料情况可以只设置反滤层,也可同时设置反滤层和过渡层。,反滤层的类型 型反滤,反滤层位于被保护土 的下部,渗流方向主要由上向下,如:斜墙后的反滤层。型反滤要承受被保护土层的自重和渗流压力的双重作用,其防止渗流变形的条件更为不利。 型反滤,反滤层位于被保护土的上部,渗流方向主要由下向上,如:位于地基渗流逸出处的反滤层。 渗流方向水平而反滤层成垂直向的,属过渡型,如:减压井、竖式排水等的反滤层。,反滤层设计要求 1)被保护土层不发生管涌等有害 的渗流变形,在防渗体出现裂缝的情况下, 土颗粒不会被带出反滤层,而且能促使裂
9、缝自行愈合。这就要求反滤料必须具有足够小的孔隙,以防土粒被冲入孔隙或通过孔隙而被冲走。 2)透水性大于被保护土层,能通畅地排出渗透水流,同时不致被细粒土淤塞而失效。要求反滤料必须具有足够大的孔隙。 3) 反滤层组成:由13层级配均匀,耐风化的砂、砾、卵石或碎石构成。 水平反滤层的最小厚度为0.3m; 垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用0.5m。,SL274-2001规定: 当被保护土为无粘性土,且时,第一层反滤料的级配,按太沙基准则选用 (1) (2) 式中 D15反滤料的特征粒径; d85、d15分别为被保护土的控制粒径和特征粒径。,选择第二层反滤料时采用以上相同的准则, 只是以第一层反滤料作
10、为被保护土,其余类推。 当被保护土为粘性土时,SL274-2001推荐采用谢拉德1989年提出的方法。 详细内容可参见规范附录。,现代土石坝的反滤层大多只用一层,有时两层,较少用三层,如:前苏联的萨尔桑格、热瓦理斯克,我国台湾的石门,以及日本的御母衣等坝,均采用一层反滤直接向坝壳过渡。罗贡、努列克、奥罗维尔、石头河等高坝,设两层反滤。,四、新材料土工合成材料 国家技术监督局与建设部发布了土工合成材料应用技术规范(GB5029098)。 1.土工膜 土工膜:k 。 早期用于渠道防渗,20世纪60年代后用于土石坝。 土工膜铺设在上游面,在其上、下部分别设置上垫层和下垫层,再在表面加防护层。,过渡层
11、:可避免刚度相差较大的两侧土料之间产生急剧变化的变形和应力。故在砼面板堆石坝的垫层和堆石之间,沥青砼心墙和坝壳之间均应设置过渡层。,老化和使用寿命:大量室内和现场试验表明薄膜埋设于土石坝内,与温度、紫外线、大气等老化因素基本隔绝,加上抗老化剂的应用,可以认为,老化并不严重。前苏联在有关规程中规定:聚乙稀薄膜可用于使用年限不超过50年的建筑。从实验室加速老化试验的结果推算,埋在坝内的聚乙稀薄膜可使用100年。欧美国家也有类似经验。,2.土工织物 土工织物为用聚酯(PES)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和聚乙烯醇(PVA)等高分子聚合物纤维制造的透水性织物。 按加工工艺的不同,可
12、区分为织造土工织物和非织造(无纺)土工织物两类。 土工织物:k= 与面板堆石坝对垫层料的要求相近。 3.其它土工合成材料 由两种或两种以上材料复合而成的称土工复合材料,包括:复合土工膜、复合土工织物、复合防排水材料(排水带、排水管)等,可用于防渗、反滤、排水、加筋及防护等方面。,五、土石坝的裂缝控制,1.类型和成因,(1)纵缝 走向大体上与坝轴线平行,多数发生在坝顶和坝坡中部。 在心墙坝和多种土质坝中,由于心墙土料的固结比较缓慢,坝壳土料的沉降速度比心墙快,坝壳和心墙之间发生应力传递,在坝顶部出现拉应力区导致裂缝。多发生在竣工初期,或初次蓄水时。 土质斜墙坝的坝壳材料,如压实不足,沉降变形大,
13、上部和下部沉降不均,都可使斜墙断裂,形成纵向裂缝。 高压缩性地基上也易形成坝坡面和坝内部的纵向裂缝。,(2)横缝 走向与坝轴线近乎垂直,多发生在两岸坝肩附近。 当岸坡比较陡峻,或是岸坡地形突然变化时,都易发生这种裂缝。横缝常贯穿坝的防渗体,在渗流作用下继续发展,危害极大。,图538 土石坝的裂缝 1湿陷性黄土坝基;2高压缩性土坝基;3压缩性大的粘土心墙;4岸坡陡峻与变坡; 5坝基内含局部压缩性土层;6两岸有湿陷性黄土;7纵缝;8横缝;9水平缝,(3)内部裂缝 主要由坝基和坝体的不均匀沉降引起。在坝体表面很难发现,它可能发展成为集中的渗流通道,危害性也很大。在较薄的粘土心墙坝中,坝壳沉降速度快,
14、较早达到稳定,而心墙由于固结速度慢,还在继续沉降,坝壳将对心墙产生拱效应,使心墙中的竖向应力减小,甚至可能由压应力转变为拉应力,从而产生内部裂缝。 地震区土石坝震害的主要形态是出现纵缝和横缝;由于水力劈裂作用也可以产生裂缝。,2.裂缝的防治措施 (1)改善坝体结构或平面布置 将坝轴线布置成略凸向上游的拱形。 适当放缓坝坡。 采用斜心墙,在两岸或砼建筑物连接处将心墙适当加厚。 设足够厚的反滤层,特别是对易于出现裂缝的部位要适当加厚。 设置过渡层。,(2)重视坝基处理 对不利的岸坡地形,软弱、高压缩性、易液化的坝基土层 均应按下节要求进行必要的处理,以避免过大的不均匀沉降 及水力劈裂冲蚀。 (3)
15、适当选用坝身土料 防渗体:砂砾含量较高、塑性指数较低的粘性土,充分压实后其压缩性较小,但适应变形的能力较低;相反,粘粒含量多、塑性指数高的粘性土,则适应变形能力强而压缩性较高。故宜针对不同要求的防渗体,以及防渗体的不同部位,选用不同的土料。,斜墙对不均匀变形比较敏感,对土料适应变形的能力要求较高,而由于所承受的荷载较小,对土料的压缩性要求则可适当放宽。心墙的中上部对土料的要求与斜墙类似,但心墙的中下部所承受的荷载较大,而不均匀变形的可能性较小,故对变形的要求可适当降低,对土料压缩性的要求则较高。,坝壳料:在浸润线以下不宜采用粉、细、中砂以及粘性土或易软化变细的风化料。在浸水区外也宜采用粒粗质坚
16、、易于压实的砂砾、卵石、堆石,尽量减少其中细粒及泥质含量。,对过渡区及渗流入口处宜填筑自动淤填土料。 对可能的裂缝冲刷区宜采用能抗冲刷的反滤料。,(4)采用适宜的施工措施和运行方式 压实含水率对土的变形性能具有一定的影响。压实含水率高于最优含水率的粘性土,压实后土体的压缩性较大,而适应变形的性能较好,反之亦然。在坝体中、下部宜提高压实度,减小压缩性;河槽坝段中、上部的压实度也宜比两岸坝段稍高;两岸坝肩等易开裂区的防渗体宜填筑柔性较大,适应变形能力较强的塑性土。,心墙、斜墙上部,或易于开裂的部位,其填筑速率可适当放缓,以使下部坝体有比较充分的时间达到预期的沉降量。 当上游坝壳料易于湿陷时,宜边填
17、筑边蓄水。 设有竖直心墙的土坝,其心墙、过渡段和坝壳三者上升的高度不宜相差悬殊。斜墙坝的下游坝壳则宜提前填筑,使沉降早日完成。 在施工间歇期要妥善保护坝面,防止干缩、冻溶裂缝的发生,一旦发现裂缝,应及时处理。 运行期,特别是初次蓄水时,水位的升降速度不宜过快,以免坝体各部位的变形来不及调整,互不协调,产生高应力,同时避免出现水力劈裂。,3.裂缝处理 (1)表面裂缝 砂土填塞,再以低塑性粘性土封填、夯实。对深度不大的裂缝,挖除,回填含水率稍高于最优含水率的土料,分层夯实。 (2)深部裂缝 灌浆,用低塑性粘性土或在其中加少量中、细砂等做灌浆材料自流或加压灌注,但要防止水力劈裂。 (3)严重的裂缝
18、坝内做砼防渗墙。此法效果好,但施工时间长,造价高,在蓄水情况下施工,有一定风险,要慎用。,2.裂缝的防治措施 (1)改善坝体结构或平面布置 将坝轴线布置成略凸向上游的拱形。 适当放缓坝坡。 采用斜心墙,在两岸或砼建筑物连接处将心墙适当加厚。 设足够厚的反滤层,特别是对易于出现裂缝的部位要适当加厚。 设置过渡层。,5.8土石坝的坝基处理,一、岩基处理,岩基处理参见砼坝的有关内容,处理要求应考虑 土石坝的特点,主要是防渗。,二、砂砾石坝基处理,在砂砾石地基的主要问题是渗流控制,做好防渗和排水: (1)垂直防渗设施,包括:粘性土截水槽、砼防渗墙、灌浆帷幕等; (2)上游水平防渗铺盖; (3)下游排水
19、设施,包括:水平排水层、排水沟、减压井、透水盖重等。,1.粘性土截水槽 当T20m,采用粘土截水槽防渗。 底宽: ,且 3m。砂壤土【J】=3,壤土【J】35,粘土【J】510。 开挖边坡:满足稳定原则,由地质条件而定。,2.砼防渗墙 当T20m,截水槽施工有困难时,采用砼防渗墙。 墙厚:根据【J】和强度确定。按施工条件可在0.61.3m范围内选用。 根据已建工程经验,【J】80100可作为 墙厚控制的低限。国内、外挖槽浇筑墙身的最大深度均已达到80m左右。,图540 采用砼防渗墙的土石坝 1粘土斜墙与铺盖;2砂砾料坝壳; 3砼防渗墙;4砂卵石覆盖层;5表面排水,3.灌浆帷幕 当T更深时,截水
20、槽和砼防渗墙施工困难,可采用灌浆帷幕。 土石坝设计规范建议采用可灌比值M评价可灌性。 式中 D15受灌地层土料的特征粒径,mm; d85灌浆材料的控制粒径,mm。 根据反滤原理: M10, 可灌水泥粘土浆; M15, 可灌水泥浆。,图541 采用灌浆帷幕的土石坝,帷幕厚度:T【J】确定,水泥粘土浆【J】34。孔距、排数由试验确定。 灌浆压力:边孔采用低压,中孔采用较高的压力。 灌浆程序:钻孔,泥浆固壁,注入填料,插入灌浆管,自下而上灌浆。,4.防渗铺盖 当覆盖层深厚,采用垂直防渗设施困难时,采用铺盖防渗。作用是延长渗径,降低J,减小Q。,材料:粘土或重壤土, 100(最好1000倍); 长度:
21、L=(48)H,H作用水头。(超过68倍后,防渗效果增长缓慢); 厚度: , 前缘 0.51.0m。,5.下游排水减压设施(图542) 排水有水平排水与竖向排水。 坝后反滤盖重由透水材料作成,用以平衡坝基扬压力。,三、细沙、软粘土和湿陷性黄土,1. 细沙等易液化土,地震时存在液化,对坝的稳定性危害很大。 挖除置换; 当挖除困难或很不经济时,对浅层土可振动加密,对深层土以振冲、强夯等方法较为经济和有效。例:官厅水库对中密程度厚24m的中西沙层采用振冲器加密,孔深6m,孔距2m,Dr由0.53提高到0.85。 加盖重、设置砂石桩、加强排水等。,2.软粘土坝基 软弱粘性土抗剪强度低,压缩性高。 挖除
22、置换; 当厚度较大或分布较广,难以挖除时,可利用打砂井、插塑料排水带等加速排水,使大部分沉降在施工期内完成,并调整施工进度,结合加荷预压等措施。,图543 软土地基上利用砂井加固的土坝(高程:m) 1粘土斜墙;2壤土坝体;3砂井;4镇压层;5淤泥质粘土; 6中粗砂混少量碎石;7硬可塑粉质粘土;8碎石混少量砂,3.湿陷性黄土 经过充分论证和处理后可建低坝。 预先浸水处理,使之湿陷量; 破坏黄土的天然结构,使其密实 挖除、翻压; 通过强夯以消除其湿陷性。,5.9 土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接,一、坝体与坝基及岸坡的连接,岩质坝基与岸坡的表面处理要求参见第八节。 土质坝基与岸坡应进行清表与压
23、实。 防渗体邻近岩质岸坡0.51.0m范围内,应用粘土填筑,并控制其含水率略高于最优含水率,以提高其适应变形的能力。 与防渗体结合处的岸坡应大致平顺,不应成台阶状、反坡或突然变坡;当岸坡上缓下陡时,凸出部位变坡角不宜陡于20。 岩石岸坡不陡于1:0.5;土质岸坡不陡于1:1.5。,二、坝体与砼建筑物的连接 与砼坝、溢洪道、船闸、涵管等的连接。,要求:不产生渗透变形延长渗径,降低J。 不产生不均匀沉降夯实填土,紧密结合。 防止水流对上、下游坝坡和坡脚的冲刷,1.插入式 主要用于与砼坝的连接。从砼坝与土石坝的连接部位开始,砼坝的断面逐渐缩小,最后成为刚性心墙插入土石坝心墙内。,如:美国的夏斯塔坝,
24、在坝高48m处与土坝连接,断面逐渐变化,最后形成顶宽1.5m,底宽3.0m的砼心墙伸入河岸地基。,这种连接型式,土石坝的坡脚要向砼坝方向延伸较长,故对中高坝不适于直接与砼溢流坝相连接。从抗震观点看,土与砼两种性质不同的结构地震时易于分离,插入部分断面变化易引起应力集中,结合部位施工不便,开裂后自愈作用小,修复困难。特别是对于高坝,采用高插入墙,根据受力条件,每隔一定高度需设置柔性铰,结构也比较复杂。近年来日本已不再采用。但因结构简单,对于低坝尚有一定的适用性。,2.翼墙式 在结合部位作成砼挡土墙并向上、下游延伸形成翼墙。规范建议下游侧接触面与土石坝轴线的水平夹角宜选在8590之间。土石坝与船闸
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