堤防工程手册3章.ppt
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1、,各位专家,下午好! 欢迎莅临南京水利科学研究院 指导工作!,第三章 江河湖土堤设计计算,主讲人: 段祥宝 南京水利科学研究院 水文水资源及水利工程科学国家重点实验室 2010 年 12月 26 日,毛昶熙 段祥宝,堤防工程手册讲稿,江河土堤在防洪体系中是最古老、最广泛、最直接、最基本的防洪措施,由于沿河就地取土筑堤,不像水库优选坝址设计施工,所以遗留问题较多,会遭到各种各样的破坏形式; 因此需要针对这些问题提出相应的措施方案和验算可能破坏的计算方法,以便因地制宜、全面考虑设计建造符合要求的堤防。 但也应注意到堤防与水库土坝的不同特点,不能完全照搬土坝设计“上堵 、下排、中间截”的原则,应当考
2、虑河流演变冲刷而主要采用“截、排、压”的设计原则。 同时也应考虑到河流水位涨落非稳定渗流的设计特点。 这些有关堤防特点的验算设计将是本章叙述的主要内容; 本章主要是渗流方面的,也就是堤防破堤决口“漫决、溃决、冲决”三种类型中的防止溃决部份。至于河流冲刷、波浪冲击方面的防止冲决部分将在第4 章堤岸崩坍中叙述,防止漫决将在第7章防洪抢险中叙述。,摘要,第三章 江河湖土堤设计计算,堤防工程手册讲稿,第三章 江河湖土堤设计计算,3.1 土堤的破坏形式,3.8 土堤抗滑安全验算,3.6 土堤非稳定渗流安全验算,3.5 土堤渗流安全验算,堤防工程手册讲稿,3.2 渗流破坏力或作用力,3.4 堤身结构设计,
3、3.3 渗流控制,3.9 沉降计算,3.7 堤基管涌危险性验算,3.10 土堤与建筑物衔接的渗流验算,3.11 建筑物衔接或横穿土堤的渗流控制措施,3.12 湖 堤,3.13 数值计算程序应用简介,3.1 土堤的破坏形式,堤防工程手册讲稿,图3.1 土堤坝岸的破坏形式,土堤坝岸经常发生的破坏形式,除漫顶溢流者外,从剖面上看可归纳为图3.1的12种破坏形式,(a)双层地基中砂基承压水顶穿表层弱透水粘性土覆盖层的薄弱环节,发生局部集中渗流形成流土泉涌的地面管涌现象,若险情发展将继而由管涌出口沿堤底砂基面向上游冲蚀发展成连通的管道,此时如果管道扩大失去拱的作用,堤坝即裂缝下沉而破坏; 严重者还会在临
4、水侧堤脚附近引起水流漩涡。 (b)是背水坡脚大面积发生小泉涌砂(土)沸现象,使坡脚软化或受浮力后失去支承力而引起大滑坡,如图中的大圆弧所示。渗流来水可能是砂基的承压水,也可能是沿覆盖土层上面较透水薄层粉土渗过来的表层水,还可能是由于堤坝本身渗透造成的堤脚软化而在浸润线出渗点以下形成局部小滑坡,如图中的虚线小圆弧所示。,3.1 土堤的破坏形式,堤防工程手册讲稿,(c)堤坝本身或地基的渗流,在背水坡面出渗处发生管涌带走细土粒堆积于坡脚,逐渐在坡面形成局部凹陷小沟,直至坡面冲蚀破坏。 (d)洪水位下降时饱和堤身的孔隙水压力来不及排出而在临水坡发生滑坡,滑弧下边缘多出现在下降水位的附近。若堤前受河水淘
5、刷,就更易造成大滑坡。 (e)降雨入渗造成的滑坡,多发生在阴雨连绵很久时,堤身全部处于饱和状态,由于孔隙水压力增大,土体抗剪强度降低而滑坍。,3.1 土堤的破坏形式,堤防工程手册讲稿,(f)是雨水对堤坡面的冲刷,由于排水不好,在暴雨时造成雨淋沟剥蚀坡面。 (g)是波浪(风浪和船行波)袭击坡面,如果没有护坡面层等或块石面层下没有垫层时,土坡细粒就会被波浪冲击及其诱发渗流淘刷而流失,使坡面局部坍陷。 (h)是堤体内有薄层粉细砂,会形成流沙通道,若埋设涵管漏水或管土接触不紧密,也会形成渗流通道,危机堤体稳定。,3.1 土堤的破坏形式,堤防工程手册讲稿,(i)堤体内有软弱夹层或堤底有淤泥层,降低堤体抗
6、滑稳定性,会发生小圆弧加大圆弧或直线复合滑动面或折线滑动面滑坡。 (j)堤坝肩堆积静荷载,将助长堤坡滑动或造成堤肩的局部滑坍破坏。 (k)堤坝肩的活荷载振动将使坡顶局部破坏,同样在地震的作用下,也将造成顺堤坝方向的裂缝及大滑坡。 (l)坡脚下挖危及边坡的稳定性。,3.1 土堤的破坏形式,堤防工程手册讲稿,堤坝岸坡的破坏形式,(a)(d)是明显的渗流破坏 (e)(i)也是与渗流孔隙水压力密切相关的,说明渗流对边坡土体破坏的重要性。 1998年长江洪水险情有85以上是渗流险情,其中有62.4是管涌险情,而且遭致溃口决堤的几处堤防都是源于管涌险情。,3.1 土堤的破坏形式,堤防工程手册讲稿,土堤岸坡
7、的12种破坏形式 大致可将渗流破坏性分为: (1)个别部位的集中渗流冲刷。即由于大的渗压或出渗坡降使地基或坡面发生管涌或流土的冲蚀或渗透变形;继而沿着渗流阻力小的薄弱环节向上游发展,例如夹砂层或不同土层的接触面等会被渗流冲蚀形成管涌通道,甚至堤破溃决。 (2)整个渗流范围内的滑坡。即由于普遍存在的孔隙水压力或渗透力所造成的大体积土体滑动;多发生在浸润线高、孔隙水压力消散慢的较陡粘性土坡。 管涌与滑坡是代表土体渗流破坏的两种基本类型,也只有满足这两种渗流稳定性(局部与整体),才称得上渗流安全。,3.1 土堤的破坏形式,堤防工程手册讲稿,护坡面层局部破坏形式 : (a)为波浪冲击局部坏, (b)水
8、流冲刷局部坏, (c)护坡块体被渗流承压水顶出, (d)块体下基土冲蚀下滑, (e)抛石护坡下基土流失, (f)护坡面层浪击或沉陷变形。,3.1 土堤的破坏形式,堤防工程手册讲稿,图3.2 护坡面层破坏形式,堤防的破坏力主要是水入侵使土体失去平衡 外水直接冲击坡面见第6章叙述外 本章主要讨论内水渗流作用力,即静水压力与动水压力(或超静水压力),两者都是孔隙水所传递的,它们通称为孔隙水压力,密切关系着土体的渗流稳定性。例如局部的管涌、流土等的渗透变形问题或整体性的滑坡,崩岸问题,都与孔隙水流动的渗流作用力密切相关;而且在渗流力的应用中还有误解。 下面简要介绍概念。,3.2 渗流破坏力或作用力,堤
9、防工程手册讲稿,3.2.1 渗流作用力及其分解 3.2.1.1 单位渗流作用力 3.2.1.2 力的分解 3.2.2 渗流的两个分力及其破坏性 3.2.3 渗透力与边界水压力的转换关系 3.2.4 单位土体渗流各力的图示与平衡算法,3.2 渗流破坏力或作用力,堤防工程手册讲稿,达西定律条件下,可概括为二:即垂直于颗粒周界表面的动水压力(图(a))和与颗粒表面相切的水流摩擦剪应力(图(b))。这两个力经过对颗粒表面进行积分都可各用一个向量和代表,并得其合力(图(c))。 此合力可称为渗流作用力,该力作用到每个颗粒上的大小和方向各有不同。如果考虑体积为V的土体,则可将其中各土粒所受的力几何相加再除
10、以体积即得单位体积土体中固相颗粒所受的渗流作用力为,3.2.1 渗流作用力及其分解 (1)单位渗流作用力,3.2 渗流破坏力或作用力,堤防工程手册讲稿,图3.3 颗粒上的渗流作用力,常把这个渗流作用力f分解成两个方向的两个分力,例如图3.4 (a)所示,把单位体积的土体所受渗流作用力f分成垂直于等压力线的分力与沿流线方向的分力。但是从渗流场的方便来说,则以分成铅直向上的分力与沿流线方向的分力为好,如图3.4 (b)所示。也就是分解成静水压力所产生的浮力u与动水压力所产生的渗透力fs 。在研究渗透稳定性问题时经常只考虑这两个分力,而不再去涉及到合力f了。,3.2 渗流破坏力或作用力,堤防工程手册
11、讲稿,3.2.1 渗流作用力及其分解 (1)单位渗流作用力,图3.4 单位土体中颗粒所受渗流作用力的分解,图3.4 (b)所示力的分解,其沿流向的分力即动水压力作用到土体颗粒骨架上的渗透力,其值为fs =w J,可称为单位渗透力;另一分力是习惯上的上举力或静水浮力,其方向铅直向上,即u = (1-n) w。后面分解的这两个体积力fs和u是渗流场研究方面所习用的,它们不仅使土粒骨架本身受到浮力和拖引力,同样也使整块土体受到这两力的作用。,3.2 渗流破坏力或作用力,堤防工程手册讲稿,3.2.1 渗流作用力及其分解 (1)单位渗流作用力,图3.4 单位土体中颗粒所受渗流作用力的分解,除此渗流两分解
12、力之外,考虑到平衡计算就又有土体的干容重d,或者用单位土体中的颗粒重表示为(1n)g,这里g为骨架颗粒的单位重(容重)。求其简便就又把土重和浮力两铅直力迭加起来,记其浮重。若为湿土,则式中n应理解为有效孔隙率(充水孔隙率或饱和不足度),更小;若为饱和土s,则n = 0,所以在饱和渗流区总是用单位土体浮重计算稳定性。,3.2 渗流破坏力或作用力,堤防工程手册讲稿,3.2.1 渗流作用力及其分解 (1)单位渗流作用力,图3.4 单位土体中颗粒所受渗流作用力的分解,除此渗流两分解力之外,考虑到平衡计算就又有土体的干容重d,或者用单位土体中的颗粒重表示为(1n)g,这里g为骨架颗粒的单位重(容重)。求
13、其简便就又把土重和浮力两铅直力迭加起来,记其浮重。若为湿土,则式中n应理解为有效孔隙率(充水孔隙率或饱和不足度),更小;若为饱和土s,则n = 0,所以在饱和渗流区总是用单位土体浮重计算稳定性。,3.2 渗流破坏力或作用力,堤防工程手册讲稿,3.2.2 渗流的两个分力及破坏性,图3.4 单位土体中颗粒所受渗流作用力的分解,3.3 渗流控制 3.3.1渗流控制要求 3.3.2 渗流控制措施 3.3.2.1 排渗减压沟 3.3.2.2 减压井 3.3.2.3 浅滤沟或截渗槽及排水沟 3.3.2.4 压土平台 3.3.2.5 防渗墙 3.3.2.6 防渗铺盖,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.
14、3.1 渗流控制要求 通过计算、试验和探测查明渗流场分布,确定下列水力因素: (1)渗流水头(或压力及浸润线);对于堤基砂层中的有压渗流需要知道其承压水头分布,以便验算顶破弱透水覆盖土层发生管涌的可能性;对于堤身的无压渗流需要知道浸润线位置和渗流压力分布,以便核算滑坡的可能性等。 (2)渗流坡降(或流速及渗透力):渗流的动水压力所产生的渗透力大小决定于渗流坡降,因此首先应知道背水坡及坡脚附近地面的出渗坡降,以便考虑是否需要压盖或滤层防护出渗发生管涌的可能性;对于堤基砂层应知其渗流坡降分布,以便考虑管涌会否发展影响地基的稳定性,甚至细颗被渗流冲蚀带走后,形成冲沟通道,有造成溃口的可能。 (3)渗
15、流量:有时需要知道穿过堤基的渗流量,以便估算与生态平衡有关的内外水力联系,或者检验防渗的效果以及设计排水设备尺寸的参考。 渗流控制的任务要求概括为:控制水头或浸润线、渗流坡降或流速和渗流量三者在允许值范围内。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.3.2 渗流控制措施 渗流控制基本方法:防渗与排渗,并在渗流出口等部位设滤层保护。 防渗措施:垂直和水平两种基本形式。对于堤防来说,由于河床演变冲淤无常,在临水侧作粘土铺盖防渗有时不可靠,而在堤防底下用防渗墙切断很深的砂层,既不经济,又会影响低水位时两岸地下水的消退,因此最好是在背水侧采用排渗措施,即在背水堤脚排渗减压或压土平台为主,必要时再截渗防
16、渗。 总之,堤防的渗流控制,原则上不外“排、压、截(防)”三途径,它们的适用性决定于堤基土层分布与要求。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.3.2 渗流控制措施 排渗减压沟 堤基多是二元结构双层地基,当弱透水覆盖土层不厚时,可挖排渗沟深入砂层消减承压水头和砂沸管涌现象,挖沟地点在堤防背水侧坡脚处。 如图3.7所示为美国堤防设计推荐的矩形沟11,有专用的挖沟填实施工设备,窄沟宽0.61.8m,沟内回填符合标准的粗砂砾石滤料;靠近沟底还可布设有缝或穿孔的集水管,但此管必须有30cm厚左右的砂砾滤料包围,免得回填砂进入管内。回填砂砾料不宜过分夯实,免得降低透水性,集水管的大小决定于排出的渗流量
17、。 有时把排渗沟布置在堤内坡之下,再以水平排水褥垫引出渗流,如图3.8所示,此时更可降低堤坡内的浸润线。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.3.2 渗流控制措施 排渗减压沟,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,图3.7 背水堤脚减压沟 图3.8 堤内褥垫减压沟,3.3.2 渗流控制措施 我国施工限制,多挖梯形排渗沟,沟内再回填砂砾料,如图3.9为1995年某江堤一施工断面,由于挖沟未深入强透水砂层(应深入至少0.5m),回填粗砂砾石料又欠妥,沟底透水性差,沟顶路面通车会振动细粒料下沉减小透水性和排水等原因,所以洪水时堤内农田砂沸管涌严重。经过随后的渗流计算分析如图示的等势线分布,沟后剩余
18、水头仍有30%以上,说明排渗减压效果不大。 图3.9 减压沟实例分析,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.3.2 渗流控制措施 排渗沟不回填作为明沟排水减压的也属不少,只需作好沟底边坡的滤层;但维护管理不易,也有风沙泥污水侵入淤积堵塞失效之患。因此可挖筑成暗沟排渗,如图3.10所示为新沂河大堤暗沟排渗成功的一例,沟底深入强透水砂层0.51.0m,滤层施工严格,效果显著。 排渗沟沿堤脚输水一段长度设有出口集水设备,需按照输水量和出口处地形设计,也是一个方便管理,发挥排渗减压功效的关键性问题。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,图3.10 减压暗沟实例,3.3.2 渗流控制措施 (2)减压井
19、 当弱透水覆盖土层较厚(3 4m以上),但不均匀,仍会出现渗水冒砂管涌险情,此时可采用较深的减压井列措施(参见图3.7,沟改井)消减砂层中的承压水头。井列位置也可选在堤坡脚附近较薄处;井间距可选取20m左右,与井深、井径有关。 减压井列的优点:补打方便;缺点:易淤堵,效果渐减。因此设计施工都必须注意到泥污水、铁锈水、细菌生长等的淤堵和碳酸盐类对井管腐蚀的可能性以及将来设法洗井增大出水量的考虑。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.3.2 渗流控制措施 (2)减压井 美国密西西比河大堤采用减压井较早,最近建议的井结构设计如图3.11所示11要点如下: (a)井管:透水孔眼井管恰在透水砂层顶面
20、之下开始,向下到井底,孔眼井管向上为上升管到地面。在砂层中遇有极细粉砂区间应换为不开孔眼的井管。井管多是不锈钢或塑料的,不过塑料管还有被损坏的可能。 (b)滤层:包围井管的滤层必须按照滤层规格施工,回填粗砾石滤层应均匀,厚度至少15cm,越过砂层顶面至少60cm,在孔眼井管底面以下至少120cm。在砾石滤层顶面以上到混凝土或不透水回填底面之间可以填砂。 (c)配件:防止内涝泥污水回灌、杂物酸类侵入和人为的破坏等导致失效,每口井顶端配有铝制阀、橡皮垫片、塑料立管和V形量水堰以及金属网、栅栏等附属设备。立管出流的高程应服从设计要求。 图3.11 减压井结构,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.
21、3.2 渗流控制措施 减压井的运用成功经验在于钻孔、回填的方法和维护管理,否则就达不到预期的效果。 我国减压井存在的问题: 施工方面,有的钻孔采用了泥浆护壁,结果排水减压效果差;有的装填滤层逐渐发生淤堵失效;有的未重视钻孔土层分布情况,极细粉砂土层带中的井管仍是开孔管,导致大量泥砂涌进井管,使最有效下部井管失效;有的忽略了覆盖土层中的夹砂层,该段井管仍是不开孔盲管,致使减压效果减小;有的管段接头加工损坏等。 设计方面,有的井深未深入到下部强透水带,作用小;减压井底部有较长(12m)的所谓沉淀管,丧失了最有效的下部该段管的减压作用;设计井口高出地面较高、井管细、铁管锈蚀等影响出水量;井的上端出口
22、也很少像图3.11所示注意到管理维护设计的。也很少考虑到铁锈水、物化淤堵的设计。 还有管理上的难度等原因。使得我国对减压井的认识发生疑虑。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.3.2 渗流控制措施 (3)浅滤沟或截渗槽及排水沟 堤底下浅层地基中遇有薄层比堤身透水性强时,则可在背水堤脚下挖设浅滤沟管排水减压,如图3.12所示为新沂河大堤加固一例。开孔或有缝集水管外包围砂砾滤层后,再覆盖粘土夯实。具有同样效果,此时也可以采用截渗槽或迎水侧坡粘土斜墙截断浅层夹砂层的防渗措施,如图3.12中的虚线所示。 即使没有强透水地基,如一般堤坝和开挖公路的坡脚,也都需要布置排水沟,可采用暗沟、暗管方式,如图
23、3.13所示。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,图3.12 浅滤沟 图3.13 坡脚排水沟,3.3.2 渗流控制措施 (4)压土平台 消除堤后地面砂沸管涌险情的最可靠、简易、一劳永逸、有安全感的方案可能就是堤后的压土平台,只要压土重胜过其下的承压水头即可,特别适用于抽吸江河泥沙方便的河流或取土方便的农村堤防的加固,如长江堤防的吹填工程和黄河的放淤等。其压土宽度应作计算并考虑原有覆盖土层的厚度变化,如图3.14所示上图缺少一段压土宽度将会导致渗流更集中出渗砂沸管涌,势必延长压土平台如图3.14下图所示。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,图3.14 压土平台,3.3.2 渗流控制措施 压土
24、平台类别取决于压盖材料如下: (a)不透水压台:可澈底消除渗水,但会增大底下的承压水头,使得压盖厚度和宽度加大。 (b)半透水压台:压盖半透水土料或与原覆盖土层类同的土料,压台上仍会出现渗水,也将增大渗流阻力,使底下的承压水头略增大。 (c)透水砂料压台:不增加原有的承压水头,节约压土料,但压砂平台排水不足时,顶面渗水,湿潮。 (d)自由排水压台:在正规水平排水粗砂砾石层上的随便填压平台,并有末端的孔眼集水管系统,类似土坝底的水平褥垫排水。此时在同样减压效果下,压料厚度及宽度最小,但投资大,采用者少。,3.3 渗流控制,堤防工程手册讲稿,3.3.2 渗流控制措施 目前我国采用压土平台的压渗措施
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