土坝设计与施工

前言

项目1 土石坝设计与施工的相关资料收集

项目2 枢纽布置与工程等别的确定

2.1 工程等别、建筑物级别的确定

2.2 坝址与坝型的选择、枢纽布置

项目3 土石坝设计

3.1 土石坝剖面设计

3.1.1 坝体剖面尺寸确定

3.1.2 土石坝构造

3.2 土石坝渗流分析

3.2.1 渗流的分析的目的、方法及计算情况

3.2.2 渗流分析的水力学法

3.2.3 渗流分析的手绘流网法(主要介绍流网的特性与应用)

3.2.4 土石坝的渗透变形及其防止措施

3.3 土石坝稳定分析

3.3.1 概述

3.3.2 荷载组合及稳定安全系数的标准

3.3.3 稳定分析方法

3.4 土石坝地基处理

3.4.1 砂砾石地基处理

3.4.2 细砂地基处理

3.4.3 软黏土和黄土地基处理

3.4.4 土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接

3.5 绘制设计图、整理设计报告

3.5.1 枢纽概况及工程目的

3.5.2 设计基本资料

3.5.3 设计任务及基本要求

3.6 考核内容与要求

3.6.1 考核总体要求

3.6.2 项目考核实施方案

项目4 溢洪道设计

4.1 溢洪道布置

4.2 水力设计

4.3 溢洪道细部构造

4.3.1 正槽溢洪道各组成部分的设计

4.3.2 侧槽溢洪道

4.4 非常溢洪道

4.4.1 漫流式

4.4.2 自溃式

4.5 绘制设计图、整理设计报告

4.6 考核内容与要求

项目5 土石坝施工

5.1 施工导流方案的选择

5.1.1 施工导流方法

5.1.2 导流建筑物

5.1.3 导流方案的选择

5.2 施工期水流控制

5.2.1 截流施工

5，2.2 施工排水

5.2.3 施工度汛及后期水流控制

5.3 土料的开采与运输

5.3.1 土方开挖

5.3.2 土方运输

5.4 碾压式土石坝施工

5.4.1 料场规划

5.4.2 坝面作业施工组织

5.4.3 施工质量控制及检查

5.4.4 土方工程冬、雨期施工措施和安全措施

5.5 面板堆石坝施工

5.5.1 趾板施工

5.5.2 堆石填筑

5.5.3 面板施工

5.6 土石坝施工质量控制

5.6.1 料场的质量检查和控制

5.6.2 坝面的质量检查和控制

5.7 施工进度计划编制与资源使用计划

5.7.1 进度计划概述

5.7.2 施工总进度计划的编制

5.7.3 资源需要量使用计划

5.8 施工总体布置

5.8.1 施工总布置内容及布置原则

5.8.2 施工总平面的布置

5.8.3 施工总布置的优化及设计成果

5.9 考核内容与要求

附图

附图1 定杨水库枢纽地形图

附图2 定杨水库地质剖面图

附图3 定杨水库枢纽布置图

附图4 大坝设计标准断面图(1/3)

附图5 大坝防渗加固布置图

附图6 大坝细部构造

附图7 溢洪道布置图

附图8 溢洪道布置图(纵剖面图)

参考文献 2100433B

《土坝设计与施工》为国家示范院校重点建设专业——水利水电建筑工程专业的系列教材之一，由安徽水利水电职业技术学院专业教师联合安徽水利建筑工程安装总公司的有关专业技术骨干，以安徽省及华东区域已建、在建、病险水库加固的水利枢纽工程为载体，以专业核心能力（水利工程设计与施工能力）训练为目的而编写的。本教材内容包括：土石坝设计与施工的相关资料收集；枢纽布置与工程等别的确定；土石坝设计；溢洪道设计；土石坝施工等项目。每个项目由设计或施工方法及案例构成，供学生在学习完理论知识的情况下加强实践性训练。

本教材适用于水利水电建筑工程、水利工程、城市水利、治河与防洪等专业。并可用于成人专科学校以及普通本科院校的高等职业技术学院同类专业教学，还可供水利水电工程技术人员参考。

内容简介

《严寒地区RCD碾压混凝土坝设计与施工(精装)》以国家颁布的有关《规程》、《规范》为依据，汲取国内外碾压混凝土筑坝的最新技术成果，着重总结近10多年在严寒地区修建碾压混凝土坝的经验和教训，内容包括：枢纽布置、坝体断面设计、坝体混凝土分区标号等。2100433B

一般包括以下四个方面。

土坝渗流计算

确定坝体浸润线、坝体及坝基流网、渗流量及出逸比降、库水位下降时上游坝体自由水面位置及孔隙压力（土孔隙中超出大气压力的相对压力值），以供坝坡稳定分析使用，及了解渗漏量并确保渗透稳定。根据坝体和坝基的渗透系数、边界条件及上下游各种水位组合，通过手绘流网、数值计算和模拟试验求解。解算时，一般简化为二向问题，对于三向渗流场如岸边绕流，可用数值分析或模拟试验求解。

土坝稳定计算

土坝体积很大，在水压力作用下整个坝体产生水平滑动的可能性通常不存在，故仅需核算上下游坝坡的抗滑稳定。一般分施工期、稳定渗流期和库水位降落期三种类型。土体抗剪强度由下式确定：式中τ为土体抗剪强度；σ为垂直于滑动面的法向总应力；μ为孔隙水压力；σ′为法向有效应力；σ′、φ′为土料有效抗剪强度指标，分别代表凝聚力和内摩擦角，由试验确定。

均质土坝、厚心墙和厚斜墙坝常用滑动圆弧法计算坝坡稳定（见下式）。假定滑动面为圆弧，分成若干土条，不计条块间作用力，计算公式：式中K为抗滑安全系数，不低于规定值；N、T分别为作用在土条底部的法向和切向应力；W为任一土条重；U为作用在土条底部的孔隙压力；α为土条重力线与通过土条底面中点的圆弧半径之间夹角；L为滑弧穿过的有凝聚力部分的弧长。试算若干滑弧，求得最小安全系数K。20世纪50年代A.W.毕肖甫等人还提出计入条块间作用力的计算方法。

对于坝基有软弱夹层或薄心墙、薄斜墙坝，宜用滑楔法（见左图）。假定滑动面为折线，滑楔间作用力假定平行于坡面或为水平向。沿折线将各种材料的抗剪强度除以K后，滑楔处于极限平衡状态，此K值即所求安全系数。最小的安全系数由假设不同滑动面试算求得。如在地震区，应将地震力作为外力加入计算。

土坝沉降计算

确定坝体和坝基在自重作用下的总沉降量、沉降量与时间的关系及完工后的沉降量。据此计算竣工后为抵消沉降而预留的坝顶超填，预测不均匀沉降量，判断坝体产生裂缝的可能性和预防措施。计算方法是根据坝体和坝基土的压缩曲线，及时刻t坝体和坝基的竖向总应力和孔隙压力分布，用分层总和法计算。即把坝体坝基分为若干层，计算时刻t各层中心所受竖向有效应力（等于竖向总应力减孔隙压力）及相应沉降量，将各层沉降量迭加，得时刻t及完工后坝体和坝基的沉降量。

土坝应力应变计算

用有限单元法计算坝体坝基及岸坡接头在填土自重及其他荷载作用下的填土应力应变，以判断是否发生剪切破坏、有无过量变形、是否存在拉力区和裂缝、防渗土体是否发生水力劈裂，以及为坝体稳定分析和与土坝衔接建筑物的设计提供依据等。

按照筑坝材料在坝内的配置可将土坝分为：①均质土坝：坝体主要由一种筑坝材料筑成。②多种土质坝：坝体由几种筑坝材料筑成；防渗料位于坝体中间或上游。③心墙土坝：防渗料位于坝体中间，上下游坝壳为单一的透水料。④斜墙土坝：防渗料位于坝体上游，下游为单一的透水坝壳。另外，按施工方法土坝可分为以下三类。

土坝碾压坝

利用碾压机具分层压实筑坝材料。碾压坝比较密实，完工后沉陷量较小，一般不超过坝高的1%，抗剪强度较高，坝坡较陡，节省工程量。这种坝历史悠久，使用最广。世界上绝大部分土坝都是碾压坝。以干容重作为控制碾压的标准，上坝土料的含水量应控制在最优含水量附近。碾压坝所用的碾压机具多种多样，从人工硪夯到各种不同功率的机械夯碾，可根据筑坝材料和气象条件选用，并通过现场碾压试验确定最优碾压参数，如碾压层厚度和碾压遍数等。

土坝水中填土坝

分层将土填入静水中，土的团粒结构被水崩解，在运土及填土自重作用下得到压实。所用土料要求遇水容易崩解湿化。水中填土坝塑性大适应变形能力强，基本不用碾压机具，填筑受气候影响小，对料场含水量要求不严格；但施工工序较复杂，填土干容重低、含水量高，其强度低、压缩性高，坝坡比碾压坝缓，完工后沉陷量较大。施工期坝坡稳定为控制大坝安全的关键，应严格控制填土含水量和坝体上升速度并需设坝内排水。水中填土坝先在苏联得到发展，中国已建成700多座。坝高达61.4m的山西汾河水库水中填土坝建于1960年，为当时世界上最高的水中填土坝。

土坝水力冲填坝

利用水枪、挖泥船等水力机械挖掘土料，和水混合一起，用泥浆泵通过输泥管送到坝面由土埝围成的地块中，水经由排水管排到坝外，土粒沉淀下来，在自重及排水产生的渗透压力作用下得到压实。如地形适宜，泥浆可经由渠道自流进入坝面，这在中国被称为水坠坝。水力冲填坝适用于透水性较强的砂性土，可连续作业，工效高，不用运输及碾压机具。这种坝施工期间填土完全被水饱和，干容重和强度均低，压缩性高，并在坝体上部形成“流态区”，对上下游坝坡施加泥水推力，易招致滑坡和裂缝，需放缓坝坡，设坝内排水，并限制大坝上升速度。第二次世界大战后苏联曾在齐姆良、古比雪夫等一些大型水利枢纽上修建规模巨大的水力冲填坝。中国建造了很多水坠坝，其中以广东省68m的高坪坝为最高。