第三章 土石坝

1. 第四节 土石坝的稳定计算 第五节 土料选择与填土标准确定 第六节 土石坝的地基处理 第七节　土石坝与坝基、岸坡 及其他建筑物的连接 第三章 土石坝

2. 第四节 土石坝的稳定分析 一、概述 二、土料抗剪强度指标的选取 三、坝坡稳定计算工况和安全系数的采用 四、坝坡稳定分析方法

3. 第四节 土石坝的稳定分析 一、概述 土石坝由松散体构成，剖面大，是局部坝坡滑动。 常见几种滑裂形式： （1）曲线滑动面 如图3-11（a）、(b)所示，滑动面为曲线面。近似圆弧：分析时以圆弧面代替。 （2）直线或折线滑动面 如图3-11（c）（d）所示，这种滑动面多数发生在非粘性土料的坝坡。 （3）复合滑动面 如图3-11（f）所示，当坝基表面有软弱夹层时，滑动面上部呈弧形滑动、下部能呈直线滑动的复合滑动形式。

6. 二、土料抗剪强度指标的选取 1．确定抗剪强度指标的计算方法 抗剪强度指标的计算方法有总应力法和有效应力法 对于各种计算工况，土的抗剪强度都可采用有效应力法按式（3-29）确定： 对于粘性土在施工期或库水位降落期（中、低坝），也可用总应力法，按式（3-30）确定： ——土体的抗剪强度 ——孔隙水压力； ——不排水剪的总强度指标； ——固结不排水剪的总强度指标。

7. 二、土料抗剪强度指标的选取 2．抗剪强度指标的测定方法及仪器使用规定筑坝土料的抗剪强度应采用三轴仪测定。 III级中低坝，可用直剪仪—慢剪试验测有效强度指标对于K<10-7cm/S土：允许采用直剪仪按快剪或固结快剪。

8. 三、坝坡稳定计算工况和安全系数的采用 1．坝坡稳定计算工况 稳定计算的目的:验算坝坡的稳定性。控制坝坡稳定应按如下几种工况进行核算： （1）正常运用条件 1）上游正常蓄水位与下游相应的最低水位或上游设计洪水位与下游相应的最高水位时，形成稳定渗流期的上、下游坝坡； 2）水库水位从正常蓄水位或设计洪水位正常降落到死水位的上游坝坡。

9. （2）非常运用条件Ⅰ 1）施工期的上、下游坝坡； 2）上游校核洪水位与下游相应最高水位可能形成稳定渗流期的上、下游坝坡； 3）水库水位的非常降落，即库水位从校核洪水位降至死水位以下或大流量快速泄空的上游坝坡。 （3）非常运用条件Ⅱ • 正常运用水位遇地震的上、下游坝坡。

10. 2．稳定安全系数的采用 • 按照我国《碾压式土石坝设计规范》，当用计及条块间作用力的计算方法时，坝坡稳定安全系数应不小于表3-11规定的数值；当采用不计条块间作用力时，对I级坝正常运用：K>1.30，其他情况应比表3-11规定的数值减少8%。

11. 坝坡稳定计算:刚体极限平衡法。极限平衡稳定分析时，按滑动面形状分圆弧法和滑楔法两种。坝坡稳定计算:刚体极限平衡法。极限平衡稳定分析时，按滑动面形状分圆弧法和滑楔法两种。 四、坝坡稳定分析方法

12. 1．圆弧法 圆弧法是假定坝坡滑动面为一圆弧，取圆弧面以上土体作为分析对象。常用于均质坝、厚心墙坝和厚斜墙坝；圆弧法由瑞典人彼得森提出，故称瑞典圆弧法。该法把分滑动体分若干土条，不考虑土条间的作用力，把滑动土体相对圆弧圆心的总阻滑力矩Mr与总滑动力矩MT的比值定义为坝坡稳定安全系数。后来，毕肖普提出考虑用 。

13. (1）瑞典圆弧法 • 图3-14表示一均质坝坡滑动面和其中任一土条的作用力，为土条自重；及分别表示作用在土条底部的法向反力和切向阻力。 • 由毕肖普对安全系数的定义，对滑动体进行分条。 • 然后将个力向土条底部中心简化：计算极限平衡状态时阻滑力与滑动力比值 K:

14. 图3-14表示一均质坝坡滑动面和其中任一土条的作用力，为土条自重；及分别表示作用在土条底部的法向反力和切向阻力。图3-14表示一均质坝坡滑动面和其中任一土条的作用力，为土条自重；及分别表示作用在土条底部的法向反力和切向阻力。

15. 瑞典圆弧法计算示意图 计算时:若采用b = 0.1R，则、sinα1=0.1,cosα1=(1-0.1)…… 在每个滑弧计算时均为固定值，可使计算工作简化。当端土条宽度时，可将该土条的实际高度换算为等效高度h（h= b’h’/b）进行计算。采用总应力法计算时，可在公式（3-31）中令孔隙压力u=0，同时把 c’、φ’换成总应力强度指标即可导出用总应力法计算的瑞典圆弧法公式.

16. (2)简化毕肖普法 • 如图3-15所示，图中Ei、Ei+1、Xi、Xi+1分别表示土条两侧的法向力和切向力，W为土条自重，N、T分别表示土条底部的总法向反力和切向反力，其余符号见图中表示。 图3-15 简化毕肖普法

17. 国内外广泛应用的简化毕肖普公式: • 式中： ， 以上式中两端均含未知量K 值,需采用迭代法或试算法求解。可在计算机运算。采用手工试算时，一般可先假设K=1代入mai= k,重复到相等

18. 四、坝坡稳定分析方法 (3）讨论与分析 1）施工期计算 • 计算时，施工期的土条重为实重。地下水位以上湿容重，以下为浮容重。 2）稳定渗流期计算 • 稳定渗流期应采用有效应力法计算。式中的土条容重：浸润线至下游水位之间用饱和容重。 3）库水位降落期计算 • 粘性土在库水位降落期可用总应力法计算。

19. (4）最小安全系数确定 • 最小安全系数的滑动面需反复试算才能确定。粘性土由于其土粒间具有粘聚性，滑动面切入坝体或坝基一般都比较深；无粘性土则切入较浅。对于均质（包括粘性或无粘性）的简单坝坡，可认为最小安全系数对应的滑动面圆心在坝坡中点上方一封闭的曲线形范围内（如图3-18），而且只有一个极小值点。对于非均质多土层（各层土料性质不同）的复杂坝坡，则存在着多极值问题。下面以瑞典圆弧法为例介绍均质单层土料坝坡寻找最小安全系数的试算方法。

20. 最小安全系数试算 • 第一步，设坝脚 B1点为滑出点，在eg线上任拟三点O1、O2、O3为圆心，分别画出通过B1点的三个弧形滑动面计算k值，并按比例标在对应的圆心位置上，连成曲线，从中找出最小值K的位置O点。 • 第二步，通过O点取eg线的垂线N—N线，在N—N线上任取三圆心O4、O5、O6，仿照第一步的方法，从中求出最小安全系数K1。可认为，该系数即为通过B1点的最小安全系数。 • 第三步，根据坝基土质情况，在坝坡或坡外再选B2、B3点为坝坡滑出点，重复第一、第二步骤，又可分别求出对应于B2、B3点的最小安全系数K2、K3。 • 第四步，把K1、K2、K3按比例标在对应的位置上，连成曲线，从中求出的k值即可认为是坝坡的最小安全系数kmin。

21. 2．滑楔法 • 无粘性土坝坡，如心墙坝的上、下游坝坡、斜墙坝的下游坝坡或上游保护层以及保护层与斜墙等可能形成折线形滑动面。稳定分析时可按滑楔法计算。对厚斜墙坝和厚心墙坝还应按圆弧法校核。图 3-19 • 按滑楔法计算时，常将滑动体以折点为界分为若干滑楔。滑楔间的相互作用力方向一般按两种方向拟定：一种是水平方向；另一种是平行于滑动斜面，前者计算的稳定安全系数比后者小。因此，假定滑楔间作用力的方向不同，对稳定安全系数的要求也不同。

22. (1）无粘性土坝坡稳定计算 • 以图3-19所示的心墙坝上游坝坡为例，假设任一滑动面ADC，折点D在坡外水位附近，一般取1/3上游水位附近。将滑动土体分为BCDE和ADE两块，重量分别为W1、W2，抗剪强度指标分别为φ1、φ2。滑楔间假设作用力P1按平行CD面，则BCDE和ADE滑块的极限平衡方程式为: 联解两式可求出安全系数 K

23. 四、坝坡稳定分析方法 • 解：首先固定水位在12.0m，取滑动面折点D设在与上游水位附近，假设α1=40 度，α2=14度，作出滑动面ADE。取D点垂线将滑动土体分为DCE和ADC两条块，条块间相互作用力按平行ED面方向假定，并计算两条块土重分别为W1=5552.3KN；W2=16836.1KN(水上部分取湿重，水下部分取浮重)。把α1、α2、tgφ1、tgφ2代入式（3-34）和（3-35）可得： 联解得：K=1.98

24. (2）斜墙与保护层一起滑动的稳定计算 • 斜墙与坝体接触面，是两种抗剪强度不同土料的接触面。计算时，应计算两种情况：一是保护层沿斜墙表面滑动，二是斜墙与保护层一起沿斜墙底面滑动。前者可按无粘性土坝坡计算，后者按如下方法计算。

25. (3)复合滑动面的坝坡稳定计算 • 如图3-24所示，坝坡的任一滑动面abcd，其中ab、cd为圆弧滑动面。分析的思路是将滑动体分为三个区域，土块abf的推动力为，cde的阻滑力为，分别作用在fb和ec面上，土块bcef产生的阻滑力为，作用在bc面上，建立稳定极限平衡方程式为:

26. 第五节 土料选择与填土标准确定 一、筑坝材料选择 二、土料填筑标准的确定

27. 第五节 土料选择与填土标准确定 一、筑坝材料选择 坝址附近各种天然土石料和枢纽建筑物开挖料的性质、种类、储量、运距等因素。 1．筑坝土石料选择的原则 选择筑坝土石料应遵循下列原则： （1）具有（或经加工后具有）与其使用目的相适应的工程特性和长期稳定性； （2）就地、就近取材，减少弃料，少占或农田，并优先考虑利用枢纽建筑物开挖弃料； （3）便于开采、运输和压实。

28. 2．坝体不同部位对土石料的要求 土石坝材料的选用范围越来越广泛。风化料、软岩、砾石土均用于筑坝。 （1）防渗体对土料的要求: 防渗土料用粘性土， 1) 渗透系数要求：均质坝应不大于1×10-4cm/s，心墙和斜墙应不大于1×10-5cm/s； 2)水溶盐含量：均质坝、心墙坝应不大于3%； 3) 有机质含量（按质量计）：均质坝应不大于5%，心墙和斜墙应不大于2%； 4) 具有较好的塑性和稳定性； 5) 浸水与失水时体积变化较小。

29. 对冲积粘土、膨胀土，开挖、冻土和分散性粘土不宜作为防渗体的填筑土料。对冲积粘土、膨胀土，开挖、冻土和分散性粘土不宜作为防渗体的填筑土料。 • 红粘土、湿陷性黄土、砾石土可用于防渗体。 • （2）坝壳土石料的要求 • 坝壳土石料应满足排水性能好、抗剪强度高、易压实和抗震稳定性良好的要求。 • 料场开采和坝区开挖的砂、砾石、卵石、石料和风化料及砾石均可作为坝壳的填筑材料。 • 均匀中细砂只能用于中、低坝坝壳浸润线以上的干燥区，高坝和地震区不宜采用这种土料。 • 下游坝壳应采用透水性能良好的土石料填筑。 • 对软化系数低，不能压碎成砾石土的风化石料和软岩宜在坝壳的干燥区填筑。

30. （3）反滤层、过渡层和排水体的要求： 1）质地致密、抗水性和抗风化性能满足工程运用的技术要求； 2）具有符合使用要求的级配和透水性； 3）反滤料和排水体料中粒径小于0.0075mm的颗粒含量应不超过5%。 • 反滤料可利用天然或经过筛选的砂砾石料，也可采用块石、砾石轧制，或采用天然和轧制的混合料。III—V级低坝经论证可采用土工布作为反滤料。

31. 二、土料填筑标准的确定 土料的填筑标准：较高密实度、均匀性、强度和较小的压缩性，在满足渗流条件和坝坡稳定要求下，取得经济合理的坝体剖面。 确定填筑标准时，应考虑下列因素： ①坝高、坝型、坝的级别和坝的不同部位； ②坝体填料特性：土石料的压实特性、参数 ③坝基土的强度和压缩性； ④当地气候、设计地震烈度和其他影响； ⑤采用的压实机具、施工难易程度； ⑥不同填筑标准对造价的影响。

32. 1．粘性土的填筑标准 • 我国《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）对粘性土的填筑标准作出如下规定 • 粘性土的填筑标准以压实度和最优含水率作为控制指标:设计干容重应以击实最大干容重乘以压实度确定: γd = Pγmax • 对于I、II级坝和高坝的压实度P应取98%～100%，III—V级坝和中、低坝应取0.95～0.98，V级坝和低坝取小值，设计地震烈度为8～9度时取最大值。 • 对混凝土防渗墙顶部的高塑性土、湿陷性黄土，需根据工程实际情况确定合适的压实度.

33. 2．砂和砾石的填筑标准 对砂、砂砾石等，通过击实可提高其抗剪强度和减小压缩性、防止液化。 • 试验表明：砂砾的压实与级配和压实功有关；填筑标准应以相对密度为设计控制指标。 • 对于砂料，相对密度不应低于0.7，反滤料宜为0.7，砂砾石不应低于0.75。 • 对于砂砾石，根据室内结果整理出级配～干容重～相对密度关系，以便现场挖坑取样检查。 • 对于堆石料，宜用孔隙率为设计控制指标，孔隙率宜取0.2%～28%。

34. 第六节 土石坝的地基处理 土石坝的地基处理的目的 一、砂砾石地基处理 二、软土地基处理

35. 土石坝的地基处理的目的 土石坝优点之一是对地基适应能力较强，在各类地基上都可建造土石坝。 资料表明:土石坝有40%是因地基失事的。 土石坝的地基处理的目的： ①控制渗流，要求处理后的地基不产生渗透变形和降低坝体浸润线，坝坡和坝基在各种情况下均要渗透稳定，渗流量在允许的范围内； ②控制稳定，处理使坝基具有足够的强度，不致因坝基产生滑坡，软土层不致被挤出，砂土层不发生液化等； ③控制变形，要求沉降量和不均匀沉降控制在允许的范围内（竣工后，不应大于坝高的1%），以免影响坝的正常运行。

36. 第六节 土石坝的地基处理

37. 第六节 土石坝的地基处理

38. 一、砂砾石地基处理 1．垂直截渗措施 明挖回填粘土成截水槽,结构简单、工作可靠、截渗效果好的防渗措施. 适用:砂砾土层深度在15m以内。 位置:一般设在大坝防渗体的底部（均质坝则多设在靠上游1/3～1/2坝底宽处），横贯整个河床并伸到两岸 尺寸:截水墙的底宽，应按回填土料的允许比降确定（砂壤土取3.0，壤土3.0～5.0，粘土5.0～10.0），一般取5m~10m，最小宽度3.0m。 插入相对不透层的深度应不小于0.5～1.0m （1）粘土截水槽

42. （2）混凝土防渗墙 适用:砂砾石层深度在15～80m，高效经济的。 • 优点:施工进度快，造价较低，防渗效果好。 • 尺寸:厚度由坝高和防渗墙的允许渗透比降、墙体溶蚀速度和施工条件等因素确定.据经验，一般允许比降以80～100为宜，并由最大工作水头除以允许比降校核墙的厚度。 • 从混凝土溶蚀速度考虑，其在渗水作用下带走游离氧化钙而使强度降低，渗透性增加，因此，可按其强度50%的年限审核墙体厚度。 • 从施工和坝高考虑，用冲击钻造孔，1.3m直径钻具最大，一般将墙体厚度控制在0.6～1.3m的范围内。