1、第五章土 石 坝,土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接是土石坝设计的关键，应当高度重视并妥善处理; 目的：避免产生水力劈裂； 接触面岩石大量漏水； 不均匀沉降而导致坝体产生裂缝。一、坝体与土质坝基及岸坡的连接 1、清基：把建筑物范围内（包括坝基和岸坡）的草皮、树根、含有植物的表土、蛮石、垃圾和其他废料清除，并将清理后的坝基表面土层压实。,第八节土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接,第五章土 石 坝,2、清除或处理：不符合设计要求的低强度、高压缩性软土和地震时易液化的土层；3、坝身防渗体应与坝基防渗设施连接： 坝基防渗设施应座落在相对不透水土基上；坝基覆盖层与下游坝壳粗粒料接触处，应符合反滤要求
2、，否则必须设置反滤层，以保证该处不发生渗透稳定问题。4、坝基开挖：为使防渗体与岸坡紧密结合，岸坡开挖应当大致平顺，避免做成台阶形状、反坡或突然变坡；,第八节土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接,第五章土 石 坝,注意：对岸坡本身的整体性和稳定性要求，防止蓄水后岸坡稳定条件恶化，要求土质岸坡沿坝轴方向开挖坡度不宜陡于1:1.5。 5、土质防渗与岸坡连接：如因防渗体底面较窄而不满足防渗要求时，应加厚防渗体的断面和加强反滤层布置，以增加该处的防渗可靠性，渐变加厚断面。二、坝体与岩石地基及岸坡的连接 1.清基:要求清除坝基表面的垃圾、废料和杂物外，还应清除其表面松动的石块,凹处清除积土后应用混凝土回填
3、。,第八节土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接,第五章土 石 坝,2.冲洗: 开挖完毕后，宜用高压水枪冲洗干净; 3.断层破碎带处理: 对断层、张开节理裂隙应逐条开挖清理，并用混凝土或砂浆封堵。 4.喷混凝土(水泥浆) 坝基岩面上宜设混凝土盖板、喷混凝土或喷水泥砂浆，以利坝体底面与坝基岩面的结合。工程经验表明，在防渗体与岩石面之间建筑混凝土盖板对保证填土质量，便于施工、防止接触冲刷，特别是便于帷幕灌浆。,第八节土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接,第五章土 石 坝,5.预留保护层: 对失水后很快风化的软岩（如灰岩、泥岩等），开挖时应留0.5 m，待开始回填时，边开挖边回填，或开挖后用喷水泥砂浆
4、或喷混凝土保护。 非粘土土质防渗体与岩石接触处，在邻近接触面0.51.0米范围内，防渗体应改为粘土，并在略高于最优含水率情况下填筑，在填土前应用粘土浆对岩层表面涂刷抹面。 岸坡段防渗体底部渗经不足时，应加厚防渗体尺寸，直至满足要求为止。同时岩石岸坡开挖坡度应满足稳定要求。一般不宜陡于1:0.5。,第八节土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接,第五章土 石 坝,三、土石坝与混凝土建筑物的连接土石坝与混凝土建筑物的连接，使结合面具有足够的渗径长度和保护坝坡、坝脚不受冲刷的连接措施。土石坝与混凝土建筑物连接一般采用插入式和侧墙式（翼墙式和重力墩式等）两种型式。 1）插入式 如图5-39所示，这种连接型
5、式从混凝土坝与土石坝的连接部位开始，混凝土坝的断面逐渐缩小，最后成为混凝土心墙插入土坝心墙内。插入式的连接结构简单，也较经济，所以在高、中、低坝均采用较多。这种连接形式，土石坝的坝脚要向混凝土坝方向,第八节土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接,第五章土 石 坝,延伸较长，一般适用于与非溢流重力坝段连接。其插入距离较长，如刘家峡坝，插入段长22.5m，相当于连接处坝高的1/2，三道岭坝插入段长度相当于连接处坝高的1/3。图 5-39 插入式连接示意图1-混凝土重力坝；2-土石坝；3-半插入段；4-插入段,第八节土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接,第五章土 石 坝,2侧墙式 土石坝与溢流坝、溢洪
6、道，水闸或船闸连接时，一般采用侧墙式连接型式。侧墙式包括重力墩式和翼墙式等。 重力墩式连接是把连接部位的混凝土边墩或边墙做成重力式边墩，并向上、下游延伸至足够的长度（不弯折），必要时，还应在边墩背水面筑13道防渗刺墙插入土石坝防渗体内，以保证土质防渗体与混凝土建筑物的连接面具有足够的渗径长度。为了避免两种不同材料的接触面的变形不协调而出现间隙和产生裂缝，重力墩与土石坝接合面的坡度不宜陡于1:0.25，连接段的防渗体应适当加厚。,第八节土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接,第五章土 石 坝,并选用高塑性粘土填筑和充分压实，且在接合面附近加强防渗体下游的反滤保护，严寒地区应符合防冻要求。如我国的丹
7、江口坝，土坝与混凝土坝接合坡度为1:0.25，并设有4道伸入土石坝长度3.0m的防渗刺墙。 翼墙式连接是把连接处的混凝土边墩或边墙向上、下游延伸做成圆弧形或八字形翼墙，如图5-40所示。其中图（a）的上、下游翼墙在平面上均为圆弧形，与土石坝的接触渗径较长，水流条件也较好，适用于较高水头情况；图（b）上游翼墙为圆弧型，下游为八字斜降形式，工程量较省，但渗径较短，,第八节土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接,第五章土 石 坝,适用于中低水头情况；图（c）上、下游翼墙均做成八字形斜降墙形式，渗径很短，一般只适用于水头很低的闸堤类工程的连接。当然，在渗径不足时也可以在边墩背水面做防渗刺墙，但刺墙的受力
8、条件复杂，且不利于机械化施工，可能影响结合面填土质量，近年来已较少采用。为了保证渗透稳定，可在接触面附近加厚防渗体和反滤层的厚度。,第八节土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接,第五章土 石 坝,图5-40 翼墙式连接1-土石坝； 2-溢流重力坝； 3-圆弧形翼墙4-斜降式翼墙； 5-边墩；,第八节土石坝与坝基、岸坡及其他建筑物的连接,第九节 面板堆石坝,一、概述 面板堆石坝是以堆石体作为支承，以钢筋混凝土、沥青混凝土作为防渗体的一种坝型。堆石体是坝的主体，对坝体的强度和稳定条件起决定性作用，因而要求由新鲜、完整、耐久、级配良好的石料填筑。 1970年以后，由于大型振动碾薄层碾压技术的应用，使堆
9、石坝的密实度得到充分提高，从而大幅降低了堆石坝的变形，加上钢筋混凝土面板结构在设计上改进.目前，面板堆石坝已成为大坝中一种重要坝型。,第九节 面板堆石坝,其是可行性研究阶段优先考虑坝型，是当今高土石坝发展的趋向如我国水布垭水利枢纽。本节主要介绍钢筋混凝土面板堆石坝的特点和构造。面板堆石坝与其他坝型相比有如下主要特点： 1、就地取材，在经济上有较大的优越性，除了在坝址附近开采石料以外，还可以利用枢纽其他建筑物开挖的废弃石料； 2、施工度汛问题比土坝较为容易解决，可部分利用坝面溢流度汛，但应做好表面保护措施； 3、对地形地质和自然条件适应性较混凝土坝强，可建在地质条件略差的坝址上，且施工,第九节
10、面板堆石坝,不受雨天影响，对温度变化的敏感度也比混凝土坝低得多； 4、方便机械化施工，有利于加快施工工期和减少沉降，随着重型振动碾等大型施工机械的应用，克服了过去堆石坝抛填法沉降量很大的缺点； 5、坝身不能泄洪，施工导流问题较混凝土坝难予解决，一般需另设泄洪和导流设施。二、钢筋混凝土面板堆石坝的剖面尺寸 1坝顶要求 面板堆石坝一般为梯形剖面，其坝顶宽,第九节 面板堆石坝,度和坝顶高程的确定与土坝类似，其中坝顶宽度除了应参考土坝的要求外，还应兼顾面板堆石坝的施工要求(浇筑面板时有工作面和进行滑模设备的操作)，一般不宜小于5m。 在坝顶上游侧设置钢筋混凝土防浪墙。防浪迎水面高46m，背水面高于坝顶
11、1.01.2m，底部与面板间应做好止水连接，如图5-41所示。对于低坝也可采用与面板整体连接的低防浪墙结构。,第九节 面板堆石坝,图5-41 面板堆石坝坝顶构造,第九节 面板堆石坝,2坝坡 面板堆石坝的坝坡与石料性质、坝高及地基条件有关，设计时可参考类似工程。 对于采用抗剪强度高的堆石料，上、下游坝坡在静力条件下均可采用堆石料的天然休止角对应的坡度；因此一般采用1:1.31:1.4。对于地质条件较差或堆石体填料抗剪强度较低以及地震区的面板堆石坝，其坝坡应适当放缓。,第九节 面板堆石坝,三、钢筋混凝土面板堆石坝的构造1堆石体 堆石体是主体部分，其可划分为：垫层区（2A区） 过渡区（3A区）、主堆
12、石区（3B区）和次堆石区(3C区)。图5-42 堆石坝分区示意图,第九节 面板堆石坝,（1）垫层区 垫层区应选用质地新鲜、坚硬且耐久性较好的石料，可采用经筛选加工的砂砾石、人工石料或者由两者混合掺配。高坝垫层料应具有连续级配，一般最大粒径为80100mm，粒径小于5mm的颗粒含量为3050，小于0.075mm的颗粒含量应少于8。垫层料经压实后应具有内部渗透稳定性、低压缩性、抗剪强度高，并应具有良好的施工质量。垫层施工时每层铺筑厚度一般为0.40.5m，用10t振动碾碾压4遍以上。对垫层上游坡面，由于重型振动碾难于碾压，因此对上游坡面还应进行斜坡碾压。垫层上下游之间水平宽度应根据坝高、地形、,第
13、九节 面板堆石坝,垫层顶部水平宽度一般可采用34m，向下逐渐加宽。坝高100m以下的面板堆石坝，为了简化施工也可考虑采用上下等宽的垫层。对于周边缝附近的特殊垫层区，可以采用最大粒径小于40mm且内部稳定的细反滤料，经薄层碾压密实，以尽量减少周边缝的位移。（2）过渡区过渡区介于垫层与主堆石区之间，起过渡作用，石料的粒径级配和密实度应介于垫层与主堆石区两者之间。由于垫层很薄，过渡区实际上是与垫层共同承担面板传力。此外，当面板开裂和止水失效而漏水时，过渡区应具有,第九节 面板堆石坝,防止垫层内细颗粒流失的反滤作用，并保持自身的抗渗稳定性。过渡区石料粒径要求可比垫层材料适当放宽，最大粒径一般为3004
14、00mm。该区水平宽度可取35m，分层碾压厚度一般为0.400.5m。（3）主堆石区主堆石区为面板坝堆石的主体，是承受水压力的主要部分，它将面板承受的水压力传递到地基和下游次堆石区，该区既应具有足够的强度和较小的沉降量，同时也应具有一定的透水性和耐久性。该区石料应级配良好，以便碾压密实。主堆石区填筑层厚一般为0.81.0m，最大粒径应不超过600mm，用10t振动碾碾压4遍以上。,第九节 面板堆石坝,（4）次堆石区 下游次堆石区承受水压力较小，其沉降和变形对面板变形影响也一般不大，因而对填筑要求可酌情放宽。石料最大粒径可达1500mm，填筑层厚1.52.0m，用10t振动碾碾压4遍。下游次堆石
15、区在坝体底部下游水位以下部分，应采用能自由滤水、抗风化能力较强的石料填筑；下游水位以上部分，宜使用与主堆石区相同的材料，但可以采用较低的压实标准，或采用质量较差的石料，如各种软岩料、风化石料等。 另外，混凝土面板上游铺盖区（1A区）可采用粉土、粉细砂、粉媒灰或其他材料填筑；上游盖重区（1B区）可采用渣料填筑；,第九节 面板堆石坝,2防渗面板的构造（1）钢筋混凝土面板 采用钢筋混凝土面板作为防渗体，在堆石坝中应用较多，少量土坝也有采用。下面介绍钢筋混凝土面板的构造要求。钢筋混凝土面板要求下游非粘性土坝体必须具有很小的变形，而面板本身也应能够适应坝体的相对变形。为此，钢筋混凝土面板在坝体完成初始变
16、形后铺筑最为理想。 钢筋混凝土面板防渗体主要是由防渗面板和趾板组成，如图5-43（a）所示。面板是防渗的主体,第九节 面板堆石坝,要求面板具有符合设计要求的强度、不透水性和耐久性。面板底部厚度宜采用最大工作水头的1%，考虑施工要求，顶部最小厚度不宜小于30cm。为使面板适应坝体变形、施工要求和温度变化的影响，面板应设置伸缩缝和施工缝，如图5-43（b）所示。垂直伸缩缝的间距，应根据面板受力条件和施工要求确定。位于面板中部一带，垂直伸缩间距可以取大些，一般以1018m为宜，靠近岸坡的垂直缝间距则应酌情减小。垂直缝宜采用平接（图5-43（c），不使用柔性填充物，以便最大限度地减少面板的位移。,第九
17、节 面板堆石坝,图543面板与趾板及分缝布置,第九节 面板堆石坝,为控制温度裂缝和干缩裂缝: 面板需要布置双向钢筋，每向配筋率为0.3%0.5%。由于面板内力分布复杂，计算有一定的难度，故一般将钢筋布在面板中间部位。周边缝、垂直缝和水平缝附近配筋应适当加密，以控制局部拉应力和边角免遭挤压破坏。（2）趾板（底座） 趾板是面板的底座，其作用是保证面板与河床及岸坡之间的不透水连接，同时也作为坝基帷幕灌浆的盖板和滑模施工的起始工作面。趾板的截面形式和布置如图5-43（a）所示，,第九节 面板堆石坝,沿水流方向的宽度b一般可按b = H/J确定，J为坝基的允许渗透比降。可取水头的1/101/20，最小3
18、.0m，低坝最小可取2.0m。对局部不良岸坡，应加大趾板宽度，增大固结灌浆范围。趾板厚度一般为0.51.0m，最小厚度0.30.4m。配筋布置可与面板相同，分缝位置应与面板分缝（垂直缝）对应。如果地基为岩基，可设锚筋与岩基固定。面板接缝设计（包括面板与趾板的周边接缝和趾板之间接缝）主要是止水布置，周边缝止水布置最为关键。面板中间部位的伸缩缝，一般设12道止水，底部用止水铜片，上部用聚氯乙烯止水带。,第九节 面板堆石坝,周边缝受力较复杂，一般采用23道止水，在上述止水布置的中部再加-PVC止水。如布置止水困难，可将周边缝面板局部加厚。（3）面板与岩坡的连接面板与岸坡的连接是整个面板防渗的薄弱环节
19、，面板常因随坝体产生的位移而产生变形，使其与岸坡结合不紧密，甚至出现被拉离岸坡或产生错动的现象，形成集中渗流。设计中应特别慎重。面板与岸坡的连接是通过趾板与岸坡连接的，面板与趾板又通过分缝和止水措施防渗。,第九节 面板堆石坝,为此，了解面板与岸坡的连接，就必须了解趾板与岸坡的连接。趾板作为面板与岸坡的不透水连接和灌浆压帽，应置于坚硬、不冲蚀和可灌浆的弱风化至新鲜基岩上，岸坡的开挖坡度不宜陡于1:0.51:0.7； 趾板基础开挖应做到整体平顺，不带台阶，避免陡坎和反坡，当有妨碍垫层碾压的台阶、反坡或陡坎时，应作削坡或回填混凝土处理。为保证趾板与岸坡紧密结合和加大灌浆压重，趾板与岸坡之间应插锚筋固
20、定。锚筋直径一般为2535mm，间距1.01.5m，长35m。,第九节 面板堆石坝,趾板范围内的岸坡应满足自身稳定和防渗要求，为此，应认真做好该处岸坡的固结灌浆和帷幕灌浆设计。固结灌浆可布置两排，深35m。帷幕灌浆宜布置在两排固结灌浆之间，一般为一排，深度按相应水头的（1/31/2 ）确定。灌浆孔的间距视岸坡地质条件而定，一般取24m，重要工程应根据现场灌浆试验确定。,第十节 土石坝优化设计,一、土石坝的坝型选择 坝型选择很大程度上取决于“因材设计、因地制宜”。因此，坝型选择不仅与坝址附近土石料的性质、储量、料场分布、地形地质和坝高等因素密切相关，而且还影响到枢纽布置、土石方工程量、工程造价和
21、施工工期等方面。在设计中，必须综合考虑各种有关因素，经过技术经济比较，选用技术上可行，经济上合理、运用上可靠的坝型。1均质坝 当坝址附近具有足够均一且渗透系数适宜的土料（如砂质粘土、砾质粘土、粘壤土、砂壤土）,第十节 土石坝优化设计,可考虑修筑均质坝。均质坝土料单一，渗透系数小，坝体本身可起到防渗作用，不需要设置专门的防渗设施，施工较方便，因而在中低坝工程中应用较广泛。在我国的南方，红粘土和砾质红粘土分布较广，储量丰富，且具有较高的抗剪强度和抗冲能力，因而南方修建的均质坝更多。 均质坝因其土料颗粒较小，抗剪强度相对砂、砾石土料低，浸水时容易产生孔隙压力，因而一般要求坝坡较缓，对节省土方工程量不
22、利，为此，均质坝多用于中、低坝。国内已建的均质坝也以中、低坝居多，高均质坝极少。,第十节 土石坝优化设计,2土质防渗体分区坝 土质防渗体分区坝是高、中坝最常用的坝型。这种坝体便于与地基内的垂直和水平截渗、拦渗设施连接，且心墙和斜墙可以在深厚的覆盖层上修筑，因此，土质防渗体分区坝的坝坡设计得相对较陡。国内高于100m的碧口、石头河、鲁布革和小浪底等土石坝都是采用土质防渗体分区坝。 从土料的性质和储量分析，当坝址处粘性土料少，且砂性料的储量多（天然土料和开采的渣料）丰富时，可修筑土质防渗体分区坝。,第十节 土石坝优化设计,3非土质材料防渗当坝址附近防渗土料缺乏且石料质量良好,储量丰富时，应优先考虑
23、钢筋混凝土面板堆石坝。目前在建的坝高178m的天生桥一级坝、正在开始施工的坝高233m的水布垭坝都是采用钢筋混凝土面板堆石坝。这种坝型大多数建在岩基上，近年来也开始在不太深厚的覆盖层上修建。 沥青混凝土心、斜墙坝已应用多年，但数量相对较少，一般多用于中、低坝，已建成的最大坝高约80m。土工膜防渗体土石坝近年来较快的发展，多用于病险土质坝的除险加固，也用于中、低坝，数不多。,第十节 土石坝优化设计,我国幅员辽阔，各地的自然条件、土料特性千差万别，且影响土石坝选型的因素众多，但当地筑坝材料的性质、储量和分布状况对坝型选择往往起决定性的作用。在具体选择中，应紧紧抓住影响工程造价和运用管理的主要因素，
24、兼顾次要因素，切勿盲目追潮流，赶时髦，因地制宜，真正选出技术上可行，经济上合理的坝型。,坝型：壤土心墙土石混合坝最大坝高：102米,水布垭堆石坝,第十节 土石坝优化设计,二、优化设计1优化设计概述 土石坝优化设计：由设计目的及要求，达到设计整体安全且最经济的一种方法。设计应遵守的初始条件及边界条件等称为约束条件。 在优化设计中，选择设计变量，确定目标函数，列出约束条件称为制定优化设计的数学模型。有了优化设计的数学模型后，还要选择合适的优化方法进行优化设计，从而得到优化的设计成果。 土石坝的优化：一方面是设计方案的优化，如剖面优化、坝型选择优化、坝体内部等； 另一方面是计算方法优化。,第十节 土
25、石坝优化设计,2确定坝坡最小安全系数的最优化方法（1）目标函数的确定 如果土石坝坝坡的滑动面为一圆弧，则圆弧的位置可用圆心坐标（x0，y0）和半径r确定。由于我们研究的问题是坝坡稳定安全系数问题，因此目标函数为 K=K（x0，y0，r） （5-40） 如果滑动面为任意曲线y(x) ，那么，目标函数可表达为 K=K（y(x)） （5-41）,第十节 土石坝优化设计,2、滑动面形状确定 为了寻找目标函数的极值，需要将曲线y(x)用若干参数来模拟，即将滑动面y(x)用z=(z1,z2、。z) 近似表达。将滑动面用个点、(图5-45)离散化，也就是将此个点用直线或曲线连接起来，以近似模拟此曲线。一旦这
26、种连接模式确定，安全系数即可表达为个点的坐标x1、y1、x2 y2、 x、 y 的函数为：K=K（x1、y1、x2、 y2 x、 y） （5-42） 最优化搜索过程中，、将移到新的位置B1，、B2，、Bm，其中端点、滑动前可选在坝坡上（也可不在坝坡上），,第十节 土石坝优化设计,滑动后可能移到坝坡线以外或以内，如图5-44中的B1，和Bm ，点。用直线把和B1，和B2， 、 Bm， Bm-1，连接，分别找到它们与坝坡线的交点B1和Bm ，仍以B1、B2、Bm 作为分析对象。在均质坝坝坡中，通常将滑动面拟定为光滑的曲线，此时，可用三次或更高次的样条函数连接这些点；在复合滑动面中，可用直线和光滑曲
27、线组合构筑滑动面。,第十节 土石坝优化设计,图5-44 滑动面及其控制点1-初相滑动面；2-现着滑动面,第十节 土石坝优化设计,（3）最优化方法 z=(z1,z2zn)T用代表自变量x1、y1、x2 y2、 x、 y ，则坝坡安全系数可表达为 K=K(z) （5-43） 最优化方法的目的是在给定的初始向量z0附近寻找使稳定系数获得极小值Kmin的向量z= z0+z 。下面用优化计算方法中的最直接和直观的方法单纯形法介绍寻找坝坡最小安全系数的优化计算。 单纯形法的基本思路是当设计变量为n个时，选择一个初始点z(0)=(a1、a2.an)T作为顶点，构造一具有(n+1)个顶点的多面体，,第十节 土
28、石坝优化设计,这个多面体称为单纯形。通过对单纯形各个顶点函数比较，确定搜索方向，得到较好的新点，以此取代单纯形顶点中的坏点（顶点中函数最小的点称为好点，最大的点称为坏点），从而构造一个新的单纯形，逐步逼近极小点。 如果(n+1)个顶点间的距离都相等，则这个单纯形称为正规单纯形。构造正规单纯形的方法如下：设则： （5-44） ,第十节 土石坝优化设计,其中，式中 单纯形的边长，它大致规定了搜索的规模和范围。图545 注：1、2、3为选用的初始滑裂面。4为最优化方法获得的临界滑裂面。,第十节 土石坝优化设计,图5-46 单纯形法搜索路线 单位：m,第十节 土石坝优化设计,形成单纯形后，计算Z()、
29、 Z(1) 、 Z(n)各点的函数值，记好点的函数值为Z(C) ，坏点值为Z(D) ，并采用反射、延伸、收缩和缩小等步骤，逐步获得较小安全系数，直至满足收敛要求的精度，即新得的安全系数与当时单纯形的n+1个顶点相应的安全系数的均方差小于停机系数为止（停机系数由设计者根据设计要求自行确定）。 以上计算，只要给定初始单纯形各顶点向量和有关系数，利用已有的程序即可上机计算。下面以图5-45所示的简单滑动面ABC（BC为水平软弱夹层的一部分）为例介绍寻找坝坡最小安全系数的优化方法。假定A点和B点均,第十节 土石坝优化设计,为水平方向错动，则此问题只有A点的x1坐标和B点的x2坐标两个自变量，即n=2。
30、采用初始滑动面向量 =(63.00,122.55)，构造初始单纯形n+1=3个顶点的外两个顶点向量为(60.55,124.34)、(62.34,122.55)（如图5-47中三角形的三点），搜索路线如图5-46所示，最终在 Z =(93.37,143.40)处，获得极小值Kmin=1.2569。,第十一节 土工合成材料应用,一、 概 述1土工合成材料的应用情况由于土工合成材料具有质量轻，简工简便，不易腐烂，料源丰富等特点，并能根据土木工程的需要（主要是排水、反滤、防渗等），制成各种型式、尺寸的成品。克服了一些天然材料的不足和缺陷。在工程中得越来越广泛的应用。（1）在水利水电工程方面的应用1)
31、防渗：利用土工膜式或复合土工膜抗渗性强的特点，进行土坝、堤防、池塘等工程的防渗。可以大量节约混凝土、粘土等材料，并,第十一节 土工合成材料应用,具有施工简单、节省工期、防渗效果好等特点。2) 反滤、排水：利用土工布透水性好，孔隙小的特点，将其作为土石坝、水闸、堤防、挡土墙等工程的排水和反滤体。即使渗水顺畅通过反滤体，有效降低浸润线，减小渗透压力。又有效地保护土体中土颗粒的稳定。提高了坝坡稳定性。还可将其制成排水软管式排水带，插入堤防、软土地基中，从而能快速排除渗水，加速土体固结，提高地基的承载能力。3) 护岸护底工程，为了防止水流对渠道及海岸等土岸坡冲刷，可用土工布做成软体排铺,第十一节 土工
32、合成材料应用,设在防冲的边坡上。实践证明，防冲效果良好。4) 防汛抢险方面，在江河堤防的防汛抢险过程中，利用填满土石料的土工编制袋，可快速加高加固堤坝，利用土工布制成的软体卷材快速铺在迎水面上，能及时堵住渗漏通道，有效控制管涌、流土，迅速控制险情。（2）其它方面 在铁路、高速公路、高等级公路中使用土工布处理软基、岸坡挡土墙以及利用植被土工材料网垫绿化岩石边坡等。,处理铁路路基,垃圾填埋场,电厂工程,围海工程,防汛抢险,圆明园防渗工程,土工膜防渗,渠道防渗,第十一节 土工合成材料应用,在环境保护方面，利用土工膜外包垃圾深埋处理，有害污水的防渗处理,以及在电厂灰坝建设中的应用等。另外,在铁路建设以
33、及民航机场跑道建设煤矿等矿山建设均得到了一定的应用。2、土工合成材料的种类根据我国GB50290-98土工合成材料应用技术规范规定，土工合成材料分土工织物、土工膜、土工复合材料及土工特殊材料四大类，各类又分为若干小类及不同品种。其具体划分如下：,第十一节 土工合成材料应用,排水管,土工网,第十一节 土工合成材料应用,3、土工合成材料的性能 (1)物理性能指标 1）单位面积质量 单位面积质量系指每平方米土工合成材料的所含质量的多少。反映材料的品质，一般用g/m2来表示。对于同一种系列来讲，其与材料的力学强度和单位价格成正比。因此，在选用产品时，它是必须考虑的技术经济指标。 2）厚度 指土工织物在
34、自然无压状态下，其顶面与底面之间的距离，一般单位为mm。在一定的压力作用下，各种材料均有不同的压缩变形。因此，当设计土工织物的水力特性时，必须考虑其上覆压力的大小对水力特性的影响。,第十一节 土工合成材料应用,3）孔隙率 孔隙率是指其所含孔隙的体积与总体积之比。 可由下式计算： （5-45） 式中： 土工织物的孔隙率 M土工织物的单位面积质量（g/m2） 原材料的密度（g/cm3），一般为0.91g/cm31.39g/cm3 土工织物的厚度mm。,第十一节 土工合成材料应用,(2) 力学性能指标1）抗拉强度和拉伸率 抗强强度是指土工合成材料单位宽度所能承受的拉力，用KN/m表示。可分为纵向和横
35、向两种情况。拉伸率是指材料对应于达到抗拉强度时的应变，用百分数表示。在工程应用中，对抗拉强度都有一定的要求，特别是加筋和隔离功能中，它是主要的设计指标。2）握持强度、撕裂强度 握持强度表示土工织物抵抗外来集中荷载的能力，单位为N。撕裂强度表示沿土工织物某一裂口逐步扩大过程中的最大拉力，单位为N。3）胀破强度、刺破强度 胀破强度指土工,第十一节 土工合成材料应用,膜在液压作用下胀破或变形到不能正常使用时承受的最大压强，单位为Kpa。刺破强度为用8的杆件刺破土工合成材料的所用的最小力值，单位为N。(3) 水力特性指标水力特性指标，主要有等效孔径和渗透系数两个反映反滤和排水功能指标。1）等效孔径 等
36、效孔径指以土工织物为筛布，取石英砂通过土工织物的过筛率为5%时所对应的粒径，用O95表示。单位为mm。2）渗透系数 渗透系数分为垂直渗透系数和水平渗透系数。垂直渗透系数指水力梯度为1.0时，水流垂直通过土工织物的或沿其,第十一节 土工合成材料应用,平面渗透速率，单位为cm/s。垂直透水时，水位差为1.0时的渗透水量称透水率，单位为l/s。而水平方向沿土工织物单位宽度内的输水能力称导水率，单位为cm3/s。(4) 其它特性指标1）界面摩擦系数 当土工合成材料埋入土中时，土体和土工合成材料接触面上摩擦系数按试验方法，可分为直剪摩擦系数和拉拔摩擦系数。2）耐久性 土工织物在自然环境中，能不丧失正常使
37、用功能的最小时间。一般耐久性指标有耐磨，抗紫外线、抗生物、抗化学、抗大气环境等。,第十一节 土工合成材料应用,表5-2 不同功能常用土工合成材料品种和设计指标种类表注：1. 为主要指标；为次要指标；为不重要指标。,第十一节 土工合成材料应用,二 土工织物的反滤、排水设计1、反滤设计 研究和工程实践证明，利用土工织物可代替土木工程中的砂砾等天然材料反滤层。一般情况下，可用土工合成材料作反滤的工程包括： 堤坝粘土斜墙、粘土心墙及下游排水体后的反滤层；水闸分缝处、下游护坦、海漫下的滤层；挡墙、岸墙后的填土排水系统的反滤层；排水暗管、水田水利工程、减压井、农用井等的外包体滤层。公路和机场跑道基层、铁路
38、路基的隔离层等反滤。,反滤的布置的位置,第十一节 土工合成材料应用,(1) 反滤设计规则 用土工织物作为工程的反滤层时，和天然材料反滤层的设计原理相同，必须满足以下三个基本原则要求： 1）保土性：被保护的土料在渗透水流作用下，土粒不得被水流带走，以防止管涌破坏。为了达到保土性，则要求土工织物的等效孔径O95和被保护土的特征粒径d85应满足以下关系： O95 Bd85 （5-56） 式中：O95土工织物的等效孔径（mm）； d85土的特征粒径，表示土中粒径小于该值的颗粒占土总质量的85%。 B系数，按工程经验可取1-2，,第十一节 土工合成材料应用,当土中细粒含量大及为往复水流时取小值。2）透水
39、性：即保证渗透的水能通过反滤及时顺畅排走。一般情况下，土工织物的透水性应符合下式要求： KgAKs （5-57）式中：Kg土工织物渗透系数（cm/s），应按其垂直渗透系数Kv确定； Ks土的渗透系数（cm/s）； A系数，按工程经验确定，不宜小于10。 3）防堵性：为了防止土工织物在长期工作中被土体中的细小颗粒堵塞，使反滤效果下降或失效，则要求土工织物应满足以下要求：,淤堵实验装置1进水口 3溢水管 5土样 6土工织物,第十一节 土工合成材料应用,O953d15 （5-58） GR3 （5-59）式中：d15被保护土的特征粒径（mm）； GR标准淤堵试验的梯度比。式（5-58）适用于土体级配良
40、好，水力梯度小，流态稳定，修理简单且费用小的情况。式（5-59）适用于被保护土的Ks10-5cm/s，易管涌，具有分散性，水力梯度高，流态复杂，修理费用高的情况。(2) 设计步骤1）确定被保护土体的原始指标，通过相关试验确定被保护土体的特征粒径值如d15、d10、d60、d85等，确定其渗透系数Kv，Kh等值。,第十一节 土工合成材料应用,2）选定合适的土工织物，根据式（5-57）、（5-58）、（5-59）选择待选的土工织物的品种、型号。必要时应进行室内试验。 2、排水设计（1）土工织物排水设计在水利工程中，反滤层的下游侧均需布置排水，以便快速将渗水排走，减少渗压力。另外，有些场合只设置排水
41、系统。如软土地基排水，挡墙背面的排水等，利用土工合成材料代替天然材料的排水，具有施工简便，缩短工期，节约费用等特点。排水设计的主要任务是将全部渗水及时导走，保证排水区的水位不影响结构的功能正常发挥。,第十一节 土工合成材料应用,土工织物排水的设计步骤如下：1）根据地质、水文等资料确定土体的各项参数，计算需排出的渗水量及水体的化学成份。2）提供待选土工织物的厚度、有效孔径O95、水平和垂直渗透系数等参数。3）先按反滤设计的准则选择的土工合成材料，然后对其排水能力进行校核。土工织物的导水率Qa和结构渗水要求的导水率Q可用下式表示r： Qa=Kh （5-60） Qr=q/i （5-61）式中： 土工
42、织物在预计现场压力作用下的厚度（cm）； Kh土工织物水平渗径系数（cm/s）；,第十一节 土工合成材料应用,q预估或计算的单宽来水量（cm3/m）； i土工织物首末端的平均水力梯度。则待选的土工织物应满足下式要求： （5-62） 式中：Fs安全系数，可取35，重要工程取大值。 当土工织物铺在坡面上时，应进行稳定验算，并对土工织物表层应进行防护。（2）塑料排水带排水设计 利用排水带进行软土地基的地基固结处理时，其原理和利用砂井是相同的。只是将砂井用塑料排水带替代。排水带在平面上的布置可,第十一节 土工合成材料应用,按三角形或正方形，布置间距和插入软基中的深度应根据地基固结的时间等要求计算确定。
43、排水带地基设计方法与传统的砂井地基设计方法相同。计算时，将排水带断面转化为当量砂井直径即可。一般情况下，可按下式进行计算： （5-63）式中：b塑料排水带的宽度（cm）； 塑料排水带的厚度（cm）； dw塑料排水带的转化当量砂井直径（cm）。 排水带地基表面应用洁净的中、粗砂铺设砂垫层，垫层厚度应大于400mm。排水带的,第十一节 土工合成材料应用,上端应伸入砂层内，其伸入长度应大于400mm，并与砂垫层相贯通，以利顺畅排出渗水。 另外，由于塑料排水带或砂井在施工时，会引起地基土的扰动，这种扰动作用称涂抹作用，它会降低土体的透水性。同时，塑料排水带或砂井的导水能力需要在一定的水头差作用下才起作
44、用，砂井或排水带导水能力的有限性称为井阻。对涂抹和井阻对渗透固结有一定的影响，可进行专门计算。一般情况下，考虑方法是将理想状态下计算的结果（平均固结度）乘以0.8-0.95的系数。,第十一节 土工合成材料应用,（3）土工织物及排水带的施工要求 1）场地平整：应将铺设场地进行平整，坡面平顺，清理场地上的杂物，必要时应在土工织物下铺设砂砾石垫层。 2）备料及铺设：将预铺材料铺展，对孔洞等损坏处进行修补，窄幅进行接缝，制成利于施工块料。铺设时，应与土面铺贴严密，布体平顺。相邻片搭接宽度大于300mm，不平整面、软土和水下铺设应适当增大搭接宽度,并应随铺随压重。排水带施工时，应先划线定位，垂直插入。平
45、面间误差应在150mm，垂直度不应大于1.5%，插设深度应达到设计深度，并采取防止发生回带的措施。施工完毕后，对排水带的,第十一节 土工合成材料应用,三、防渗设计 工程实践证明，利用土工材料合成料进行防渗防漏，具有防渗效果好、工程量小、施工简单、造价低廉等特点，可考虑用土工合成材料做防渗的工程包括：土石堤、坝的心斜墙防渗体，地基垂直防渗墙及水平铺盖；堆石坝、碾压混凝土坝的上游面防渗体；渠道、蓄水池（塘）、水库的防渗衬砌，水闸、水工隧洞的防渗体；施工围堰、河道截潜流、土坝加高防渗；地铁、地下室、隧道的防渗衬砌，尾矿坝、废料场等。,第十一节 土工合成材料应用,1、土工膜选择及其防渗结构设计（1）土
46、工膜选择 用于防渗的土工合成材料主要有土工膜、复合土工膜、土工织物膨润土垫等。选用PE土工膜时其应满足以下技术指标要求：密度900kg/m3；破坏拉应力12MPa；断列伸长率300%；弹性模量（5）不应低于70MPa；抗冻性不低于60，撕裂强度40N/mm；抗渗强度在1.05MPa水压下48h不渗水；渗透系数10-11cm/s。供饮用水的工程或其它有卫生性能要求的土工膜还应符合GB9687-88食品包装用聚乙烯成型品卫生标准。,第十一节 土工合成材料应用,当土工膜无保护层或保护层较薄时，宜选用黑色或加防老化添加剂的土工膜。在芦苇等穿透性植物丛生地区，需膜下排水及提高保护层稳定性的工程，不宜选用薄土工膜。可选用PE复合土工膜或在膜下铺设土工织物。（2）土工膜防渗结构设计 为了有效保护土工膜防渗体的正常工作，土工膜防渗结构应包括：上面防护层、上垫层、下垫层、下部支持层等几部分。 1）防护层可用压实土料，砂砾料、水泥砂浆、砌石、混凝土板块等材料，应根据工程类别、重要性及实际工作环境条件等确定。,
