土石坝的静动力分析1

1、个个 人人 介介 绍绍 徐艳杰：河川枢纽研究所徐艳杰：河川枢纽研究所 副教授副教授 l 主要研究方向：主要研究方向： - - 高坝静动力分析与破损机理研究高坝静动力分析与破损机理研究 - - 高拱坝抗震加固方法高拱坝抗震加固方法 - - 结构地基相互作用理论与数值方法结构地基相互作用理论与数值方法 - - 高坝地基整体稳定与变形分析理论高坝地基整体稳定与变形分析理论 l 联系方式：联系方式： 办公室：新水利馆办公室：新水利馆205205室室 电话：电话： 6278 627822912291（o o）；）；1380133806813801338068 Email: Email: 土石坝的静动力分

2、析土石坝的静动力分析 一、综述一、综述 二、土石坝的渗流分析二、土石坝的渗流分析 三、岩土材料本构模型三、岩土材料本构模型 四、土石坝的变形分析四、土石坝的变形分析 五、土石坝的抗震五、土石坝的抗震 六、课程讨论和总结六、课程讨论和总结 一、综述一、综述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 第一章第一章 综述综述 综综 述述 F土石坝发展历史简介土石坝发展历史简介 F土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 F土石坝静力分析的内容土石坝静力分析的内容 F土石坝动力分析的内容土石坝动力分析的内容 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝的发展历史简介土石坝的发展历史简介 F 土石坝是最古老的坝型，

3、直到土石坝是最古老的坝型，直到1616世纪世纪 末出现重力坝，是唯一的坝型。末出现重力坝，是唯一的坝型。 F 1824 1824年硅酸盐水泥发明。混凝土重力年硅酸盐水泥发明。混凝土重力 坝在坝在1919世纪后半叶逐渐取得优势。世纪后半叶逐渐取得优势。 20 20世纪前半叶为混凝土坝时代。世纪前半叶为混凝土坝时代。 F 1940 1940年后，土石坝的建设重新活跃，年后，土石坝的建设重新活跃， 近年更有超过混凝土坝的趋势。近年更有超过混凝土坝的趋势。 第一章第一章 综述综述 1.1 1.1 土石坝发展历史简介土石坝发展历史简介 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝的发展历史简介土石坝的发展

4、历史简介 第一章第一章 综述综述 1.1 1.1 土石坝发展历史简介土石坝发展历史简介 全世界高坝全世界高坝( (H1100m)m)中土石坝比例变化中土石坝比例变化 220世纪世纪50年代以来土石坝得到飞速发展年代以来土石坝得到飞速发展 原因：原因：施工机械与技术的提高施工机械与技术的提高 现代土力学理论的发展现代土力学理论的发展 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝的发展历史简介土石坝的发展历史简介 第一章第一章 综述综述 1.1 1.1 土石坝发展历史简介土石坝发展历史简介 中国目前大坝中国目前大坝( (H115m)m)超过超过77万座，万座， 其中其中95% %为土石坝为土石坝 仁

5、者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝的发展历史简介土石坝的发展历史简介 第一章第一章 综述综述 1.1 1.1 土石坝发展历史简介土石坝发展历史简介 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝的发展历史简介土石坝的发展历史简介 第一章第一章 综述综述 1.1 1.1 土石坝发展历史简介土石坝发展历史简介 斜心墙 Ro ogu un斜心墙土石坝，坝高斜心墙土石坝，坝高33335m m，未建成，未建成 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝的发展历史简介土石坝的发展历史简介 第一章第一章 综述综述 1.1 1.1 土石坝发展历史简介土石坝发展历史简介 Nurek土坝土坝 坝高坝高317m3

6、17m 世界最高坝世界最高坝 心墙 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝的发展历史简介土石坝的发展历史简介 第一章第一章 综述综述 1.1 1.1 土石坝发展历史简介土石坝发展历史简介 Aswan堆石坝堆石坝 建于埃及尼罗河建于埃及尼罗河 坝高坝高111m 库容库容1689亿亿m3 第四大人工湖第四大人工湖 装机装机210万万kW 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝的发展历史简介土石坝的发展历史简介 265 175.8 B A B A A C D 225 230 252.49 237.39 268.75 307.44 284.37 214 RCC围堰 333.52 D 405 3

7、80 409 368.20 第一章第一章 综述综述 1.1 1.1 土石坝发展历史简介土石坝发展历史简介 水布垭面板堆石坝水布垭面板堆石坝 坝高坝高233m 在建的世界最高在建的世界最高 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝的发展历史简介土石坝的发展历史简介 第一章第一章 综述综述 1.1 1.1 土石坝发展历史简介土石坝发展历史简介 灌浆帷幕,深100m Serre-Poncon土石坝土石坝 坝高坝高129m 建于法国建于法国Durance河河 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝的发展历史简介土石坝的发展历史简介 第一章第一章 综述综述 1.1 1.1 土石坝发展历史简介土石坝

8、发展历史简介 斜墙 密云水库白河主坝密云水库白河主坝 右岸有进水塔和右岸有进水塔和 下游泄洪洞出口下游泄洪洞出口 坝高坝高66m 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝的发展历史简介土石坝的发展历史简介 第一章第一章 综述综述 1.1 1.1 土石坝发展历史简介土石坝发展历史简介 狮子滩堆石坝，上游为块石混凝土坝体，坝高狮子滩堆石坝，上游为块石混凝土坝体，坝高52m 上游坡上游坡1：0.3 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝的发展历史简介土石坝的发展历史简介 第一章第一章 综述综述 1.1 1.1 土石坝发展历史简介土石坝发展历史简介 碧口土坝，高碧口土坝，高101m 可看见右侧的

9、过木道、可看见右侧的过木道、 溢洪道和溢洪道和 泄洪洞进水塔泄洪洞进水塔 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 美国美国1950年代前年代前 土石坝溃坝统计土石坝溃坝统计 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 我国已建水库和我国已建水库和 溃坝水库分布图溃坝水库分布图 （截至（截至1980年底）年底） 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故

10、回顾 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 我国溃坝水库我国溃坝水库 统计资料分析统计资料分析 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 土土 石石 坝坝 事事 故故 原原 因因 及及 发发 展展 过过 程程 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 渗透破坏渗透破坏: :青海沟后水库溃口青海沟后水库溃口 建于建于19891989年年 高高7171米米 长长265265米米 19931993年年8 8月月 2727日垮坝日垮坝 死死300300余人余人

11、 坝体溃口坝体溃口 （下游视图）（下游视图） 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 渗透破坏渗透破坏 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 渗透破坏渗透破坏: :青海沟后水库溃口青海沟后水库溃口 坝体溃口坝体溃口 （上游视图）（上游视图） 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 渗透破坏渗透破坏 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 渗透破坏渗透破坏: :青海沟后水库溃口青海沟后水库溃口 坝体溃口坝体溃口 （上游视图）（上游视图） 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 渗透破坏渗透

12、破坏 1. 面板溃决口(残留面板顶部) 2. 下游坝体溃决口; 3. 坝下游周边轮廓线 4. 上坝公路 0 0 管涌孔洞 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 渗透破坏渗透破坏: :青海沟后水库溃口青海沟后水库溃口 坝体溃口坝体溃口 （上游视图）（上游视图） 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 渗透破坏渗透破坏 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 渗透破坏渗透破坏: :青海沟后水库溃口青海沟后水库溃口 坝体溃口坝体溃口 （上游视图）（上游视图） 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 渗透破坏渗透破坏 非漫顶破坏非漫

13、顶破坏 非基础渗透破坏非基础渗透破坏 非两岸绕渗破坏非两岸绕渗破坏 起因：钢筋混凝土面板漏水起因：钢筋混凝土面板漏水 发展：坝体排水不畅发展：坝体排水不畅 人为因素：技术管理不善人为因素：技术管理不善 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 渗流破坏渗流破坏-Teton-Teton坝（美国）坝（美国） 概况：概况： 土坝，高土坝，高93m93m，长，长1000m1000m， 建于建于1972-751972-75年，年，19761976年年6 6 月失事月失事 损失：损失： 直接直接80008000万美元，起诉万美元，起诉 55005500起，起，2.52.5亿美元，死亿美元，死1414 人，受灾人

14、，受灾2.52.5万人，万人，6060万亩万亩 土地，土地，3232公里铁路公里铁路 原因：原因： 渗透破坏冲蚀渗透破坏冲蚀 水力劈裂水力劈裂 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 渗透破坏渗透破坏 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 Teton坝渗流破坏过程坝渗流破坏过程 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 1976年年6月月5 日上午日上午10:30 左右，下游左右，下游 坝面有水渗坝面有水渗 出并带出泥出并带出泥 土土 Teton坝渗流破坏过程坝渗流破坏过程 第一章第一章

15、 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 11：00左左 右洞口不断右洞口不断 扩大并向坝扩大并向坝 顶靠近，泥顶靠近，泥 水流量增加水流量增加 Teton坝渗流破坏过程坝渗流破坏过程 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 11:30 洞口继续向上洞口继续向上 扩大，泥水冲扩大，泥水冲 蚀了坝基，主蚀了坝基，主 洞的上方又出洞的上方又出 现一渗水洞。现一渗水洞。 流出的泥水开流出的泥水开 始冲击坝趾处始冲击坝趾处 的设施的设施 Teton坝渗流破坏过程坝渗流破

16、坏过程 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 11：50左右左右 洞口扩大加洞口扩大加 速，泥水对速，泥水对 坝基的冲蚀坝基的冲蚀 更加剧烈更加剧烈 Teton坝渗流破坏过程坝渗流破坏过程 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 11:57 坝坡坝坡 坍塌，泥水坍塌，泥水 狂泻而下狂泻而下 Teton坝渗流破坏过程坝渗流破坏过程 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 12

17、：00过后过后 坍塌口加宽坍塌口加宽 Teton坝渗流破坏过程坝渗流破坏过程 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 洪水扫过下游谷底，附洪水扫过下游谷底，附 近所有设施被彻底摧毁近所有设施被彻底摧毁 Teton坝渗流破坏过程坝渗流破坏过程 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 失事现场目前的状况失事现场目前的状况 Teton坝渗流破坏过程坝渗流破坏过程 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 仁者乐山仁者乐

18、山 智者乐水智者乐水 失事原因研究结论失事原因研究结论 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 被被 洪洪 水水 冲冲 垮垮 后后 的的 板板 桥桥 大大 坝坝 漫顶溃坝板桥水库漫顶溃坝板桥水库 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 漫顶溃坝板桥水库漫顶溃坝板桥水库 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 坝顶和防浪墙坝顶和防浪墙 被破坏的京广铁路被破坏的京广铁路 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 漫顶溃坝

19、板桥水库漫顶溃坝板桥水库 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 概况：概况： 重粉质粘土厚心墙砂砾石坝，高重粉质粘土厚心墙砂砾石坝，高24m24m，长，长2020m2020m，库容，库容4.94.9亿亿m m3 3，19521952年建成年建成 “75.875.8暴雨暴雨”造成洪水漫顶，大坝溃决。造成洪水漫顶，大坝溃决。 损失：损失： 溃坝历时溃坝历时8.5h8.5h，洪水漫流，洪、沙、颖、汝河连成一片，河面宽，洪水漫流，洪、沙、颖、汝河连成一片，河面宽150km150km， 淹没农田淹没农田11001100万亩，受灾人口万亩，受灾人口11901190万

20、，死亡人数超过万，死亡人数超过2.62.6万，经济损失近百亿万，经济损失近百亿 元元 原因：原因： 设计洪水标准偏低洪水漫坝设计洪水标准偏低洪水漫坝 实际洪峰流量实际洪峰流量1300013000m3/s/s（设计（设计50835083m3/s/s） 三天面雨量三天面雨量1007.5mm1007.5mm，三天洪水总量，三天洪水总量6.976.97亿亿m m3 3 教训：教训： 慎重对待洪水分析；严格执行水库调度规则慎重对待洪水分析；严格执行水库调度规则 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 漫顶溃坝石漫滩水库漫顶溃坝石漫滩水库 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事

21、故回顾 概况：概况： 粉质粘土均质坝，高粉质粘土均质坝，高25m25m，长，长500m500m，库容，库容0.920.92亿亿m m3 3，19521952年建成年建成 “75.875.8暴雨暴雨”造成洪水漫顶，大坝溃决。造成洪水漫顶，大坝溃决。 原因：原因： 水文系列短，设计洪水标准偏低洪水漫坝水文系列短，设计洪水标准偏低洪水漫坝 最大溃坝流量最大溃坝流量3000030000m3/s/s（设计仅为（设计仅为37.5%37.5%） 教训：教训： 慎重对待洪水分析；水库群的联合防洪调度问题慎重对待洪水分析；水库群的联合防洪调度问题 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 心墙渗透破坏心墙渗透破坏Mu

22、d Mountain 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 概况：概况： 冰碛土与砂砾料混合心墙坝，高冰碛土与砂砾料混合心墙坝，高110m110m，194119414848年建成，当时世界最高年建成，当时世界最高 破坏：破坏： 心墙与过渡层间出现裂缝，导致坝体渗漏心墙与过渡层间出现裂缝，导致坝体渗漏 加固：加固： 心墙中打设混凝土防渗墙（心墙中打设混凝土防渗墙（19901990年）年）细粒料含量少的砂砾石做心墙？细粒料含量少的砂砾石做心墙？ 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 滑坡失事七一水库滑坡失事七一水库 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石

23、坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 概况：概况： 粘土心墙（实际：均质）坝，高粘土心墙（实际：均质）坝，高50m50m，长，长400m400m，库容，库容1.91.9亿亿m m3 3，19521952年建成年建成 “75.875.8暴雨暴雨”造成洪水漫顶，大坝溃决。造成洪水漫顶，大坝溃决。 事故：事故： 1972.11.81972.11.8，为加高土坝，增建泄水隧洞，进行进口岩塞爆破时，事先未安装，为加高土坝，增建泄水隧洞，进行进口岩塞爆破时，事先未安装 动水关闭的闸门，水库水位降速过快（动水关闭的闸门，水库水位降速过快（1.954m/d1.954m/d）, ,最大降幅最大降幅23m23m，导致

24、上游，导致上游 坡滑坡坡滑坡 原因：原因： 库水骤降，上游坝壳渗透系数太小，导致瞬时不稳定浸润线太高库水骤降，上游坝壳渗透系数太小，导致瞬时不稳定浸润线太高 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 地震破坏陡河土坝地震破坏陡河土坝 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 概况：概况： 轻中壤土均质坝，高轻中壤土均质坝，高22m22m，长，长1700/4415m1700/4415m，库容，库容1.91.9亿亿m m3 3，19561956年建成年建成 震害：震害： 距唐山地震震中距唐山地震震中19km19km，烈度，烈度9 9度。主坝某坝段地基喷水冒砂，大坝严重

25、破坏，有滑坡度。主坝某坝段地基喷水冒砂，大坝严重破坏，有滑坡 和宽而深的纵横裂缝及暗缝，有较大的竖向和水平位移，防浪墙倒塌，坝身左右扭曲、和宽而深的纵横裂缝及暗缝，有较大的竖向和水平位移，防浪墙倒塌，坝身左右扭曲、 上下起伏。上下起伏。 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 地震破坏蒲野泽坝地震破坏蒲野泽坝 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 概况：概况： 筑坝材料为火山灰质砂壤土筑坝材料为火山灰质砂壤土 坝高低于坝高低于20m20m 震害：震害： 1968.51968.5，十胜冲地震，十胜冲地震，7.97.9级级 坝体干密度低（坝体干密度低（0.9-1

26、.18g/cm0.9-1.18g/cm3 3），）， 震前震前4 4天连续降雨，坝体含水量高，天连续降雨，坝体含水量高， 导致滑坡溃坝。导致滑坡溃坝。 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 地震破坏地震破坏San Fernando坝坝 第一章第一章 综述综述 1.2 1.2 土石坝破坏事故回顾土石坝破坏事故回顾 概况：概况： 下坝：坝高下坝：坝高42.7m42.7m，水力充填坝，水力充填坝， 19121912年修建年修建 坝基含有厚坝基含有厚10m10m的砂和硬粘土的砂和硬粘土 震害：震害： 1971.21971.2，San FernandoSan Fernando地震，地震，6.66.6级级

27、饱和砂土液化导致坝体发生大规模饱和砂土液化导致坝体发生大规模 塌滑，但幸免漫顶塌滑，但幸免漫顶 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝的静力分析土石坝的静力分析 F 渗流及渗流稳定分析渗流及渗流稳定分析 F 沉降分析沉降分析 F 力学稳定分析力学稳定分析 F 应力应变分析应力应变分析 第一章第一章 综述综述 1.3 1.3 土石坝静力分析的主要内容土石坝静力分析的主要内容 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝的动力分析土石坝的动力分析 F 国内外土石坝震害评估国内外土石坝震害评估 F 高土石坝抗震若干关键问题高土石坝抗震若干关键问题 F 土石坝动力稳定性分析方法土石坝动力稳定性分析方

28、法 F 土石坝抗震设计与抗震加固土石坝抗震设计与抗震加固 第一章第一章 综述综述 1.4 1.4 土石坝动力分析的主要内容土石坝动力分析的主要内容 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝的静动力分析土石坝的静动力分析 一、综述一、综述 二、土石坝的渗流分析二、土石坝的渗流分析 三、岩土材料本构模型三、岩土材料本构模型 四、土石坝的变形分析四、土石坝的变形分析 五、土石坝的抗震五、土石坝的抗震 六、课程讨论和总结六、课程讨论和总结 二、土石坝的渗流分析二、土石坝的渗流分析 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 F概述概述- -渗流分析的目的、方法渗流分析的目的

29、、方法 F广义达西定律广义达西定律 F稳定渗流的数学描述稳定渗流的数学描述 F非稳定渗流的数学描述非稳定渗流的数学描述 F稳定渗流有限元计算稳定渗流有限元计算 F非稳定渗流有限元计算非稳定渗流有限元计算 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 F渗流分析的目的渗流分析的目的 F渗流分析方法渗流分析方法 土石坝渗流分析概述土石坝渗流分析概述 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.1 2.1 概述概述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 - - 混凝土面板混凝土面板 - - 垫层料、过渡料垫层料、过渡料 - - 主堆石料主堆石料 - - 次

30、堆石料次堆石料 - - 软岩料软岩料 - - 防浪墙防浪墙 F面板堆石坝的材料分区面板堆石坝的材料分区 和功能？和功能？ 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.1 2.1 概述概述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 F确定坝体浸润线的位置确定坝体浸润线的位置, ,绘制坝体和坝基内的流网绘制坝体和坝基内的流网 F确定坝体和坝基的渗流量确定坝体和坝基的渗流量 F确定渗流在坝体和坝基逸出处的渗透梯度以及在确定渗流在坝体和坝基逸出处的渗透梯度以及在 不同土层交界处的渗透梯度不同土层交界处的渗透梯度, ,以判断土体是否渗透以判断土体是否渗透 稳定稳定 F库水位骤降时库水位骤降时, ,确定

31、上游坝壳或斜墙内的浸润线的确定上游坝壳或斜墙内的浸润线的 位置和孔隙水压力位置和孔隙水压力 F计算坝头岸坡内的绕坝渗流计算坝头岸坡内的绕坝渗流, ,确定坝体和岸基内的确定坝体和岸基内的 浸润面浸润面 土石坝渗流分析的目的土石坝渗流分析的目的 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.1 2.1 概述概述 渗流分析的目的渗流分析的目的 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 对各种荷载组合情况对各种荷载组合情况, ,都要进行渗流计算。渗流计算都要进行渗流计算。渗流计算 可采用可采用: : F水力学方法水力学方法：简便实用，用于：简便实用，用于I I、IIII级坝和高级坝和高 坝的初设以及坝

32、的初设以及IIIIII、IVIV级坝的初设和技设阶段级坝的初设和技设阶段 F手画流网法手画流网法：简便快捷，足够精度较好，可分：简便快捷，足够精度较好，可分 析较复杂断面的渗流问题析较复杂断面的渗流问题 F电比拟试验法电比拟试验法：利用电流场来模拟渗流场，简：利用电流场来模拟渗流场，简 便、直观，可以用于二维问题和三维问题便、直观，可以用于二维问题和三维问题 F数值解法数值解法：有限元、有限差、边界元，下面详：有限元、有限差、边界元，下面详 细介绍有限元法细介绍有限元法 渗流分析的方法渗流分析的方法 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.1 2.1 概述概述 渗流分析的方法渗流分

33、析的方法 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 广义达西定律广义达西定律 F渗流的驱动能渗流的驱动能- -水头水头 F达西定律及其物理意义达西定律及其物理意义 F达西定律的适用范围达西定律的适用范围 F广义达西定律广义达西定律 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.2 2.2 广义达西定律广义达西定律 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 g2 vu zh 2 w w u zh n 总水头：总水头：单位重量水体所具有的能量单位重量水体所具有的能量 位置水头位置水头Z Z：水体的位置势能（任选基准面）：水体的位置势能（任选基准面） 压力水头压力水头u/ w：水体的压力势能（：水体的压力

34、势能（u孔隙水压力）孔隙水压力） 流速水头流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流：水体的动能（对渗流多处于层流0） n 渗流的总水头：渗流的总水头： 渗流问题的驱动能渗流问题的驱动能- -水头水头 也称测管水头，是渗流的总驱动能，也称测管水头，是渗流的总驱动能， 渗流总是从水头高处流向水头低处渗流总是从水头高处流向水头低处 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.2 2.2 广义达西定律广义达西定律 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 土中水的势能：土中水的势能： F重力势重力势 g g F压力势压力势 p p 重力势重力势为水的势能，单位体为水的势能，单位体 积水的

35、重力势可表示为：积水的重力势可表示为： 其中，其中，z z为所考虑点相对于为所考虑点相对于 基准面的竖向距离，在基准基准面的竖向距离，在基准 面以上取正值，之下取负值。面以上取正值，之下取负值。 wg z 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.2 2.2 广义达西定律广义达西定律 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 压力势由所受到的压力所决定，压力势由所受到的压力所决定， 某点的压力势可以用与该点连通某点的压力势可以用与该点连通 的测压管中的水位确定。可分：的测压管中的水位确定。可分： h 等势线等势线 h F h 静水压力势静水压力势 超静水压力势超静水压力势 渗流压力势渗流压

36、力势 土中水的势能：土中水的势能： F重力势重力势 g g F压力势压力势 p p 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.2 2.2 广义达西定律广义达西定律 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 达达 西西 定定 律律 L A h1 h2 Q Q L )h(hAk Q 21 ik A Q v v v : : 整个断面上的平均流速（整个断面上的平均流速（m/sm/s） v vs s : : 孔隙平均流速（孔隙平均流速（m/sm/s） i : i : 渗透坡降渗透坡降 k k : : 渗透系数渗透系数 （m/sm/s） n V v s 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析

37、2.2 2.2 广义达西定律广义达西定律 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 渗透系数的物理意义渗透系数的物理意义 圆管中或平板间的层流运动：圆管中或平板间的层流运动： iRCv w 2 H2 v 其中其中: :C C1 1: : 形状因素，反映土的层次结构、颗粒形状、排列方式和级配等形状因素，反映土的层次结构、颗粒形状、排列方式和级配等 R RH H: : 平均的水力半径，通常用土体的代表粒径来表示平均的水力半径，通常用土体的代表粒径来表示 : : 流体的性质流体的性质 w 土体孔隙中的层流运动土体孔隙中的层流运动 （不规则的形状）（不规则的形状） ik A Q v w 2 H1 RnCk

38、第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.2 2.2 广义达西定律广义达西定律 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 l渗透流体的压力渗透流体的压力 l温度温度 l流体内电解质的浓度流体内电解质的浓度 l水中含有封闭小气泡时，会对其渗透性产生很大影响水中含有封闭小气泡时，会对其渗透性产生很大影响 l在粘土中由于双电层的影响，电解质溶质的成分对其渗在粘土中由于双电层的影响，电解质溶质的成分对其渗 透性起重要作用透性起重要作用 l溶液中盐含量提高（或价位提高），渗透系数加大，这溶液中盐含量提高（或价位提高），渗透系数加大，这 与粘土中结合水膜的厚度有关与粘土中结合水膜的厚度有关 流体性质流

39、体性质 F组成：组成：粘土：粘土：不同粘土矿物渗透系不同粘土矿物渗透系 数相差极大，渗透性高岺石数相差极大，渗透性高岺石 伊里石伊里石 蒙脱石蒙脱石 ；片状颗粒会使渗透系数；片状颗粒会使渗透系数 呈各向异性。呈各向异性。砂土：砂土：颗粒大小、形颗粒大小、形 状和级配状和级配 F状态：状态：随孔隙比随孔隙比e e减小而减小减小而减小 F结构结构: :对于粘性土的渗透系数影响很对于粘性土的渗透系数影响很 大。如果粘性土先形成粒组、团粒大。如果粘性土先形成粒组、团粒 结构，则团粒间的大孔隙决定了渗结构，则团粒间的大孔隙决定了渗 透性，使其渗透性明显加大透性，使其渗透性明显加大 饱和曲线饱和曲线 含水

40、量含水量 w Wop 干容重干容重 d max 1 含水量含水量 w 渗透系数渗透系数 k 絮状结构絮状结构 分散结构分散结构 土颗粒骨架性质土颗粒骨架性质 渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.2 2.2 广义达西定律广义达西定律 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 达西定律达西定律 适用范围适用范围 2.0 1.5 1.0 0.5 0 水力坡降水力坡降 流速流速 (m/h) 砾石砾石 粗砂粗砂 中砂中砂 细砂细砂 极细砂极细砂 对粗粒土，孔隙中流速大对粗粒土，孔隙中流速大 时可呈紊流状态，渗流不

41、时可呈紊流状态，渗流不 再服从达西定律。可用雷再服从达西定律。可用雷 诺数判断诺数判断 ： Re5时层流时层流 Re200时紊流时紊流 200Re5时为过渡区时为过渡区 10 e dv R 达西定律的适用条件达西定律的适用条件 流体处于层流流体处于层流牛顿流体牛顿流体 有效孔隙不变有效孔隙不变 牛顿流体牛顿流体 非牛顿流体非牛顿流体 宾哈姆体宾哈姆体 F流体的流变方程符合牛流体的流变方程符合牛 顿定律顿定律 ：剪应变速率：剪应变速率 和剪应力成正比和剪应力成正比 F土中参加渗流的自由水土中参加渗流的自由水 的单位含量不变，土体的单位含量不变，土体 的结构必须牢固，土体的结构必须牢固，土体 孔隙

42、的大小和形状不变孔隙的大小和形状不变 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.2 2.2 广义达西定律广义达西定律 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 广义达西定律（广义达西定律（1 1） zzzyzyxzxz zyzyyyxyxy zxzyxyxxxx ikikikv ikikikv ikikikv ik L H kv n 设水头函数为：设水头函数为： n 达西定律（一维）：达西定律（一维）： n 三维各向异性介质：三维各向异性介质： 其中，其中， z H i, y H i, x H i zyx w p zH 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.2 2.2 广义达

43、西定律广义达西定律 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 vv为由其三个速度分为由其三个速度分 量组成的速度向量。对量组成的速度向量。对 各向同性材料，其方向各向同性材料，其方向 同水力坡降的方向一致，同水力坡降的方向一致， 但对于各向异性材料，但对于各向异性材料， 其方向同水力坡降的方其方向同水力坡降的方 向不相一致。向不相一致。 kk为渗透系数矩阵，其为渗透系数矩阵，其 坐标转换规则满足张量的坐标转换规则满足张量的 转换规则，因而也称渗透转换规则，因而也称渗透 系数张量。对于三维问题，系数张量。对于三维问题， kk共有共有9 9个分量，由于对个分量，由于对 称性称性k kij ij=k =k

44、ji ji， ，独立的分量独立的分量 共共6 6个。对各向同性材料个。对各向同性材料 有：有： k kxx xx=k =kyy yy=k =kzz zz=k =k k kxy xy=k =kyz yz=k =kxz xz=0 =0 ii为由其三个水力坡降为由其三个水力坡降 分量组成的水力坡降向分量组成的水力坡降向 量。对各向同性材料，量。对各向同性材料， 其方向同流速的方向一其方向同流速的方向一 致，但对于各向异性材致，但对于各向异性材 料，其方向同流速的方料，其方向同流速的方 向不相一致。向不相一致。 矩阵形式：矩阵形式： ikv 式中：式中： T zyx T zyx zzzyzx yzyy

45、yx xzxyxx iiii vvvv kkk kkk kkk k 广义达西定律（广义达西定律（2 2） 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.2 2.2 广义达西定律广义达西定律 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 广义达西定律广义达西定律 - - 特例特例 zz yy xx ikv ikv ikv n 各向同性介质各向同性介质 k00 0k0 00k k n 各向异性介质，各向异性介质， 三个坐标轴向为三个坐标轴向为 渗透主轴渗透主轴 zzz yyy xxx ikv ikv ikv z y x k00 0k0 00k k 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.2

46、 2.2 广义达西定律广义达西定律 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 稳定渗流的数学描述稳定渗流的数学描述 F稳定渗流的连续性方程稳定渗流的连续性方程 F稳定渗流的运动方程稳定渗流的运动方程 F稳定渗流的边界条件稳定渗流的边界条件 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.3 2.3 稳定渗流数学描述稳定渗流数学描述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 稳定渗流的连续性方程稳定渗流的连续性方程 dx dz vx dx x v v x x vy dy y v v y y vz dz z v v z z 单位时间内流出、流入单元的水量差单位时间内流出、流入单元的水量差 x x向：向：d

47、zdydx x vx y y向：向：dzdydx y vy z z向：向： dzdydx z vz 不可压缩、稳定渗流不可压缩、稳定渗流 Q z v y v x v z y x Q 内源：内源：dzdydxQ 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.3 2.3 稳定渗流数学描述稳定渗流数学描述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 稳定渗流的运动方程稳定渗流的运动方程 F将广义达西定律代入连续方程可得各向异性土体将广义达西定律代入连续方程可得各向异性土体 不可压缩、稳定渗流的运动方程不可压缩、稳定渗流的运动方程 ： 0Q z H k y H k x H k z : z v z H k

48、 y H k x H k y : y v z H k y H k x H k x : x v zzzyzx z yzyyyx y xzxyxx x 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.3 2.3 稳定渗流数学描述稳定渗流数学描述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 稳定渗流的运动方程稳定渗流的运动方程 0Q z H k y H k x H k z z H k y H k x H k y z H k y H k x H k x zzzyzx yzyyyx xzxyxx 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.3 2.3 稳定渗流数学描述稳定渗流数学描述 仁者乐山仁者乐

49、山 智者乐水智者乐水 渗流运动方程的特例渗流运动方程的特例 0 z H k zy H k yx H k x zzyyxx F 均质各向同性介质均质各向同性介质 F各向异性介质，三个坐标轴向为渗透主轴：各向异性介质，三个坐标轴向为渗透主轴： 0 z H y H x H 2 2 2 2 2 2 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.3 2.3 稳定渗流数学描述稳定渗流数学描述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 渗流的边界条件渗流的边界条件 h1 h2 不透水层不透水层 F试给出图示土坝渗流试给出图示土坝渗流 问题问题完备完备的边界条件的边界条件 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝

50、的渗流分析 2.3 2.3 稳定渗流数学描述稳定渗流数学描述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 H1 H2 1 2 3 1 4 水头边界条件水头边界条件 在边界在边界 1 1上给定水头上给定水头 1 2 流速边界条件流速边界条件 在边界在边界 2 2上给定法向流速上给定法向流速 4 3 渗出面渗出面 在边界在边界 3 3上上H=zH=z，v vn n00 自由水面自由水面* * 在边界 在边界 4 4上上H=zH=z，v vn n=0=0 渗流的边界条件渗流的边界条件 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.3 2.3 稳定渗流数学描述稳定渗流数学描述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水

51、智者乐水 渗流的边界条件渗流的边界条件 F 不透水层上的流速：不透水层上的流速： 请思考对该段话的意见请思考对该段话的意见 有意见认为，在不透水边界上，由于存在水有意见认为，在不透水边界上，由于存在水 流的固壁效应，因此对渗流问题其流速边界流的固壁效应，因此对渗流问题其流速边界 条件为总流速为零，也即不仅条件为总流速为零，也即不仅v vn n=0=0，切向流，切向流 速也应为零速也应为零 v 不透水边界不透水边界 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.3 2.3 稳定渗流数学描述稳定渗流数学描述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 非稳定渗流的数学描述非稳定渗流的数学描述 F非稳

52、定渗流的连续性方程非稳定渗流的连续性方程 F非稳定渗流的运动方程非稳定渗流的运动方程 F非稳定渗流的边界条件非稳定渗流的边界条件 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.4 2.4 非稳定渗流数学描述非稳定渗流数学描述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 非稳定渗流的连续性方程非稳定渗流的连续性方程 Q t H S z v y v x v s z y x n 同稳定渗流差异：水头同稳定渗流差异：水头H H随时间随时间t t变化，单元内变化，单元内 1 1）孔隙水压缩造成水的密度发生变化）孔隙水压缩造成水的密度发生变化 2 2）单元土颗粒及孔隙体积变）单元土颗粒及孔隙体积变 )n(g

53、Ss 土颗粒的压缩性土颗粒的压缩性 水的压缩性水的压缩性 式中，式中， FSs称为单位贮存量（量纲称为单位贮存量（量纲1/L），表示对单位体积的饱和），表示对单位体积的饱和 土体，当下降土体，当下降1个单位水头时，由于土体压缩（个单位水头时，由于土体压缩（ g ）和）和 水的膨胀（水的膨胀（ gn ）等原因所释放出来的储存水量）等原因所释放出来的储存水量 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.4 2.4 非稳定渗流数学描述非稳定渗流数学描述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 非稳定渗流的运动方程非稳定渗流的运动方程 n 将广义达西定律代入连续方程可得各向异性土体将广义达西定律代

54、入连续方程可得各向异性土体 非稳定渗流的运动方程非稳定渗流的运动方程 ： 0Q t H S z H k y H k x H k z z H k y H k x H k y z H k y H k x H k x s zzzyzx yzyyyx xzxyxx 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.4 2.4 非稳定渗流数学描述非稳定渗流数学描述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 非稳定渗流的运动方程非稳定渗流的运动方程 n 对饱和土体当不考虑土体和水的可压缩性时，对饱和土体当不考虑土体和水的可压缩性时，S Ss s=0=0， 非稳定渗流的运动方程为非稳定渗流的运动方程为 ： 0Q

55、 z H k y H k x H k z z H k y H k x H k y z H k y H k x H k x zzzyzx yzyyyx xzxyxx 方程中不含时间项，同方程中不含时间项，同稳定渗流稳定渗流完全相同完全相同 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.4 2.4 非稳定渗流数学描述非稳定渗流数学描述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 h1 h2 非稳定渗流的边界条件非稳定渗流的边界条件 F试给出图示土坝在发生水位下降试给出图示土坝在发生水位下降 后非稳定渗流问题的边界条件后非稳定渗流问题的边界条件 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.4

56、2.4 非稳定渗流数学描述非稳定渗流数学描述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 h1 h2 1 2 3 1 4 水头边界条件水头边界条件 1 1上给定水头上给定水头 1 2 流速流速( (流量流量) )边界条件边界条件 2 2上给定法向流速上给定法向流速( (量量) ) 4 3 渗出面渗出面 3 3上上h=zh=z，v vn n00 自由水面自由水面* * 4 4上上h=zh=z，v vn n 0 0 非稳定渗流的边界条件非稳定渗流的边界条件 3 随时间运动的边界，同稳定渗流不同，自由随时间运动的边界，同稳定渗流不同，自由 水面不是流线，可作为流量边界条件处理。水面不是流线，可作为流量边界条

57、件处理。 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.4 2.4 非稳定渗流数学描述非稳定渗流数学描述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 非稳定渗流自由水面条件非稳定渗流自由水面条件 n 自由水面的流量边界自由水面的流量边界 条件：条件：土工原理与计算土工原理与计算 （钱家欢、殷宗泽）（钱家欢、殷宗泽） t t+dt vn d dt t h h*(t) 在在dtdt时段内，相当在时段内，相当在d d 内内 补充的水量：补充的水量： dcosdt t h cos t h v n 其中，其中， 为给水度，指水为给水度，指水 位发生变化时，由单位土位发生变化时，由单位土 体所吸收或释放出的

58、水量体所吸收或释放出的水量 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.4 2.4 非稳定渗流数学描述非稳定渗流数学描述 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 饱和稳定渗流有限元计算饱和稳定渗流有限元计算 F泛函与变分泛函与变分 F渗流有限元方程的建立渗流有限元方程的建立 F渗流有限元方程的物理意义渗流有限元方程的物理意义 F渗流有限元计算中的边界条件渗流有限元计算中的边界条件 F自由渗水面与渗出面处理自由渗水面与渗出面处理 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.5 2.5 稳定渗流有限元计算稳定渗流有限元计算 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 饱和稳定渗流问题描述饱和稳

59、定渗流问题描述 0Q z H k y H k x H k z z H k y H k x H k y z H k y H k x H k x zzzyzx yzyyyx xzxyxx n 运动方程：运动方程： n 边界条件：边界条件： 水头边界条件水头边界条件 在边界在边界 1 1上给定水头上给定水头 1 2 流速边界条件流速边界条件 在边界在边界 2 2上给定法向流速上给定法向流速 4 3 渗出面渗出面 在边界在边界 3 3上上H=zH=z，v vn n00 自由水面自由水面* * 在边界 在边界 4 4上上H=zH=z，v vn n=0=0 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析

60、2.5 2.5 稳定渗流有限元计算稳定渗流有限元计算 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者乐水 建立有限元方程的方法建立有限元方程的方法 F虚功原理：虚功原理： F变分原理：变分原理： F加权余量法：加权余量法： (Galerkin(Galerkin法法) ) 力学问题力学问题 力学问题力学问题 其它问题其它问题 最小位能原理最小位能原理 最小余能原理最小余能原理 微分方程的泛函微分方程的泛函 变分的泛函找不到或者根本变分的泛函找不到或者根本 不存在的情况不存在的情况 第二章第二章 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 2.5 2.5 稳定渗流有限元计算稳定渗流有限元计算 仁者乐山仁者乐山 智者乐水智者