土石坝第2部分

1、4-1一、土石坝渗流分析的目的（任务）：一、土石坝渗流分析的目的（任务）：1、确定坝体浸润线及其下游逸出点的位置，、确定坝体浸润线及其下游逸出点的位置，绘制坝体和坝基内的流网图，为稳定分析、应绘制坝体和坝基内的流网图，为稳定分析、应力应变分析及排水设备选择提供依据；力应变分析及排水设备选择提供依据；2、确定坝体与地基渗流量，以便估计水库渗、确定坝体与地基渗流量，以便估计水库渗漏损失并校核坝的排水尺寸；漏损失并校核坝的排水尺寸；3、确定渗在下游坝坡或地基出逸处的渗透坡、确定渗在下游坝坡或地基出逸处的渗透坡降以及渗流场内不同土层之间的渗透坡降，以降以及渗流场内不同土层之间的渗透坡降，以便验算抗渗稳

2、定性；便验算抗渗稳定性；4、确定库水位骤降时上游坝壳内自由水面位、确定库水位骤降时上游坝壳内自由水面位置，以便计算孔隙水压力，供上游坝坡稳定分置，以便计算孔隙水压力，供上游坝坡稳定分析用。析用。第四节第四节 渗流分析渗流分析4-2二、土石坝渗流计算的方法：二、土石坝渗流计算的方法：流网法；流网法；有限单元法；有限单元法；电拟试验法：电拟试验法：用电流场模拟渗流场，通过试验测定渗用电流场模拟渗流场，通过试验测定渗流流网。流流网。水力学方法：水力学方法： 在平面渗流条件下的一种近似方法，它用达在平面渗流条件下的一种近似方法，它用达西定律，并假定沿任一铅直过水断面内各点西定律，并假定沿任一铅直过水断

3、面内各点的渗透坡降相等。的渗透坡降相等。4-3不透水地基上矩形土体渗流问题的水力学不透水地基上矩形土体渗流问题的水力学解：解：假设渗流缓慢，沿任一铅直过水断面内各点的渗假设渗流缓慢，沿任一铅直过水断面内各点的渗透坡降透坡降J相等相等，k为渗流系数，则dxdyJLH1H2Oxyyi=04-4不透水地基上矩形土体渗流问题的水力学解：不透水地基上矩形土体渗流问题的水力学解：由达西定理得 （1） dxdykvydxdykyvqLkqHH22221LHHkq2)(2221xkqyH2221移项后得单宽流量表达式将（1）式从上游面（x=0，y=H1）到下游面（x=x，y=y）积分得浸润线方程将（1）式从上

4、游面（x=0，y=H1）到下游面（x=L，y=H2）积分得：4-5（一）不透水地基上土石坝的渗流计算（一）不透水地基上土石坝的渗流计算简化为平面问题分若干区，对每个区按连简化为平面问题分若干区，对每个区按连续条件求解。续条件求解。均质坝均质坝(1)下游无排水或设贴坡排水；下游无排水或设贴坡排水；(2)下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体排水且下游无水的情况；排水且下游无水的情况；(3)下游设有棱体排水且下游有水的情况。下游设有棱体排水且下游有水的情况。心墙坝心墙坝斜墙坝斜墙坝4-6 (1) (1)均质坝下游无排水或设贴坡排水均质坝下游无排水或设贴坡排水情况：

5、情况：不透水地基上不设排水或有贴坡排水的均质坝OxyMAEAH1bHnBBNF1:m11:m2Lt0LLBC4-7计算时将土坝断面分为三段：上游三角形段计算时将土坝断面分为三段：上游三角形段AFM（用高为（用高为H1，宽为，宽为L的矩形的矩形EOFA代替）、代替）、中间段中间段AFBB、下游三角形段、下游三角形段BBN，对每个，对每个区按连续条件求解。区按连续条件求解。将上游矩形将上游矩形EOFA和中间段和中间段AFBB合成一段合成一段EOBB，利用和矩形土体类似的方法（从，利用和矩形土体类似的方法（从（x=0,y=H1）到）到(x=L,y=a0+t)）积分，可得通过）积分，可得通过该区的渗流

6、量：该区的渗流量： (1)LtaHkq2)20211（)2/()(1221qyHkx浸润线方程为浸润线方程为 (2)4-8下游三角形段下游三角形段BBN属急变流，以下游水面为准属急变流，以下游水面为准作水平线，将其分为三角形作水平线，将其分为三角形BBC和梯形和梯形BNBC两部分，将流线近似视为水平线，按渐变渗流两部分，将流线近似视为水平线，按渐变渗流可得其单宽流量可得其单宽流量 (3)根据渗流连续性条件：根据渗流连续性条件：q=q1=q2，联立求解式，联立求解式(1)和和(3)，可求得，可求得a0及及q ，将，将q代入式（代入式（3）则可得浸）则可得浸润线方程并绘制浸润线。润线方程并绘制浸润

7、线。上游段上游段EA是不符合实际情况的应加以适当修正，是不符合实际情况的应加以适当修正，使浸润线上端在使浸润线上端在A处与坝面正交，在处与坝面正交，在A点与浸润点与浸润线相切，线相切，AAB曲线即为坝体浸润线。曲线即为坝体浸润线。 )ln1 (00202atamkaq4-9( (一一) )不透水地基上土石坝的渗流计算不透水地基上土石坝的渗流计算: :1(2)1(2)均质坝均质坝下游设有褥垫排水的情况或下下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体排水且下游无水的情况游设有棱体排水且下游无水的情况:不透水地基上设褥垫排水或棱体排水且下游无水的均质坝OxyMAEAH1bF1:m11:m2LCDBLl l1

8、=he/24-10计算时将浸润线近似看作是以排水起点计算时将浸润线近似看作是以排水起点D为焦点且通过为焦点且通过E点的抛物线；由于排水设点的抛物线；由于排水设施中渗透系数远大于坝体渗透系数，可施中渗透系数远大于坝体渗透系数，可认为排水体内无渗流水头损失。认为排水体内无渗流水头损失。设设C点的坐标为（点的坐标为（L+he/2,0）,利用抛物线利用抛物线上各点到焦点上各点到焦点D（L，0）的距离与到准）的距离与到准线（线（x=L+ he/2+ he/2）的距离相等的原）的距离相等的原则，可得浸润线方程（则，可得浸润线方程（1） (1)xhhyLee2224-11(2)(2)均质坝均质坝下游设有褥垫

9、排水的情况或下游设下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体排水且下游无水的情况有棱体排水且下游无水的情况:由于浸润线过由于浸润线过E点（点（0，H1），代入式（），代入式（1）可得）可得he：LHLhe212LhHkqe2)(221xkqyH2221上游段应加以适当修正（同无排水情况）。上游段应加以适当修正（同无排水情况）。将将B点坐标点坐标(L ,he )代入式代入式 可得可得EODBA段的单宽流量段的单宽流量q：4-12 (3)下游设有棱体排水且下游有水的情况。下游设有棱体排水且下游有水的情况。不透水地基上设棱体排水且下游有水的均质坝OxyAEAH1DF1:m11:m2LtBCH1-tLl l

10、1=he/2he4-13计算时将下游水面以上部分按照无水情况计算时将下游水面以上部分按照无水情况处理，浸润线近似看作是以排水上游坡与处理，浸润线近似看作是以排水上游坡与在下游水面的交点为焦点在下游水面的交点为焦点D（L，t）且通）且通过过E点的抛物线。点的抛物线。 可得浸润线方程为：可得浸润线方程为： (1) (2)xhhtyLee2)(22LtHLhe212)(xkqyH2221LthHkqe2)(221由于浸润线过由于浸润线过E点点(0，H1)，代入，代入(1)式可得：式可得：将将B点坐标点坐标(L ,t+he )代入式代入式 可得可得EODBA段的单宽流量段的单宽流量q：4-14 2 2

11、、心墙坝心墙坝不透水地基上心墙坝OxyH1D1:m11:m2A21thL4-15计算时忽略上游坝壳段的水头损失，并计算时忽略上游坝壳段的水头损失，并将心墙简化为等厚的矩形断面，下游坝将心墙简化为等厚的矩形断面，下游坝壳段与均质坝同样处理。壳段与均质坝同样处理。心墙简化为矩形，心墙段的单宽渗流量心墙简化为矩形，心墙段的单宽渗流量为：为： (1) (2)Lthkq2/222）（)2/()(2211hHkqc假定下游坝壳逸出点位于下游水位与假定下游坝壳逸出点位于下游水位与堆石内坡的交点堆石内坡的交点A，则坝壳内单宽流量，则坝壳内单宽流量表达式为：表达式为：4-16由由 q1=q2，联立方程（，联立方

12、程（1）和（）和（2），），可求出可求出q和和h。下游坝壳的浸润线方程为：下游坝壳的浸润线方程为： )2/(22qyhkx）（4-173 3、斜墙坝、斜墙坝不透水地基上斜墙坝OxyEH11:m1:m2tLhBDAz04-18计算时忽略上游坝壳段的水头损失，计算时忽略上游坝壳段的水头损失，分两段计算，即斜墙段及斜墙后的坝分两段计算，即斜墙段及斜墙后的坝壳段并将斜墙简化为等厚的斜墙，下壳段并将斜墙简化为等厚的斜墙，下游坝壳段与心墙坝同样处理。游坝壳段与心墙坝同样处理。)sin2/()(2211hHkqcLthkq2/222）（)2/(22qyhkx）（斜墙段的单宽渗流量简化为斜墙段的单宽渗流量简化

13、为： 由渗流连续原则由渗流连续原则 q1=q2，联立求解以上两方程得出联立求解以上两方程得出q和和h，并可以得到下游坝壳内的浸润线方程：，并可以得到下游坝壳内的浸润线方程：4-19注意：在注意：在h 以上的斜墙部分的渗流在下以上的斜墙部分的渗流在下游坝体以非饱和状态垂直下落并汇入下游坝体以非饱和状态垂直下落并汇入下游坝壳的渗水，以上计算中计算斜墙段游坝壳的渗水，以上计算中计算斜墙段的单宽渗流量和斜墙后坝壳内的单宽渗的单宽渗流量和斜墙后坝壳内的单宽渗流量时均未考虑这部分渗水。流量时均未考虑这部分渗水。 4-20( (二二) )有透水地基土坝的渗流计算有透水地基土坝的渗流计算为简化计算，坝体内渗流

14、仍可用上述为简化计算，坝体内渗流仍可用上述不透水地基上土石坝的渗流计算方法不透水地基上土石坝的渗流计算方法确定渗流量及浸润线，坝基渗流则按确定渗流量及浸润线，坝基渗流则按有压渗流计算。坝体渗流量与坝基渗有压渗流计算。坝体渗流量与坝基渗流量之和即为总渗流量。流量之和即为总渗流量。4-211、均质坝、均质坝假设坝体的单宽流量为假设坝体的单宽流量为q1，坝基的渗，坝基的渗透系数为透系数为kT，透水地基深度为，透水地基深度为T，单宽，单宽流量为流量为q，上下游水头分别为，上下游水头分别为H1和和t。H1TL0t4-22由达西定理可得地基内单宽流量由达西定理可得地基内单宽流量q：dxdykTTvq Lt

15、HTkqT)(1将上式从上游面（将上式从上游面（x=0，势，势y=H1）到）到下游面（下游面（x=L，势，势y=t）积分得：）积分得： 4-23L L实际上是指流线长度，所以考虑进实际上是指流线长度，所以考虑进出口流线弯曲的影响及渗流区的几何出口流线弯曲的影响及渗流区的几何形状，形状，L L可表示为可表示为L= LL= L0 0+0.88T+0.88T，式中式中0.88T0.88T为考虑进出口流线弯曲的影响为考虑进出口流线弯曲的影响的修正系数。的修正系数。则通过坝体与坝基的总单宽流量为：则通过坝体与坝基的总单宽流量为： TLtHTkqqqqT88. 0)(01114-242、心墙坝、心墙坝(1

16、)地基上有混凝土防渗墙的心墙坝地基上有混凝土防渗墙的心墙坝H1TL1L2ht通过防渗心墙后的坝壳和地基防渗墙后通过防渗心墙后的坝壳和地基防渗墙后的地基的渗流量为的地基的渗流量为: 4-25(1)地基上有混凝土防渗墙的心墙坝地基上有混凝土防渗墙的心墙坝设心墙、砼防渗墙、下游坝壳、透水地设心墙、砼防渗墙、下游坝壳、透水地基的渗透系数分别为基的渗透系数分别为kc、kD、k、kT 。 通过防渗心墙和地基砼防渗墙的渗流量通过防渗心墙和地基砼防渗墙的渗流量为：为： DThHkhHkqDc)(2(1)2211TLTthkLthkqTc44. 0)(2(21)222由由q=q1=q2，联立求解式，联立求解式(

17、1)和和(2)即可得即可得q和和h 。 4-26(2)地基上有截水槽的心墙坝，截水墙与地基上有截水槽的心墙坝，截水墙与心墙材料相同心墙材料相同 。通过防渗心墙和地基截水墙的渗流量为：通过防渗心墙和地基截水墙的渗流量为： 2)()(2211ThTHkqc通过防渗心墙后的坝壳和地基截水墙后通过防渗心墙后的坝壳和地基截水墙后的地基的渗流量与地基中有混凝土防渗墙的地基的渗流量与地基中有混凝土防渗墙的心墙坝相同。的心墙坝相同。4-27三、土石坝的抗渗稳定验算三、土石坝的抗渗稳定验算1、渗透变形的形式及其判别、渗透变形的形式及其判别* *渗透变形：土石坝及其地基在渗流的物渗透变形：土石坝及其地基在渗流的物

18、理作用和化学作用下发生土体颗粒流失理作用和化学作用下发生土体颗粒流失的局部破坏现象称渗透变形。的局部破坏现象称渗透变形。管涌：渗流作用下不均匀无粘性土中管涌：渗流作用下不均匀无粘性土中细颗粒从孔隙通道中的连续移动和带出。细颗粒从孔隙通道中的连续移动和带出。管涌可能发生的部位：非粘性土的渗流管涌可能发生的部位：非粘性土的渗流逸出点和进入排水处。逸出点和进入排水处。管涌管涌判别：级配连续时不均匀系数判别：级配连续时不均匀系数2020，级配不连续时细粒含量小于级配不连续时细粒含量小于25%25%。4-28流土：渗流作用下，土体的同时浮起流土：渗流作用下，土体的同时浮起或流失。或流失。流土发生的部位：

19、多发生粘性土坡和颗流土发生的部位：多发生粘性土坡和颗粒较均匀的非粘性土坡中。粒较均匀的非粘性土坡中。判别：级配连续时不均匀系数判别：级配连续时不均匀系数103m/d），形），形成反向渗流成反向渗流验算上游坡的稳定验算上游坡的稳定 ；正常蓄水位正常蓄水位+地震地震验算上、下游坡的稳验算上、下游坡的稳定；定；校核洪水位时校核洪水位时验算下游坡的稳定验算下游坡的稳定 ；施工期考虑孔隙水压力时施工期考虑孔隙水压力时验算上、下游验算上、下游坡的稳定坡的稳定 。4-55三、稳定分析的计算情况和安全系数三、稳定分析的计算情况和安全系数 ：2、安全系数：、安全系数：按按碾压式土石坝设计规范碾压式土石坝设计规范

20、，对于均质坝、，对于均质坝、厚斜墙坝和厚心墙坝，可采用不计条块间作厚斜墙坝和厚心墙坝，可采用不计条块间作用力的瑞典圆弧法进行稳定分析；对于由薄用力的瑞典圆弧法进行稳定分析；对于由薄软土夹层的情况，以及薄斜墙、薄心墙坝，软土夹层的情况，以及薄斜墙、薄心墙坝，可采用滑楔法进行稳定分析。可采用滑楔法进行稳定分析。坝坡抗滑稳定的安全系数，应不小于规范规坝坡抗滑稳定的安全系数，应不小于规范规定的数值。定的数值。4-56四、土石坝抗剪强度指标四、土石坝抗剪强度指标 ：确定抗剪强度指标的方法有有效应力法和确定抗剪强度指标的方法有有效应力法和总应力法两种，规范规定对总应力法两种，规范规定对I、II级工程必级工

21、程必须两者兼用，并以其中较小的安全因素作须两者兼用，并以其中较小的安全因素作为依据。为依据。不同情况下土的抗剪强度应按规范要求加不同情况下土的抗剪强度应按规范要求加以选择。以选择。4-57四、土石坝抗剪强度指标四、土石坝抗剪强度指标 ： 计算计算工况工况计算计算方法方法土的种类土的种类使用使用仪器仪器 试验方法试验方法 强度强度指标指标 试样试样起始起始状态状态 施施工工期期有有效效应应力力法法无粘性土无粘性土直剪仪直剪仪 慢剪慢剪C 填土填土用填用填筑含筑含水量水量和填和填筑密筑密度的度的土，土，地基地基用原用原状土状土 三轴仪三轴仪 排水剪排水剪 粘粘性性土土St80%直剪仪直剪仪 慢剪慢剪三轴仪三轴仪 固结不排固结不排水剪测孔水剪测孔隙压力隙压力 总应力总应力法法K10-7cm/s 直剪仪直剪仪 慢剪慢剪Cuu 任何渗透系数任何渗透系数 三轴仪三轴仪 排水剪排水剪 4-58四、土石坝抗剪强度指标四、土石坝抗剪强度指标 ： 计算计算工况工况计算计算