土石坝渗流分析教学课件

1、3 土石坝渗流分析一、概述二、水力学法 三、流网法四、渗透变形及防止措施8/3/20221第1页，共29页。一、渗流分析概述分析目的：检验坝的初选形式与尺寸，确定渗流力以核算坝坡稳定进行防渗布置与土料配置，根据坝内的渗流参数与逸出坡降，检验土体的渗流稳定，防止发生管涌和流土，确定坝体及坝基中防渗体和排水设施。确定通过坝及两岸的渗流量并设计排水系统的容量8/3/20222第2页，共29页。渗流计算内容：确定坝体浸润线及下游出逸点的位置，绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图；确定坝体与坝基的渗流量；确定坝体出逸段与下游坝基表面的出逸坡降，以及不同土层间的渗透比降；确定库水位降落时上游坝坡内的浸润

2、线位置或孔隙压力；确定坝肩的等势线、渗流量或渗透比降。8/3/20223第3页，共29页。渗流计算应包括以下水位组合情况：上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；上游设计洪水位与下游相应的水位；上游校核洪水位与下游相应的水位；库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。 渗流计算应考虑坝体和坝基渗透系数的各向异性。计算渗流量时宜采用土层渗透系数的大值平均值，计算水位降落时的浸润线宜采用小值平均值。 对1、2级坝和高坝应采用数值法计算确定渗流场各因素，其它可采用公式计算。 岸边的绕坝渗流和高山峡谷的高土石坝应按叁维渗流用数值法计算。8/3/20224第4页，共29页。 土石坝的渗流为无压渗流，有浸润面，可

3、视为稳定层流，满足达西定律，简化为平面问题。水位急降时产生不稳定流，需考虑浸润面随时间变化对坝坡稳定的影响。达西定律：连续条件：二维渗流方程：分析法：流体力学法、水力学法、图解法和试验法，最常用的是水力学法和流网法（图解法）。8/3/20225第5页，共29页。基本要点: 将坝内渗流分成若干段（即分段法），应用达西定律和杜平假定（假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等），建立各段的运动方程，根据水流连续性求解流速、流量和浸润线等。二、水力学法基本假定：土料均一，各向同性渗流属稳定流看作平面问题渗流看作层流渗流符合连续定律8/3/20226第6页，共29页。平均流速：单宽流量：自上游面（x0，

4、y=H1)至下游面（x=L,y=H2)积分得：积分（*），可得浸润线方程：（*）（）8/3/20227第7页，共29页。（一）不透水地基上均质土坝的渗流计算1、均质坝的渗流计算 20世纪20年代前苏联学者提出，以浸润线两端为分界线，将均质土坝分为3段：上游楔形体、中间段和下游楔形体，分别列出计算公式，再根据水流连续原理求解，称为“三段法”。8/3/20228第8页，共29页。下游无排水 用一个等效矩形体代替上游楔形体，把此矩形体与原三段法的中间段和而为一，成为第一段，下游楔形体为第二段。虚拟上游面为铅直的，距原坝坡与设计水位交点A的水平距离为L 上式根据流体力学和电拟试验得到，式中m1为上游坝

5、坡坡率；H1为坝前水深。8/3/20229第9页，共29页。 通过第一段EOBB的渗流量为： 第二段BB N，可以下游水面为界，分为水上和水下两部分，应用达西定律，可得通过第二段的渗流量为： 根据水流连续条件qq1q2，联立以上两式，可求得a0和q。浸润线方程可以用（）求得，求出后还应对浸润线进口进行修正：自A点引与坝坡AM正交的平滑曲线，曲线下端与计算所得的浸润线相切于A。 坝体为贴坡排水对坝身浸润线位置没有影响，计算方法与下游无排水相同。8/3/202210第10页，共29页。下游有褥垫排水 根据流体力学计算表面，浸润线可由一通过E并以排水起点为焦点的抛物线来表示。焦点处的高度为he，抛物

6、线的原点在排水起点后he/2处，可得抛物线的公式为：8/3/202211第11页，共29页。 抛物线通过E(x=0,y=H1),代入可得 代入流量公式，可得单宽流量：8/3/202212第12页，共29页。下游棱体排水 当下游无水时和褥垫式相同，下游有水时，可将下游水面以上部分按照无水情况处理。8/3/202213第13页，共29页。（二）心墙坝的渗流计算 心墙土料的渗透系数很小，比坝壳小10E4倍以上，可不考虑上游楔形体降落水头的作用。下游坝壳的浸润线也较平缓，水头主要在心墙部位损失。下游有排水时，可假定浸润线的出逸点为下游水位与堆石内坡的交点A。 将心墙简化为等厚的矩形，（1+2)/2,则

7、可求通过心墙段的单宽流量q1和心墙下游坝壳的单宽流量q2，联立求得心墙后浸润线高度h和q8/3/202214第14页，共29页。（三）斜墙坝的渗流计算 将斜墙简化为等厚的矩形，（1+2)/2,则可求通过斜墙的单宽流量q1和斜墙坝壳的单宽流量q2，联立求得h和q8/3/202215第15页，共29页。（四）有限深透水地基土石坝的渗流计算1、均质坝的渗流计算 均质坝透水地基深度为T，渗透系数为KT，坝体渗透系数为k，可将坝体和坝基分开计算。坝体部分按不透水地基计算。可假定坝体不透水，按下式计算坝基的渗流量：式中n为流线弯曲对渗径的影响，可查表。8/3/202216第16页，共29页。2、心墙坝的渗

8、流计算 透水地基上筑有混凝土防渗墙。渗流计算分防渗体段和墙后段两部分。通过防渗心墙和地基防渗墙的渗流量为：联立求得q和h。8/3/202217第17页，共29页。3、斜墙坝的渗流计算 有截水墙的斜墙坝计算分为斜墙截水墙和墙后坝体及地基两部分，分布用平均厚度代替变厚的斜墙和截水墙。斜墙和截水墙的渗流量q1和斜墙、截水墙后的渗流量q2，联立可求得q和h。8/3/202218第18页，共29页。公式计算时，可作如下简化：渗透系数相差5倍以内的相邻薄土层可视为一层，采用加权平均渗透系数；双层结构坝基，如下卧土层较厚，且渗透系数小于上覆土层渗透系数的1/100，可将下层视为相对不透水层；当透水层坝基深度

9、大于建筑物不透水层底部长度的1.5倍以上时，可按无限深透水层情况估算。8/3/202219第19页，共29页。三、流网法 复杂剖面和边界条件，用计算方法求解土石坝浸润线比较困难，且不准确。流网法可求出渗流区任一点的渗透压力、坡降、流速及渗流量。流网的概念：渗流场：渗流运动的水质点所充满的空间流 线：水质点运动的轨迹等势线：渗流场中势能相等的各点连线流 网：流线与等势线组成的网格8/3/202220第20页，共29页。流网的画法： 浸润线和不透水地基的表面都是流线；上下游水下边坡都是等势线；下游边坡出逸点至下游水位既是等势线又是流线。出逸段和浸润线上各点压力均为大气压力。根据经验初拟浸润线位置及

10、出逸点，然后将上、下游落差等分，等分的水平线与浸润线的交点即为等势线与浸润线的交点，由交点绘制与等势线，一端垂直浸润线，一端垂直于地基表面，然后绘制流线，反复修正。8/3/202221第21页，共29页。8/3/202222第22页，共29页。8/3/202223第23页，共29页。四、渗透变形及防止措施1、渗透变形： 定义：土石坝及地基中的渗流，由于物理和化学作用，土体颗粒流失，导致土壤发生局部破坏，称为渗透变形。 渗透变形及其发展过程与土料性质、颗粒级配及水流条件、防渗、排水措施等因素有关。2、常见渗透变形的型式： 管涌、流土、接触冲刷、剥离、化学管涌等。 管涌：在一定渗流作用下，土体中的

11、细颗粒沿骨架颗粒所形成的孔隙管道移动或被渗流带走，发生于无粘性土中（沙砾料）。8/3/202224第24页，共29页。流土：指在渗流作用下，粘性土及均匀无粘性土体被浮动的现象。流土常见于下游逸出处。接触冲刷：渗流沿着两种不同介质的接触面流动时，把其中颗粒层的细粒带走。接触流土：渗流垂直于两种不同介质的接触面流动时，把其中一层的细粒，移入到另一层中去。例如反滤层的淤塞。化学管涌：指土体中的盐类被渗流水溶解带走的现象。8/3/202225第25页，共29页。渗透变形的判别： 1、用土料的不均匀系数； 2、用土体的孔隙直径与填料粒径之比； 3、用土体的细粒含量来判别。8/3/202226第26页，共29页。8/3/202227第27页，共29页。3、渗透变形破坏标准及防止措施 土体在渗流作用下是否发生渗透破坏，主要取决于土体本身的抗渗强度。通常用临界坡降作为判定标准。 临界坡降指土体中的细粒随着渗流的加剧，由静止转化为运动状态的坡降，可通过试验