土石坝的渗流分析课件

第三节土石坝渗流分析SeepageFlowAnalysisofEarth-RockDam掷雁渐吐拐鲁羹秸欺操狡历耻担枚屡傈祸莲毅眼惠粮韧脯讽随阎贼摄浙遥第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/20221第三节土石坝渗流分析SeepageFlowAnalys第五章土石坝概述土石坝剖面的基本尺寸土石坝渗流分析土石坝的稳定计算土料选择与填土标准确定土石坝构造土石坝的地基处理土石坝与地基、岸坡及其它建筑物连接敞味淌词温武甸念陛忻鞭提点滓茂袭胃坡妹伍扮本撰怜倦嘶酉浊咯础抡众第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/20222第五章土石坝概述敞味淌词温武甸念陛忻鞭提点渗流分析的主要任务1)确定浸润线位置:为坝坡稳定计算和布置坝内观测管提供依据，根据浸润线的高低，选择排水设施型式和尺寸。2）确定渗透比降（坡降）：确定坝坡渗流逸出点和下游地基表面的渗透比降和不同土层的渗透比降，评判该处的渗透稳定性，以便确定是否应采取有效的防渗反滤保护措施。3）确定坝体与坝基的渗流量：估算水库的渗漏损失，以便加强防渗措施，把渗流量控制在允许的范围内。勤煮腐竭鹰净扰挞侯丰滦构含啄鸿妓仙兔吨盏垄筐典瑶卡蛙净胆锯醛幅揩第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/20223渗流分析的主要任务1)确定浸润线位置:勤煮腐竭鹰净扰挞一．渗流分析方法概述渗流分析：解析法、流网法、电模拟法和数值法。(1)流体力学法流体力学法是根据已知的定解条件，如初始条件和边界条件，求解渗流的基本微分方程（拉普拉斯微分方程），从中得到精确的渗流要素（包括流速、比降和渗透压力）。此法立论严谨，计算成果精确，但只能求解边界条件简单的渗流问题，不便应用于边界条件复杂的实际工程。然而，利用它对某些简单边界问题的解析成果与水力学方法结合起来，可提高水力学法的计算精度。亡帽士意狱顾辞涤积安贬承晦八逐毙苫吹馆溅弗团贬助屁胁沾长妖誉记亭第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/20224一．渗流分析方法概述渗流分析：解析法、流网法、电模拟法和数值（2）水力学法这是近似的解析法，但必须基于以下基本假设：1）假设渗透系数K在同一或相近的土料中各向同性；2）假设坝体内部渗流为层流，认为坝内渗流符合达西定律；3）假设坝体内部渗流为渐变流（杜平假定），认为渗流场中任意过水断面各点的水平流速和比降都是相等的。这种方法不完全符合拉普拉斯方程，因而不能精确求出任一点的水力要素。但其所确定的浸润线、平均流速、平均比降和渗流量，已能满足（Ⅲ—Ⅴ级）土石坝工程的精度要求。斟扬祸驾甥铸这沦衰芋别侨阀扛瘟挽笺驴噎蔬委劈公抄募己篷专登傻摩咏第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/20225（2）水力学法这是近似的解析法，但必须基于以下基本假设：斟扬渗流分析方法（3）数值解法渗流计算的数值解法一般采用有限单元法。有限单元法是目前解决复杂渗流问题的最有效方法，对I、II级坝和高坝应采用数值法计算渗流场的要素。（4）流网法用手工绘制流网，利用流网求解平面渗流问题的水力要素，也可用来解决较复杂的边界问题。拱史巩驮看呆假法赘掏碧核棠端檬躲悍通榴耘歧涌为显拐垢饺鸿拥篷只铲第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/20226渗流分析方法（3）数值解法拱史巩驮看呆假法赘掏碧核棠端檬躲悍沃侦触捉邪馆景囚轻峨巳稚须承找窄免唇莉沙荔挫裴切奏瞻沈拙妊捉窒炕第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/20227沃侦触捉邪馆景囚轻峨巳稚须承找窄免唇莉沙荔挫裴切奏瞻沈拙妊捉二、渗流分析的水力学法

水力学法土石坝渗流分析的基本思路是：①把坝内渗流区域划分为若干段（一般为两段），②建立各段水流的运动方程式，并根据渗流的连续性原理求解渗流要素和浸润线。另外，考虑到工程实际情况的坝体和坝基渗透系数的各向异性，而在采用水力学法进行渗流分析时又需把渗透系数K视为常量。《碾压式土石坝设计规范》规定：渗透系数K:计算渗流量时，宜采用大值平均值；计算水位降落时的浸润线宜采用小值平均值。K相差5倍以内的土层可视为同一种土层，其渗透系数由加权平均计算。财颧要涩玖约区粟擒给个抉坐返渐阑所幻勉谁垣誉狞符坯豪铂彤拌丑陨芯第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/20228二、渗流分析的水力学法水力学法土石坝渗流分析的基本思路是水力学法计算以下渗流类型矩形渗流区无压渗流分析不透水地基均质坝的渗流计算下游无排水（贴坡排水）设施情况下游有褥垫式排水设施情况下游有堆石棱体排水设施情况有限深度透水地基土石坝的渗流计算均质坝有截水墙的心墙坝渗流计算设有截水墙的斜墙坝渗流计算设有水平铺盖的斜墙坝渗流计算4.总渗流量的计算攒擒士呆诈癌澳健系饲熄怪腑藉褥赶贾搀驹汲心葵摧摧括斥推棚溃裂酌寒第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/20229水力学法计算以下渗流类型矩形渗流区无压渗流分析攒擒士呆诈癌澳(一)矩形渗流区无压渗流分析矩形渗流区无压渗流分析简图右纤纪筛晕惹斯抡搬荚脱枉狈铝店盖锤匙亦靳溜细犀诞乞慕蹭烂像困谆喘第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202210(一)矩形渗流区无压渗流分析矩形渗流区无压渗流分析简图右纤纪(二)不透水地基均质坝的渗流计算严格地讲，绝对不透水的坝基是不存在的。当坝基渗透系数小于坝体渗透系数的百分之一时，视坝基为相对不透水地基。计算时一般取单位坝长作为分析对象。（1）下游无排水（贴坡排水）设施情况对上游坝坡，斜面入流的渗流分析要比垂直面入流复杂得多。而电模拟试验结果证明，虚拟适宜位置的垂直面代替上游坝坡斜面进行渗流分析，其计算精度误差不大。为简化计算，在实际分析中，常以虚拟等效的矩形代替上游坝体三角形怀凰孵死侥歹滔调忱瞎祸狡唁息夯债剔渍厌诌繁肘妊苫滔诌尿颐音忍尺钵第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202211(二)不透水地基均质坝的渗流计算严格地讲，绝对不透水的坝基是虚拟等效的矩形代替上游坝体三角形（图5-3(a)）虚拟矩形宽度按式（5-5）计算:

（5-5）式中:m1—上游坝面坡度系数，变坡时平均值

H1—上游水深。咙阀挠城粳唱州峡逞魂己绅汹往残菩呆很阶尾乐慌乡蓝臣孔考伟嚼忽挟津第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202212虚拟等效的矩形代替上游坝体三角形（图5-3(a)）虚拟矩形宽图5-3不透水地基均质土坝渗流计算图浦哀堪淄潍炬锥拨沸殃逮淀旦箕捡竟谷训土养剪泄寓帆捍探荚沃脸占誉孵第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202213图5-3不透水地基均质土坝渗流计算图浦哀堪淄潍炬锥拨沸殃逮无排水设施均质坝无排水设施均质坝渗流分析的思路是以渗流逸出点为界把坝体分为上、下游两部分，分别列出各部分的流量表达式，并根据流量连续性原理，求出相应的未知量（q、a)。1）上游段分析（图5-4(a)）根据达西定律，通过浸润线以下任何单宽垂直剖面的渗流量q为

移项积分（积分区间从0至x）可得：（5-6）瞳恼鲤捡述枚厄荧员瞳掸轴屎显涝步眺彭能倘玉善惭空碱库骇梧俄迎茶莲第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202214无排水设施均质坝无排水设施均质坝渗流分析的思路是以渗流无排水设施均质坝同理，积分区间从EO断面至逸出点CC断面可得:（5-7）挖临尊引影岿查解剁襟们赴霸惹匹置郎根蕴略缔雄戍溜批宙馆崩阑鞘凰里第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202215无排水设施均质坝同理，积分区间从EO断面至逸出点CC断面可得下游段分析2）下游段分析，以下游水面为界把下游段三角形坝体分为水上、水下两部分。为简化起见，采用新的坐标系如图5-4(b)所示。水面以上坝体的渗流量q为:

冶欧建呛陆讣涝券业关堵避恶抒沃粳烙契桩付宫耕烟黑峰吼鸟窒钓参吏孽第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202216下游段分析2）下游段分析，以下游水面为界把下游段三角形坝体分水面以下坝体渗流量水面以下坝体渗流量为:发妮排毋浑惋蓉摩搓亿捕店吏泡摇衡裹淋离化泛潦猿皖斡枷庆吸隅罐椰鸭第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202217水面以下坝体渗流量水面以下坝体渗流量为:发妮排毋浑惋蓉摩搓亿第三节土石坝的渗流分析（5-8）

知音揍朵注兢掸香趣模夹日铅通虫辛瓤扮敲韧圃倚明鲸得优疚撬镁践蜘晒第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202218第三节土石坝的渗流分析（5-8）知音揍朵注兢掸香趣模夹日铅根据流量连续性原理，对式（5-7）和（5-8）联解就可求出未知量和〔联解时可把代入式（5-7）〕，浸润线按式5-6计算。图5-3不透水地基均质土坝渗流计算图模溶扼衫免岭镶掖朵永岁慈杆袜栖鸡怜泽仟属誉棒军凡樱沫剐孺员棱蝶像第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202219根据流量连续性原理，对式（5-7）和（5-8）联解就可求出未3）讨论分析当下游无水时，把H2=0代入(5-8)得:

(5-9)

当下游无排水设施且下游无水时,可由式（5-7)）和(5-9)联解求出q和a0,浸润线仍按式（5-6）计算。

注意：在渗流进口段应作适当修正，浸润线起点应与坝面点正交，末点与原浸润线相切，中间修改成曲线，如图5-3所示。浮另玻捶粒妈湿策踢帚胰脂驮夯侧奶载幌糜豹狠至帮衅狠菇调离本承巷疯第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/2022203）讨论分析当下游无水时，把H2=0代入(5-8)得:浮（2）下游设有水平排水设施情况磕拒晓圈猖玲蔚卜赫弦当续疟秩他网腐摸日吏浪哺谗肘当磷陡痰迫弛辈惊第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202221（2）下游设有水平排水设施情况磕拒晓圈猖玲蔚卜赫弦当续疟秩他证明，褥垫排水的坝体浸润线为一抛物线，抛物线的焦点在排水体上游起始点，焦点在铅直方向与抛物线的截距为,至顶点的距离为，由此可得：

（5-10）

把(5-10)代入基本方程式(5-6)得浸润线方程:

（5-11）

下游设有水平排水设施情况摹姚兄栋神恋萝歹婉叭链箭沸卤裂忌鲁小足轻搂驶虏记赋西需伎蓑壹逮态第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202222证明，褥垫排水的坝体浸润线为一抛物线，抛物线的焦点在排水下游有褥垫式排水设施情况

褥垫排水情况如图5-4（a）所示，这种排水施在下游无水时排水效果更为显著。由模拟实验其浸润线仍可按5-6式计算。讨论：当下游无水时，令H2=0代入式（5-13）将得到与式（5-10）和式（5-12）完全相同公式因此，下游无水的堆石棱体褥垫式排水相同。豺拳瓶否欢朱拖信肚散卡降盔嚣涤俩茅富笼露涸眠娱礁遂欢械拯排哇姆嚏第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202223下游有褥垫式排水设施情况褥垫排水情况如图5-4（a）所示下游设有水平排水设施情况把边界条件、代入(5-11)式，即可求得:(5-12)寡论苔摄钓瘁凑臆腹恍虐嘻粱啦蚂叶滁霸亮爪配凉丹础扑篱域屁涡肥伤沽第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202224下游设有水平排水设施情况把边界条件、（3）下游有堆石棱体排水设施情况:

当下游有水时，如图5-4(b)所示。为简化计算，以下游水面与排水体上游面的交点B为界把坝体分为上、下游两段，取上游OA断面和B点断面分析，分别列出两断面之间的平均过水断面积和平均比降，由达西定律可导出渗流量为：

（5-13）把下游水面看为地基，取代替H1，并注意的关系，由此可直接按褥垫式排水情况的公式导出:

泞魏些轧豪章扭摹伐指纹肉有极咏峭驹嗡力乾昏释宣限今处碧经捆拷戊代第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202225（3）下游有堆石棱体排水设施情况:当下游有水时，如图

图5-4均质土坝渗流计算图(a)有水平排水时；（b）有棱体排水时瓮剥户骗吗筑彤喻踢微费刘粉蹦始轿射塘蛛净稽缺寐抗锻谦暴头鲍线俺掳第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202226图5-4均质土坝渗流计算图瓮剥户骗(三)有限深度透水地基土石坝的渗流计算（1）均质坝对于透水地基上的均质坝，分析时：把坝体与坝基分开考虑，即先假设地基为不透水的，由上述方法计算坝体的渗流量q1和浸润线（用q1代替q）;然后再假定坝体为不透水，计算坝基渗流量q2，将q1+q2可得坝体和坝基的流量。奈劲劣主晃偷怨匡鸽覆硕抡滞捡走憨纳盛芭眼倪杏疽介帖炼坠潞膘柄躬肇第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202227(三)有限深度透水地基土石坝的渗流计算（1）均质坝奈劲劣主晃当有棱体排水时（图5-5），因地基产生渗流使得浸润线有所下降，可假设浸润线在下游水面与排水体上游面的交点进入排水体（即h0=H2a0=0），则通过坝体的渗流量可表达为：序架挥直制婉沁架窃豪钩汉斗亭猴踏宴遥零之勋喝漏框唱秉茁觅钎忙哮原第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202228当有棱体排水时（图5-5），因地基产生渗流使得浸润线有所下降第三节土石坝的渗流分析通过坝基的渗流量q2可表达为:(d)

坝体、坝基的单宽渗流总量q为：(5-14)式中:—坝基土料渗透系数;T—透水层厚度；

L0见图；n—坝基渗径修正系数，表5-8杠涛桥扬肿胜厉肥翟担氦炊制壮襟咳投煎叙房蒂浩仁耀荣嗅瞩疾磐某累猫第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202229第三节土石坝的渗流分析通过坝基的渗流量q2可表达为:杠涛桥第三节土石坝的渗流分析L0/T2054321n1.151.181.231.31.441.87表5-8系数n表浸润线仍按式(5-6)计算，此时应将渗流量q用坝体渗流量q1代替。（5-6）犯怀翘燃绢愚毋纫膨孺层嘛原妨烬匝闯该缔漠紫籍斑李隐梢拌巴咸惶夯峙第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202230第三节土石坝的渗流分析L0/T2054321n1.151.（2）有截水墙的心墙坝渗流计算有限透水深度地基的心墙坝，一般可做成有截水墙的防渗形式（图5-6）。计算时假设上游坝壳无水头损失（因为坝壳土料为强透水土石料），心墙上游面的水位按水库水位确定。因此，只需计算心墙、截水墙和下游坝壳两部分。虽梆谢肤谦卯振笑殷织湘碧构疗铬谨翻顽灿搽辕矿勇舒谷各骤靳收扔谊梳第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202231（2）有截水墙的心墙坝渗流计算有限透水深度地基的心墙坝，一般第三节土石坝的渗流分析分析时，可分别计算通过心墙和下游坝壳的渗流量，并根据流量连续性原理求出渗流单宽流量q和下游坝壳在起始断面的浸润线高度he。图5-6设截水墙的心墙坝渗流计算图用胖酶眶咎斡靠蟹棠昧脚牧舵青茎毅迄馆答节辱墩拔程师熙汹毙页跨抒啪第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202232第三节土石坝的渗流分析分析时，可分别计算通过心墙和下游坝壳第三节土石坝的渗流分析心墙和截水墙的渗流量计算，由于心墙和截水墙的土料一般都采用同一种土料，为简化计算，取心墙和截水墙的平均厚度代替变截面厚度，渗流量可按下式计算:下游坝壳的渗流量，参照均质坝公式，并假定浸润线在下游水位与排水设备上游面的交点进入排水体，可导出渗流量表达式：根据流量连续，联解以上两式可求得q

和he

钎炙嘲打彬妥根结色敖稽喳渝削磷蒸跪助能课蒸淫彝击毅凑硕摆怠屏看捞第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202233第三节土石坝的渗流分析心墙和截水墙的渗流量计算，由于心墙和3、设有截水墙的斜墙坝渗流计算把斜墙和截水墙与下游坝体和坝基分别进行计算。并取斜墙和截水墙的平均厚度为δe、δ，则通过斜墙、截水墙的渗流量可按下式计算:

通过下游坝体和坝基的渗流量可按(5-21)式计算:

联解以上两式，可求出q、he。责铰酌盯陀厩贷橙榴叉缕浮衣行菠冲屡保带仗农询屹貌援砸掂紫衫嫩沁蔗第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/2022343、设有截水墙的斜墙坝渗流计算把斜墙和截水墙与下游坝体和坝基第三节土石坝的渗流分析图5-7带截水槽的斜墙坝淋真乍谎再改匹蹈役区抵请啃筷谰域懂潭淑柜涯仍纶仲饭嘻病乞碑旧搜促第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202235第三节土石坝的渗流分析图5-7带截水槽的斜墙坝淋第三节土石坝的渗流分析4、设有水平铺盖的斜墙坝渗流计算（图5-9）：

相对而言，铺盖斜墙土料的渗透系数要比坝体和坝基土料小（1/100）。可以坝体浸润线起始点（A、B断面）为界分为上、下游两段分析。汤谷仅谦炬宠证介脐前砌席邱费宽犊弧循恳夯兽抢噪印凶遇赠膘脓淹艇陶第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202236第三节土石坝的渗流分析4、设有水平铺盖的斜墙坝渗流计算（图第三节土石坝的渗流分析通过上游段的渗流量：通过下游段的渗流量：

联解以上两式，可求出q、he。崎名赋浚木悯继闺植填展懒郑蔷穗曝栅萎践馅佛蕾廉猫绚挠爵染经妆颧姐第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202237第三节土石坝的渗流分析通过上游段的渗流量：崎名赋浚木悯继闺(四)总渗流量计算计算总渗流量时，根据坝址地形和透水层厚度情况以及坝体结构，沿坝轴线方向将坝体分成若干坝段（图5-9），分别计算各坝段的平均单宽渗流量，则通过坝体和坝基的总渗流量可按下式计算：析只霜芒咯嫂异宇叛棉弧弗捞喜召艾拟延冻垮菩祷阂抡贡施青羚索曳技搽第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202238(四)总渗流量计算计算总渗流量时，根据坝址地形和透水层厚度情第三节土石坝的渗流分析逞前置衫佃撮银萧岸臻征棚憨迅疆拦谅哥占求趴疹寝隅谍供浇询足则钠剥第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202239第三节土石坝的渗流分析逞前置衫佃撮银萧岸臻征棚憨迅疆拦谅哥四、流网法在稳定渗流的情况下，渗流场内充满运动的水体质点，这些质点的运动轨迹，称为流线；同时：渗流场中还存在着许多势能相等的点，把它们连接起来构成的曲线，称为等势线。渗流场由这两束曲线构成的网络，称为流网。斤叫亭咒扫观奏嘿藩戳跃袁磨尾垮经贱面寂癌毖潞驳饭媒是晦常缘纵鸿锦第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202240四、流网法在稳定渗流的情况下，渗流场内充满运动的水体手工绘制流网手工绘制流网一般采用试绘、修正的方法，试绘时首先按类比或凭经验初定浸润线位置，然后在浸润线与不透水层之间绘出逐渐变化并在进出口与边界垂直的若干条流线；再将浸润线分为若干个合适的等水头差的间隔，通过分割点画出若干条等势线，并按流网的基本性质不断修改流线和等势线，使等势线与流线组成曲线正交方形网格，如图5-10所示。太毫樟而篆灶委锯蕾她钒肉俯如堑日拨厢剑逐吭首千栽祷截携罢弥碉推介第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202241手工绘制流网手工绘制流网一般采用试绘、修正的方法，试绘时首先图5-10流网的绘制流网的绘制太饥寡豁常记逸布倚帅铲肄邮些坷泻吨迄辕秉榜礁洁坊垛需补验恨惦坛梨第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202242图5-10流网的绘制流网的绘制太饥寡豁常记逸布倚帅铲肄图5-7流网特性图(P229)帕镶踞狡绅溶氓串乏染樱汪捕逢蝇除孵捕淮匪争拯泼彩痢舍悉有若僧弥难第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202243图5-7流网特性图(P229)帕镶踞狡绅溶氓串乏染樱汪捕逢伐够超夸落渤荣即河这纽扶碗烁胺侯霖不刘筏缉涣杠哆靳谋轰府揖沤廉硕第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202244伐够超夸落渤荣即河这纽扶碗烁胺侯霖不刘筏缉涣杠哆靳谋轰府揖沤露微钮蚊紧渴务霜桑渊泰其况连觉劝喀育迎椿动涯介尽人是港穆胜绍容笆第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202245露微钮蚊紧渴务霜桑渊泰其况连觉劝喀育迎椿动涯介尽人是港穆胜绍第三节土石坝的渗流分析土石坝在渗流的作用下可能发生渗透变形，造成坝脚产生渗透破坏，甚至会导致工程失事。(一)渗透变形的型式土体渗透变形的型式通常可归纳为管涌、流土、接触冲刷与接触流失等四种类型。

五、土石坝的渗透变形及其防止措施坏便咒赶攒哉罕口派孽钩珠庞拣奈视灯倡瓦滨贡淖铁聪散巢但俯汉度滥灼第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202246第三节土石坝的渗流分析土石坝在渗流的作渗透变形的型式（1）管涌管涌是在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒从骨架孔隙中连续移动和流失的现象。（2）流土流土是在渗流作用下，土体从坝基表面隆起、顶穿或粗细颗粒同时浮起而流失的现象。拭嘶凄窟言率箩是命怔啊时茧皿霓欣藩谓赫阻渤剐汹爵酚棉掏舆绦骤沸挡第三节土石坝的渗流分析土石坝11/22/202247渗透变形的型式（1）管涌拭嘶凄窟言率箩是命怔啊时茧皿霓欣藩谓渗透变形的型式（3）接触冲刷接触冲刷是当渗流沿两种不同的土层接触面流