水工建筑物之土石坝渗流分析

水工建筑物

第四章

4.4土石坝的渗流分析

4.4.1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。一、渗流分析内容：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线位置或孔隙压力。确定坝肩的等势线、渗流量或渗透比降。二、渗流分析方法（1）解析法：包括流体力学法和水力学法；（2）手绘流网法：一种图解方法，绘制方便；（3）实验法：采用电模拟实验解决三维问题；（4）数值法：采用有限元分析。三、渗流分析的计算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。4.4.2渗流分析的水力学法

一、基本假定：坝体土是均质的，坝内各点在各个方向的渗透系数相同；渗流属稳定流，看作平面问题；渗流是层流，符合达西定律：v=KJ渗流是渐变流，过水断面上各点的坡降和流速是相等的。二、渗流基本公式假定：任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等。

平均流速：单宽流量：自上游向下游积分：自上游向区域中某点积分：vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv三、不透水地基上的渗流计算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”。

(1)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ΔL:

上式根据流体力学和电拟试验得到，式中m1为上游坝坡坡度；H1为上游水深。1)上游坝段计算通过上游段的渗流量:2)下游坝段计算下游水位以上单宽渗流量:下游水位以下单宽渗流量:通过下游坝体总单宽流量:根据水水流连连续条条件:q＝q1＝q2联立以以上两两式，，可求求得a0和q。浸润线线方程程可以以用式(4——8）求得，，求出出后还还应对对浸润润线进进口进进行修修正：：自A点引与与坝坡坡AM正交的的平滑滑曲线线，曲曲线下下端与与计算算所得得的浸浸润线线相切切于A‘。。当下游游无水时，各各式中中的H2=0。。坝体为为贴坡坡排水水对坝坝身浸浸润线线位置置没有有影响响，计计算方方法与与下游游无排排水相相同。。(2)下游有有褥垫垫排水水根据流流体力力学计计算表表面，，浸润润线可可由一一通过过E点并以以排水水起点点为焦焦点的的抛物物线来来表示示。可可得抛物线线的公公式为为：(3)下游棱棱体排排水当下游游无水水时和和褥垫垫式相相同，，下游游有水水时，，可将将下游游水面面以上上部分分按照照无水水情况况处理理。即即:2.心墙坝坝的渗渗流计计算心墙土土料的的渗透透系数数很小小，比比坝壳壳小10E4倍以上上，可可不考考虑上上游楔楔形体体降落落水头头的作作用。。下游游坝壳壳的浸浸润线线也较较平缓缓，水水头损损失主主要在在心墙墙部位位。下下游有有排水水时，，可假假定浸浸润线线的出出逸点点为下下游水水位与与堆石石内坡坡的交交点A。将心墙墙简化化为等等厚δ的矩形形.联立求求解h、q3.斜墙坝坝的渗渗流计计算将斜墙墙简化化为等等厚的的矩形形，则则可求求通过过斜墙墙的单单宽流流量q1和斜墙墙坝壳壳的单单宽流流量q2，联立求求得h和q。四、有有限深深透水水地基基上的的渗流流计算算1、均质质坝均质坝坝透水水地基基深度度为T，渗透系系数为为KT，坝体渗渗透系系数为为k，可将坝坝体和和坝基基分开开计算算。坝坝体部部分按按不透透水地地基计计算；；再假假定坝坝体不不透水水，计计算坝坝基的的渗流流量；；两者者相加加。下游无无水时时，通通过坝坝体和和坝基基的单单宽流流量：：下游有有水时时，通通过坝坝体和和坝基基的单单宽流流量：：2、心墙墙坝联立求求得q和h。浸润线线方程程：近似认认为上上游坝坝壳中中无水水头损损失，，渗流流计算算分防防渗体体段和和墙后后段两两部分分。（1）有截水墙墙的情况计算方法与与心墙坝类似似：（2）有铺盖情情况近似认为铺铺盖与斜墙墙是不透水水的。五、总渗流流量计算将土石坝沿沿坝轴线分为为若干段，，然后分别计计算选取断面的单宽宽渗流量，，再计算总渗渗流量。4.4.3渗透变形及及防止措施施一、渗透变变形分类与与特点定义：土石坝及地地基中的渗渗流，由于于物理和化化学作用，，土体颗粒粒流失，导导致土壤发发生局部破破坏，称为为渗透变形形。渗透变形及及其发展过过程与土料料性质、颗颗粒级配及及水流条件件、防渗、、排水措施施等因素有有关。常见渗透变变形的型式式：管涌、流土土、接触冲冲刷、剥离离、化学管管涌等。(1)管涌：在一定渗流流作用下，，土体中的的细颗粒沿沿骨架颗粒粒所形成的的孔隙管道道移动或被被渗流带走走，发生于于无粘性土土中（沙砾砾料）。(2)流土：指在渗流作作用下，粘粘性土及均均匀无粘性性土体被浮浮动的现象象。流土常常见于下游游逸出处。。(3)接触冲刷：：渗流沿着两两种不同介介质的接触触面流动时时，把其中中颗粒层的的细粒带走走。(4)接触流土：：渗流垂直于于两种不同同介质的接接触面流动动时，把其其中一层的的细粒，移移入到另一一层中去。。例如反滤滤层的淤塞塞。(5)化学管涌：：指土体中的的盐类被渗渗流水溶解解带走的现现象。二、非粘性性土管涌与与流土判别别产生管涌或或流土的细细颗粒临界界含量与孔孔隙关系：：（1）当土体细细颗粒含量量大于Pg时，可能产产生流土。。（2）当土体细细颗粒含量量小于或等等于Pg时，可能产产生管涌。。三、、滲滲透透变变形形的的临临界界坡坡降降与与允允许许坡坡降降1.产生生管管涌涌的的临临界界坡坡降降Jc与允允许许坡坡降降临界界坡坡降降计计算算公公式式：：允许许渗渗透透坡坡降降计算算公公式式：：2.产生生流流土土的的临临界界坡坡降降JB和允允许许坡坡降降太沙沙基基公公式式:四、、防防止止渗渗透透变变形形的的工工程程措措施施措措施施常用用的的工工程程措措施施:全面面截截阻阻渗渗流流，，延延长长渗渗径径；；设设置置排排水水设设施施；；设设置置反反滤滤层层；；设设排排渗渗减减压压井井。。砂石石反反滤滤层层的的结结构构、、设设计计原原则则、、材材料料。。土石石坝坝在在自重重、、水水荷荷载载、、渗渗透透压压力力和和地地震震荷荷载载作用用下下，，若若剖剖面面尺尺寸寸不不当当或或坝坝体体、、坝坝基基土土料料的的抗抗剪剪强强度度不不足足，，坝坝体体或或坝坝体体连连同同部部分分地地基基发发生生滑动动，造造成成失失稳稳。。坝坝基基内内有有软软弱弱夹夹层层时时，，也也可可能能发发生生塑性性流流动动。饱饱和和细细沙沙受受地地震震作作用用还还可可能能发发生生液化化失稳稳。。分析析目目的的：：分析析坝坝体体及及坝坝基基在在各各种种不不同同条条件件下下可可能能产产生生的的失失稳稳形形式式，，校校验验其其稳稳定定性性，，确确定定坝坝体体经经济济剖剖面面。。失稳稳特特点点：：坝体体由由散散粒粒材材料料组组成成，，不不会会出出现现整整体体滑滑动动或或倾倾覆覆失失稳稳，，只只可可能能发发生生局局部部失失稳稳破破坏坏。。4.5土石石坝坝的的稳稳定定分分析析4.5.1概述述稳定定破破坏坏形形式式滑动动：：坝或或坝坝基基材材料料的的抗抗剪剪强强度度不不够够，，沿沿某某一一滑滑动动面面向向下下坍坍滑滑。。液化化：：饱和和的的松松砂砂受受振振动动或或剪剪切切而而发发生生体体积积收收缩缩，，孔孔隙隙水水不不能能立立即即排排出出，，有有效效应应力力转转化化为为孔孔隙隙应应力力，，砂砂土土抗抗剪剪强强度度降降低低，，砂砂料料随随水水的的流流动动而而流流散散。。影响响因因素素：：有有效效粒粒径径小小，，孔孔隙隙比比大大，，砂砂料料均均匀匀，，受受力力体体大大，，受受力力猛猛，，透透水水性性小小，，易易液液化化。。美美国国福福特特派派克克坝坝380万立方米的砂砂体在10分钟内流失；；铁路桥因火火车振动而液液化。塑性流流动：：坝体或或坝基基剪应应力超超过了了土料料抗剪剪强度度，变变形超超过弹弹性极极限值值，坝坝坡或或坝脚脚地基基土被被压出出或隆隆起，，坝体体产生生裂缝缝或沉沉陷。。软粘粘土坝坝体容容易发发生。。1、曲面面滑动动面—滑动面面顶部部陡而而底部部渐缓缓，曲曲面近近似圆圆弧，，多发发生于于粘性性土中中。2、折线线滑动动面—多发生生于非非粘性性土坡坡，如如薄心心墙坝坝、斜斜墙坝坝；折折点一一般在在水面面附近近。3、复式式滑动动面—厚心墙墙或粘粘土及及非粘粘土构构成的的多种种土质质坝形形成复复式滑滑动面面。当当坝基基内有有软弱弱夹层层时，，滑动动面不不再向向下深深切，，而沿沿夹层层形成成曲、、直组组合的的复式式滑动动。4.5.2土壤抗剪强度指标的选取4.5.3稳定计计算情情况和和安全全系数数的采采用一、稳稳定计计算情情况1.正常运运用情情况:分三种种工况况；2.非常运运用情情况Ⅰ：分三三种工工况；；3.非常运运用情情况Ⅱ：正常常情况况遇到到地震震。二、安安全系系数的的采用用计入条条块间间作用用力时，不不小于于表4—9规定；；不计入入条块块作用用力时，另另考虑虑。4.5.4坝坡稳稳定分分析方方法一、圆圆弧滑滑动面面稳定定计算算1.瑞典圆圆弧法法基本原原理:将滑动动土体体分为为若干干铅直直土条条,不考虑虑条块块间的的作用用力,求得各各土条条对滑滑动圆圆心的的抗滑滑力矩矩和滑滑动力力矩,并求其其总和和。可根据据下式式求稳稳定安安全系系数：：计算步步骤：：（1）确定定圆心心、半半径，，绘制制圆弧弧。（2）将土土体编编号（（3）计算算土条条重量量（4）计算算安全全系数数：2.简化的的毕肖肖普法法该法计计及条条块间间作用用力，，故计计算较较为复复杂。。二、非非圆弧弧滑动动稳定定计算算1.非粘性性土坝坝坡部部分浸浸水的的稳定定计算算用铅直直线DE将滑滑动动土土体体分分为为两两块块,则土土块块BCDE沿CD滑动动面面的的力力平平衡衡式式为为:土块块ADE沿AD滑动动面面的的力力平平衡衡式式为为:=02.斜墙墙坝坝坝坝坡坡的的稳稳定定计计算算计算算滑滑动动面面abcd,将土土体体分分成成三三块块。。三、、复复合合滑滑动动面面厚心心墙墙滑滑动动面面，，通通过过砂砂性性土土部部分分为为直直线线，，通通过过粘粘性性土土部部分分为为圆圆弧弧。。可将将滑滑动动土土体体分分为为3个区区，，BC面上上的的抗抗滑滑力力S=Gtanφ+CL四、、最最危危险险滑滑裂裂面面确确定定4.6土料料选选择择与与填填土土标标准准确确定定筑坝坝材材料料选选择择应应遵遵循循的的原原则则：：（1）具具有有或或经经加加工工后后具具有有与与使使用用目目的的相相适适应应的的工工程程性性质质，，并并具具有有长长期期稳稳定定性性；；（2）就就地地、、就就近近取取材材，，减减少少弃弃料料（（环环境境污污染染）），，少少占占或或不不占占农农田田，，并并优优先先考考虑虑枢枢纽纽建建筑筑物物开开挖挖料料的的利利用用；；（3）便便于于开开采采、、运运输输和和压压实实近20年来来土土石石坝坝建建设设的的突突出出进进步步之之一一就就是是筑筑坝坝材材料料应应用用范范围围越越来来越越广广。。风风化化料料、、软软岩岩、、砾砾石石土土等等也也可可用用于于筑筑坝坝。。对对不不符符合合要要求求的的材材料料进进行行处处理理后后也也可可采采用用。。4.6.1坝体体不不同同部部位位对对土土石石料料的的要要求求1、防防渗渗土土料料渗透透系系数数：：均质质坝坝≤1e-4cm/s，，心墙墙和和斜斜墙墙≤1e-5cm/s。。水溶溶盐盐含含量量（指指易易溶溶盐盐和和中中溶溶盐盐，，按按质质量量计计））≤3%有机机质质含含量量：：均质质坝坝≤5%，心心墙墙和和斜斜墙墙≤2%，超超出出需需论论证证；；有较好的塑塑性和渗透透稳定性；；浸水与失水水时体积变变化小。我国主要采采用粘土、、壤土等细细粒土。缺缺点：天然然含水量高高，雨天难难施工，造造价高，压压缩性大，，降低心墙墙抗水力劈劈裂能力。。以下粘土不不宜作为防防渗体填筑筑料，必须须采用时应应采取适当当措施：塑性指数＞＞20和液限＞40%的冲积粘土；膨胀土;吸水膨胀，，失水收缩缩。开挖、压实实困难的干硬粘土；冻土；分散性粘土土。土粒间斥斥力大于引引力，遇低低盐水会脱脱落随渗水水流走。经经处理后开开用于填筑筑3级低坝。2、坝壳土石石料要求：具有有比较高的的强度。水水下部分要要求具有良良好的排水水能力。一一般可根据据材料性质质用于坝壳壳的不同部部位.。3、反滤料、、过渡料、、排水料要求：质地致密，，抗水性和和抗风化性性能满足工工程运用条条件；具有要求的的级配；具有要求的的透水性；；反滤料和排排水体料中中粒径＜0.075mm的颗粒含量量≤5%。4.6.2土料填筑标准的的确定填筑标准是是指土料的的压实程度度。根据施施工条件、、材料情况况，通过试试验，合理理确定填筑筑标准，达达到安全经经济目的。。综合考虑虑以下因素素：坝的级别、、高度、坝坝型和坝的的不同部位位；土石料的压压实特性和和采用的压压实机具；；坝料的填筑筑干密度和和含水率与与力学性质质的关系，，以及设计计对土石料料力学性质质的要求；；土料的天然然干密度、、天然含水水率，以及及土料进行行干燥或湿湿润处理的的程度；当地气候条条件对施工工的影响；；设计地震烈烈度及其它它动荷载作作用；坝基土的强强度和压缩缩性；不同填筑标标准对造价价和施工难难易度的影影响。1.粘性土的压压实标准粘性土的填填筑标准应应以压实度度和最优含含水率作为为设计控制制指标。压实度＝设设计干重度度/最大干重度度或：最优含水量量：在一定压实实功能下达达到最佳压压实效果的的含水量。。2.非粘性土料料的压实标标准非粘性土与与压实程度度与含水量量关系不大大，主要与与粒径级配配和压实作作用力性质质与压实功功能有关。。砂砾石和砂砂的填筑标标准应以相相对密度为为设计控制制指标:式中Dr－相对紧密度度e－设计孔隙比比emax－最大孔隙比比emin－最小孔隙比比。堆石的填筑筑标准宜用用孔隙率为为设计控制制指标。土石坝底面面积大，坝坝基应力较较小，坝身身具有一定定适应变形形的能力，，坝身断面面分区和材材料的选择择也具有灵灵活性，所所以，对天天然坝基的的要求低于于混凝土坝坝。对坝基处理理的要求也也不能放松松。据统计计，土石坝坝失事约有有40%是由于坝基基问题引起起的。坝基处理的的范围包括括河床和两两岸岸坡。。4.7土坝的地基基处理土石坝地基基处理的任任务是：1.控制渗流，，减少渗流流坡降，避避免管涌等等有害的渗渗流变形，，控制渗流流量