土石坝渗流与稳定讲义

第四节土石坝的渗流分析

散粒体的渗流：水库蓄水后，由于上下游水位差的关系，水流会通过坝体土粒之间的空隙从上游向下游流动。

图6-13

渗流示意图

第四节土石坝的渗流分析渗流计算目的：为确定经济可靠的坝型和合理的结构尺寸提供重要依据渗流计算任务：确定坝体浸润线及其下游逸出点的位置，绘制坝体积地基内的等势线分布或流网图，提供坝体稳定分析、应力计算和排水设备选择之用确定坝体与地基渗流量，以便估计水库渗漏损失和确定坝体排水的尺寸确定坝坡出逸段与下游地基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透坡降，以判断该处的渗透稳定性确定库水位降落时上游坝壳内自由水面的位置，估算由此产生的孔隙压力，供上游坝坡稳定分析之用常用的渗流分析方法：流体力学方法、水力学方法、流网法和试验法。

一土石坝渗流的基本方程及其解法（一）渗流的基本方程土坝渗流为层流，渗流区内任一点满足拉普拉斯方程：式中：、为x、y方向的渗透系数（二）渗流问题的水力求解

假设:均质,层流,稳定渐变流.应用达西定律(Darcy’sLaw)，假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等。如图示为一不透水地基上的矩形土体，此时过流断面上的平均流速为：

设单宽流量为q，则

(*)将上式自上游面（x=0,y=H1)至下游面（x=L,y=H2)积分，得：对（*)积分，可得浸润线方程：不透水地基上矩形土体的渗流计算图图6-15

土坝浸润线示意图

二计算土石坝渗流的水力学方法

（一）不透水地基上土石坝的渗流计算

1.

均质坝的渗流计算下游无排水：计算时把土石坝断面分为上游三角形、中间段和下游三角形三段上游三角形渗流区域的等效宽度为：

将上游三角形和中间段合成一段通过这段渗流区域的渗流量为：

均质坝计算简图

下游三角形段，以下游水面为界，分为水上部分和水下部分。和为等势线，非等势线也非流线。应用达西定律可得其渗流量：根据水流连续条件联立求解即可得浸润线方程和逸出高度。

下游有褥垫排水：根据流体力学分析表明，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。B点高度为，则C点位置。由于浸润线过和，浸润线方程为：

浸润线通过点:

有褥垫排水的渗流计算图由此可得EODBA段的单宽流量：下游棱体排水：当下游无水时和褥垫式相同；当下游有水时，如下图所示，可将下游水位以上部分按照无水情况处理。

单宽流量为：有棱体排水时渗流计算图2.

心墙坝的渗流计算

心墙土料的渗透系数一般很小，比坝壳小倍以上，计算时可不考虑上游楔体降落水头的作用。下游坝壳的浸润线比较平缓，水头主要集中在心墙部位损失。当下游有排水时，近似的假定浸润线的逸出点为下游水位和堆石内坡的交点A，如下图所示。心墙坝的渗流计算

将心墙简化成等厚的矩形断面:则通过心墙段的单宽流量为：心墙下游坝壳的单宽流量为：根据联立求解，可求得心墙后浸润线高度和渗流量。下游坝壳的浸润线仍按计算。3.斜墙坝的渗流计算斜墙坝渗流计算

将变厚度的斜墙简化成为厚度为的等厚斜墙，这样通过斜墙的渗流量为：斜墙后坝壳的渗流量为：由联立求解可得q和h。坝体的浸润线方程仍为：

三流网法适用：剖面、边界条件复杂，用计算方法比较困难时流网绘法：根据经验确定浸润线位置及逸出点将上、下游水位差分为n等分，等分水平线与浸润线交点即等势线与浸润线的交点，由这些交点绘制等势线绘制与等势线正交的流线。反复修正为相互正交、长宽相等网格，即流网由流网求渗流要素流网的绘制（一）渗流要素计算

渗流场内任一点i的流速，可用i点所在网格的平均流速来代表：其中，k为土壤渗透系数；为i点所在网格相邻两根等势线之间的平均流线长度；为两根等势线之间的水头差，H1、H2为上下游水头；n为等势线的数目。因而：流管的流量为：式中为i点所在的网格相邻流线之间的距离，即i网格的高度，如为正方形,此时：根据流网性质，在正交曲线簇组成的流网中，个流管的渗流量应该相同：，于是单宽流量为：

单宽流量为：

作用在I处单位土体的渗透力为：

式中：m为流管数，其值为流线总数减去1。

(二）不同土层分界处的流网

渗流通过两种不同土壤的交界面，其流线和等势线将发生转折，按照连续条件，通过相邻两流线的流量不变：

AA1、BB1为等势线，假定此时两等势线之间的水头损失为dh，则：不同土层界面处的流线（三）各向异性土体内的流网受施工与沉积因素影响，坝身、坝基的水平向渗透系数一般大于竖直向，若达几倍以上则应考虑土体的各向异性。在绘制流网时，先变换实际剖面，水平尺寸按换算，然后在变换的剖面上按一般方法绘制成网，最后将该剖面及流网的水平尺寸乘以，即可得实际剖面的流网。几种不同类型土石坝的流网图如下：

（a）（b）（c）不同类型土石坝的流网图（a）均质坝；（b）粘土心墙坝；（c）粘土斜心墙坝

四渗透稳定的计算（一）渗透变形的形式管涌多发生在缺乏中间粒径的非粘性土中，细颗粒先被渗流带走，土的孔隙逐渐增大，继而较大颗粒相继带出，形成挟沙渗流集中通道，导致土体结构破坏.流土在渗流作用下，土体同时浮动或流动，多发生于粘性土或均匀的非粘性土中3.

接触流失渗流垂直于渗透系数相差较大的两相邻土层的接触面二流动时，将渗透系数小较小层中的细颗粒带入渗透系数较大的另一土层.4.

接触冲刷当渗流沿着粗细两种土层的接触面或建筑物与地基的接触面流动时，沿层面带走细颗粒的现象.土层接触面处的渗透变形1－渗流；2－粘性土；3－砂砾；4－粘土（二）剃渗鄙透变形塞型式判粥别影响渗蔑透变形怪的因素吼：土体密哲实度程寄度、颗正粒级配昏、细粒刷含量渗透死变形冷形式妄判断宝依据三：流土过渡型不均收匀系疲数傻管毫涌>3鼓5%流土25~萄35%过渡型细颗惰粒含草量<25巩%管涌（三掏）肾渗通透破测坏标昼准土体夫在渗梁流作超用下破是否纱产生尺渗透趟破坏后，主板要取抓决于丈土体哭本身耻的抗绑渗强缠度，合以临姐界坡斥降作为判椒定标准一般管团涌按下希式计算锄：其中：d——流失揉颗粒信的粒情径，唤可取甘为小骗于这盖个粒精径土石壤颗限粒占3％～5％，cm；k—足—渗透系数鼓，cm/危s；n—视—孔隙率创。对流土获通常采齐用太沙北基公式肤：其中丢：——土粒疫容重确；——水的苏容重悟；n—僵—土的锯孔隙找率。（四）肚增桨加渗透切稳定性踪蝶的工程期措施增大琴渗透吨途径号，降书低渗锯透坡零降或裁截阻患渗流增设缠排水街沟或蚕减压钳井，鲁降低约下游薪渗流蛮出口兄处的抬渗透爬压力模，将乌渗水巩由计成划的抚排出（五）恳反绿滤层设禾计作用：渗流昂出口撒或进震入排料水处咳，坡圈降较划大，篮流速沫较快航，易李产生镰渗透扬变形包。为验防止务土体在渗流妇作用下挣发生渗难透变形撇，防渗性体与坝木壳或坝中基透水埋层之间炸、排水刊与坝体势和土壤稻之间必须吉设置闻反滤座层。型式测：土反叛滤、载土工贺织物塞反滤基本要潮求：透水性检大于被酿保护土抱，能通阻畅的排冈除渗透策水流使被骗保护炎土不客发生建渗透毫变形不致散被细拦粒土颠淤塞级失效在防渗汽体出现笨裂缝情桌况下，歌土颗粒桐不会被温带出反驰滤层，帽能使裂罢缝自行括愈合反滤层亭的设计忧：反滤亲料一即般采途用比在较均科匀的嫩抗风榨化砂补、砾倚卵石堵或碎趣石。狗反滤本层的替级配房诚和层劈燕数通棕过计算比贵较确握定。法一般萍要求什反滤托料的皇不均桃匀系弃数<5已~8；相螺邻两矩层间移系数醉应满帜足：式中耳，——反滤料欲的粒径警小于该雹粒径的链土占总共土重的15％；——被保护幅土的粒径掘，小逢于该拆粒径绑的土栋占总尤土重来的85％；——被保建护土脏的粒魔径小羽于该怜粒径僚的占辰总土蝴重的15％。对于被坏保护土随的第一雪层反滤脖料，建滴议：第五节奇土粗石坝的沸稳定分吹析一亲目扩的分析词坝体挡及坝随基在陵不同培工况区下可率能的甘失稳何型式挺，验螺算其施稳定篇性，宗定出随经济恢剖面攀。二利可臭能失蜓稳型存式土体抗铅剪强度唯不足——滑动坝基类内有陆软弱折夹层——塑性流仍动饱和站细沙吸受地乎震荷匙载作沉用——液化三矮滑萌动面馆型式曲面——粘土坡折线——非粘叹性土薯坡复式——厚心慕墙坝奸或坝诞基内诸存在踏软弱文夹层四荷载1.坝体跟自重土石坝恋的主要脸荷载，宣应根据漂其位于真水上、婚水下情啄况分别疫选取湿住容重、凶浮容重覆计算2.孔隙闲水压熊力机理土体可陪压缩，时水不可禽压缩，驱且不能敏传递剪罚力，当母土体孔页隙被饱赛和后，枣其上所捕加荷载压将全部业由水承律担，在垄孔隙水芝因受压岂而排出怎时逐渐丧转移到闲土体骨渔架上。炮土体骨从架承担玩的有效源应力与披孔隙水彩压力之宅和为总融压力需考动虑工植况（对远粘性谱土）快施工惨期、卵库水邮位骤较降时吓、地瞒震时考虑方跳法总应力倍法与有衔效应力疗法3.地震担荷载地震碗惯性壶力按吩拟静怜力法产计算杀，沿漫坝高金作用磨于质姓点i处的水章平向地卡震惯性串力PI为：式中：——水平向录地震系筹数，与席地震烈砖度有关浪；——综合临影响亚系数剪，常等取0.价25；——地震千加速胜度分督布系洽数；——集中翼在i质点的气质量竖向培地震杆力也杰按水竟平向调地震歪惯性驼力公接式计鼻算，枝其中对设右计烈箩度是8、9度的Ⅰ、Ⅱ级坝，取应同时宏考虑水遗平向和胀竖向地阴震惯性蜻力，此贩时竖向预地震惯性遣力还获应乘羞以0.塌5的遇合遇系数。五递计算工铸况水库辩正常连蓄水续位酬下游袭坡正常运顽用时偿水束位降落露上游坡最不利货水位时脏上游稿坡水位猾骤降革上游霜坡非常虫运用随时护施云工期攻上下编游坡校核汪水位胁下游荷坡地震肌时上培、下拘游坡六通抗滑稳栽定分析煌方法土石刮坝的皱坝坡访稳定箭分析词常采涌用极限平权衡理论。依钳据不教同的父滑坡堡形式霸，分无为圆绳弧滑倦动法、折笼线滑动便法和复盈式滑动符法。1.圆弧滑仗动法（1）瑞距典条刺分法适用蛮范围：均质返坝、咱厚心拌墙和醉厚斜吩墙坝的可能罪滑动面厉都近似临圆弧原理：假克定坝马体或庸坝基或有一强系列比圆柱堡型破哗坏面栗，按松平面记问题疲考虑议即为勺圆弧恩面。诵圆弧绞内的冷土体友其绕株圆心椒的抗腿滑力赢矩大裙于滑特动力阔矩则肌稳定航，否兵则边肥坡丧余失稳映定单个凶可能休滑动秀体的推方法鲜与步将骤：首先确枪定坝体广浸润线财位置，店在不同细区域采旱用不同驼的物理听力学性烘质指标梅。坝体浸润线端以上采用湿容重。对浸润线跳以下的坝体餐，计算滑动力店矩时用饱和容蝇重，计测算抗滑力首矩时则允用浮容重破。将圆弧袭内土体练分成若干干条，煎为方便们计算，未土体宽责度b取为坡半径R的份稳数，痒即b＝R/箱m，m常用10～20。以i土条访为例恼，其张自重伶，品在脸滑弧愈上可朝分解怨为切侮向分黎力和法向州力偶。芬忽略条值块剪相化互作用身力，边江坡的稳井定安全诸系数为怜：即：坝坡种稳定锅计算膜示意阅图土条惑编号宰方法寒是以腰圆心箱正下刚方的塘一条袜为i＝0，并歇依次咐向上袭游i＝1，2，3……，向帝下游门为i＝－1，－2，－3，……于是有区：因此：对于高跃坝，用翠有效应旺力法更宽符合实攻际，采茫用有效裕应力指静标诞，坝坡秒安全系迅数如下棒：×最危险旁滑弧位炼置的确尝定：按斗照一定瓦方式，勾取一系泳列的滑谱动面验州算，即却可求出以最小安雀全系数咱，相尽应的撤滑动鬼面即丽为最亮危险熊或具若有最闹小安续全系稼数的注滑动意面（2）毕概肖普徒法毕肖凶普法奴考虑遵了土沃条两影侧的急作用恢力条块间复作用力渠为任意送向的滑训弧数值左分析（a）滑印动土研块；养（b）条帮块的踪蝶力平控衡图设ABC铺D为一惕末浸路水的偷圆弧阻滑动抹面。击假定盲条块性两侧吼的作桂用力悲为，G为条块倡重量；N为条块该底面上获的法向宫力；皇为条块倘底面的兄有效法块向力；u为条朝块底枕面的孔隙拾水压惰力；S为条碑块底伤面上辈有效乱剪力硬；敬为土蔑体的归有效虾抗剪宴强度临指标榜。滑动唐面BC上产板生的糠剪力撕为：根据滑湖动平衡枣条件：则：（*)根据（b）一个毫条块的寒力平衡重图，求摇得N、ul，犬代入妇式（芝*)，化简胀得：（1）式中遗是未柜知量报，需将先按贞试算由法求即出：土条间框的Xn、Vn为内亩力，考其平类衡方雅程为百：（2）条块的别力平衡抹图（b）为：（3）计算赞时先蓬假定随各土名条间柿的产，检向查是绸否满麦足（2）、（3），丛若满耍足则吧用（1）计算安扭全系数Kc2.折线滑伐动法（1）番非粘督性土蚊坡计腰算非粘枯性土呀坝坡个的滑乓动面购近似登折线驴，折物点高此程常嚷在水犬位附巡寿近滑动屑面上量的抗启剪强拦度利荒用充舍分程赠度应土该是旬一样承的。佣其安狸全系糖数的典表达喇方式蹦为：式中Kc即为安付全系数续，将为试验生得到的晚抗剪强丧度指标辣。计算番中把露滑动泼土体AB域CE宵A分成汽两个列滑块栏，滑妄块间泪的滑市面为BD，与采铅直猪线成照角。在该染面上捏，土有块间谦相互蒜作用作力与BD面法线庸成摩擦劲角沈。计掩算时假踩设不同神的安全投系数Kc，从俱滑块BC鱼ED的平各衡条描件中硬求出P，然后侄将其作傍用在AB司D上，看访他是否勺与G2、R2等平衡闹；如往不平抗衡则淘重新巩假定诱安全胳系数此，重欣复上悠述步烤骤，缘瑞直到忧平衡携为止舰，此躲时的Kc即为该滑动面他的安全抬系数非粘茫性土厚坡稳剃定计医算图从滑瓦动土召体BCE劈燕D平衡说可得退：（4）从滑戒动土帖体AB行D平衡弯可得（5）联立（4）（5）可得干：（6）在上始述计茅算中粒，袋都宁是任厉意假零定的霉。最精危险分水位受及其窜滑动直面位粘置及声相应六的安象全系满数，愈需通射过试殖算才添能决多定。（2）斜墙锻及其保以护层的消计算斜墙和辱保护层嗽及斜墙比与坝体躲，由两各种不同出的土料疾填筑，跳在接触法面处往往强馒度较低抓，保护兄层或连隶同斜墙休可能沿读这类接按触面产至生滑动峡。斜墙连吹同保护钉层一起按滑动的裁稳定计渗算斜墙连崭同保护怕层的稳闹定计算嘉，一般蜓呈四个乱直线段索。假定励折线滑员