水工建筑物之土石坝渗流

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:

根据水流连续条件:q＝q1＝q2联立以上两式，可求得a0和q。浸润线方程可以用式(4—8）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‘。当下游无水时，各式中的H2=0。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。(2)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点并以排水起点为焦点的抛物线来表示。可得抛物线的公式为：

(3)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。即:

2.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，水头损失主要在心墙部位。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δ的矩形.联立求解h、q

3.斜墙坝的渗流计算将斜墙简化为等厚的矩形，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q。

四、有限深透水地基上的渗流计算1、均质坝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；再假定坝体不透水，计算坝基的渗流量；两者相加。下游无水时，通过坝体和坝基的单宽流量：下游有水时，通过坝体和坝基的单宽流量：2、心墙坝联立求得q和h。浸润线方程：近似认为上游坝壳中无水头损失，渗流计算分防渗体段和墙后段两部分。（1）有截水墙的情况计算方法与心墙坝类似：

（2）有铺盖情况近似认为铺盖与斜墙是不透水的。五、三总渗三流量三计算将土三石坝三沿坝轴三线分三为若三干段三，然后三分别三计算三选取断面三的单三宽渗三流量三，再计三算总三渗流三量。4.三4.三3渗透三变形三及防三止措三施一、三渗透三变形三分类三与特三点定义三：土石三坝及三地基三中的三渗流三，由三于物三理和三化学三作用三，土三体颗三粒流三失，三导致三土壤三发生三局部三破坏三，称三为渗三透变三形。渗透三变形三及其三发展三过程三与土三料性三质、三颗粒三级配三及水三流条三件、三防渗三、排三水措三施等三因素三有关三。常见三渗透三变形三的型三式：管涌三、流三土、三接触三冲刷三、剥三离、三化学三管涌三等。(1三)管涌三：在一三定渗三流作三用下三，土三体中三的细三颗粒三沿骨三架颗三粒所三形成三的孔三隙管三道移三动或三被渗三流带三走，三发生三于无三粘性三土中三（沙三砾料三）。(2三)流土三：指在三渗流三作用三下，三粘性三土及三均匀三无粘三性土三体被三浮动三的现三象。三流土三常见三于下三游逸三出处三。(3三)接触三冲刷三：渗流三沿着三两种三不同三介质三的接三触面三流动三时，三把其三中颗三粒层三的细三粒带三走。(4三)接触三流土三：渗流三垂直三于两三种不三同介三质的三接触三面流三动时三，把三其中三一层三的细三粒，三移入三到另三一层三中去三。例三如反三滤层三的淤三塞。(5三)化学三管涌三：指土三体中三的盐三类被三渗流三水溶三解带三走的三现象三。二、三非粘三性土三管涌三与流三土判三别产生三管涌三或流三土的三细颗三粒临三界含三量与三孔隙三关系三：（1）当三土体三细颗三粒含三量大三于Pg时，三可能三产生三流土三。（2）当三土体三细颗三粒含三量小三于或三等于Pg时，三可能三产生三管涌三。三、三滲透三变形三的临三界坡三降与三允许三坡降1.产生三管涌三的临三界坡三降Jc与允三许坡三降临界三坡降三计算三公式三：允许三渗透三坡降计算三公式三：2.产生三流土三的临三界坡三降JB和允三许坡三降太沙三基公三式:四、三防止三渗透三变形三的工三程措三施措三施常用三的工三程措三施:全面三截阻三渗流三，延三长渗三径；三设置三排水三设施三；设三置反三滤层三；设三排渗三减压三井。砂石三反滤三层的三结构三、设三计原三则、三材料三。土石三坝在自重三、水三荷载三、渗三透压三力和三地震三荷载作用三下，三若剖三面尺三寸不三当或三坝体三、坝三基土三料的三抗剪三强度三不足三，坝三体或三坝体三连同三部分三地基三发生滑动，造三成失三稳。三坝基三内有三软弱三夹层三时，三也可三能发三生塑性三流动。饱三和细三沙受三地震三作用三还可三能发三生液化失稳三。分析三目的三：分析三坝体三及坝三基在三各种三不同三条件三下可三能产三生的三失稳三形式三，校三验其三稳定三性，三确定三坝体三经济三剖面三。失稳三特点三：坝体三由散三粒材三料组三成，三不会三出现三整体三滑动三或倾三覆失三稳，三只可三能发三生局三部失三稳破三坏。4.三5土石三坝的三稳定三分析4.三5三.1概述稳定三破坏三形式滑动三：坝或三坝基三材料三的抗三剪强三度不三够，三沿某三一滑三动面三向下三坍滑三。液化三：饱和三的松三砂受三振动三或剪三切而三发生三体积三收缩三，孔三隙水三不能三立即三排出三，有三效应三力转三化为三孔隙三应力三，砂三土抗三剪强三度降三低，三砂料三随水三的流三动而三流散三。影响三因素三：有三效粒三径小三，孔三隙比三大，三砂料三均匀三，受三力体三大，三受力三猛，三透水三性小三，易三液化三。美三国福三特派三克坝38三0万立三方米三的砂三体在10分钟三内流三失；三铁路三桥因三火车三振动三而液三化。塑性三流动三：坝体三或坝三基剪三应力三超过三了土三料抗三剪强三度，三变形三超过三弹性三极限三值，三坝坡三或坝三脚地三基土三被压三出或三隆起三，坝三体产三生裂三缝或三沉陷三。软三粘土三坝体三容易三发生三。1、曲三面滑三动面—滑动三面顶三部陡三而底三部渐三缓，三曲面三近似三圆弧三，多三发生三于粘三性土三中。2、折三线滑三动面—多发三生于三非粘三性土三坡，三如薄三心墙三坝、三斜墙三坝；三折点三一般三在水三面附三近。3、复三式滑三动面—厚心三墙或三粘土三及非三粘土三构成三的多三种土三质坝三形成三复式三滑动三面。三当坝三基内三有软三弱夹三层时三，滑三动面三不再三向下三深切三，而三沿夹三层形三成曲三、直三组合三的复三式滑三动。4.三5.三2土壤抗剪强度指标的选取4.三5.三3稳定三计算三情况三和安三全系三数的三采用一、三稳定三计算三情况1.正常三运用三情况:分三三种工三况；2.非常三运用三情况Ⅰ：分三三种三工况三；3.非常三运用三情况Ⅱ：正三常情三况遇三到地三震。二、三安全三系数三的采三用计入三条块三间作三用力时，三不小三于表4—三9规定三；不计三入条三块作三用力时，三另考三虑。4.三5.三4坝坡三稳定三分析三方法一、三圆弧三滑动三面稳三定计三算1.瑞典三圆弧三法基本三原理:将滑三动土三体分三为若三干铅三直土三条,不考三虑条三块间三的作三用力,求得三各土三条对三滑动三圆心三的抗三滑力三矩和三滑动三力矩,并求三其总三和。可根三据下三式求三稳定三安全三系数三：计算三步骤三：（1）确三定圆三心、三半径三，绘三制圆三弧。（2）将三土体三编号三（3）计三算土三条重三量（4）计三算安三全系三数：2.简化三的毕三肖普三法该法三计及三条块三间作三用力三，故三计算三较为三复杂三。二、三非圆三弧滑三动稳三定计三算1.非粘三性土三坝坡三部分三浸水三的稳三定计三算用铅三直线DE将滑三动土三体分三为两三块,则土三块BC三DE沿CD滑动三面的三力平三衡式三为:土块AD三E沿AD滑动三面的三力平三衡式三为:=02.斜墙三坝坝三坡的三稳定三计算计算三滑动三面ab三cd,将土三体分三成三三块。三、三复合三滑动三面厚心三墙滑三动面三，通三过砂三性土三部分三为直三线，三通过三粘性三土部三分为三圆弧三。可将三滑动三土体三分为3个区三，BC面上三的抗三滑力S=Gt三anφ+C三L四、三最危三险滑三裂面三确定4.三6土料三选择三与填三土标三准确三定筑坝三材料三选择三应遵三循的三原则三：（1）具三有或三经加三工后三具有三与使三用目三的相三适应三的工三程性三质，三并具三有长三期稳三定性三；（2）就三地、三就近三取材三，减三少弃三料（三环境三污染三），三少占三或不三占农三田，三并优三先考三虑枢三纽建三筑物三开挖三料的三利用三；（3）便三于开三采、三运输三和压三实近20年来三土石三坝建三设的三突出三进步三之一三就是三筑坝三材料三应用三范围三越来三越广三。风三化料三、软三岩、三砾石三土等三也可三用于三筑坝三。对三不符三合要三求的三材料三进行三处理三后也三可采三用。4.三6.三1坝体三不同三部位三对土三石料三的要三求1、防三渗土三料渗透三系数三：均质三坝≤1e-三4c三m/三s，心墙三和斜三墙≤三1e-三5c三m/三s。水溶三盐含三量（指三易溶三盐和三中溶三盐，三按质三量计三）≤3三%有机三质含三量：均质三坝≤5三%，心三墙和三斜墙≤2三%，超三出需三论证三；有较三好的三塑性三和渗三透稳三定性三；浸水三与失三水时三体积三变化三小。我国三主要三采用三粘土三、壤三土等三细粒三土。三缺点三：天三然含三水量三高，三雨天三难施三工，三造价三高，三压缩三性大三，降三低心三墙抗三水力三劈裂三能力三。以下三粘土三不宜三作为三防渗三体填三筑料三，必三须采三用时三应采三取适三当措三施：塑性三指数三＞20和液三限＞40三%的冲积三粘土；膨胀三土;吸水三膨胀三，失三水收三缩。开挖三、压三实困三难的干硬三粘土；冻土；分散三性粘三土。土三粒间三斥力三大于三引力三，遇三低盐三水会三脱落三随渗三水流三走。三经处三理后三开用三于填三筑3级低三坝。2、坝三壳土三石料要求三：具三有比三较高三的强三度。三水下三部分三要求三具有三良好三的排三水能三力。三一般三可根三据材三料性三质用三于坝三壳的三不同三部位.。3、反三滤料三、过三渡料三、排三水料要求三：质地三致密三，抗三水性三和抗三风化三性能三满足三工程三运用三条件三；具有三要求三的级三配；具有三要求三的透三水性三；反滤三料和三排水三体料三中粒三径＜0.三07三5mm的颗三粒含三量≤5三%。4.三6.三2土料填筑三标准三的确三定填筑三标准三是指三土料三的压三实程三度。三根据三施工三条件三、材三料情三况，三通过三试验三，合三理确三定填三筑标三准，三达到三安全三经济三目的三。综三合考三虑以三下因三素：坝的三级别三、高三度、三坝型三和坝三的不三同部三位；土石三料的三压实三特性三和采三用的三压实三机具三；坝料三的填三筑干三密度三和含三水率三与力三学性三质的三关系三，以三及设三计对三土石三料力三学性三质的三要求三；土料三的天三然干三密度三、天三然含三水率三，以三及土三料进三行干三燥或三湿润三处理三的程三度；当地三气候三条件三对施三工的三影响三；设计三地震三烈度三及其三它动三荷载三作用三；坝基三土的三强度三和压三缩性三；不同三填筑三标准三对造三价和三施工三难易三度的三影响三。1.粘性三土的三压实三标准粘性三土的三填筑三标准三应以三压实三度和三最优三含水三率作三为设三计控三制指三标。压实三度＝三设计三干重三度/最大三干重三度或：最优三含水三量：在一三定压三实功三能下三达到三最佳三压实三效果三的含三水量三。2.非粘三性土三料的三压实三标准非粘三性土三与压三实程三度与三含水三量关三系不三大，三主要三与粒三径级三配和三压实三作用三力性三质与三压实三功能三有关三。砂砾三石和三砂的三填筑三标准三应以三相对三密度三为设三计控三制指三标:式中Dr三－相对三紧密三度e－设计三孔隙三比ema三x－最大三孔隙三比emi三n－最小三孔隙三比。堆石三的填三筑标三准宜三用孔三隙率三为设三计控三制指三标。土石三坝底三面积三大，三坝基三应力三较小三，坝三身具三有一三定适三应变三形的三能力三，坝三身断三面分三区和三材料三的选三择也三具有三灵活三性，三所以三，对三天然三坝基三的要三求低三于混三凝土三坝。对坝三基处三理的三要求三也不三能放三松。三据统三计，三土石三坝失三事约三有40三%是由三于坝三基问三题引三起的三。坝基三处理三的范三围包三括河三床和三两岸三岸坡三。4.三7土坝三的地三基处三理土石三坝地三基处三理的三任务三是：1.控制三渗流三，减三少渗三流坡三降，三避免三管涌三等有三害的三渗流三变形三，控三制渗三流量三；2.保持三坝体三和坝三基的三静力三和动三力稳三定，三不产三生过三大的三有害三变形三，不三发生三明显三的均三匀沉三降，三竣工三后，三坝基三和坝三体的三总沉三降量三一般三不宜三大于三坝高三的1%；3.在保三证坝三安全三运行三的条三件下三节省三投资三。4.三7.三1砂卵三石地三基处三理1.垂直三防渗三设施（1）粘三土截三水墙适用三于透三水层三深度三较小三的情三况。(2三)混凝三土防三渗墙适用三于透三水层三深度三大于50m的地三基。（3）帷三幕灌三浆采用三高压三定向三喷射三灌浆三技术三，通三过喷三嘴的三高压三气流三切割三地层三成缝三槽，三在缝三槽中三灌压三水泥三砂浆三，凝三结后三形成三防渗三板墙三。可处三理较三深的三砂砾三石地三基，三但对三地层三的可三灌性三要求三高。可灌三性：M=三D15/d85M大时三，可三灌性三好。帷幕三厚度三：T=三