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）不同类贵型土石违坝的流孔网图（a）均粱质坝尘；（b）粘风土心良墙坝银；（c）粘哪土斜碍心墙之坝四急渗透稳你定的计逗算（一）彼渗透变桨形的形蛇式管涌多发棉生在鄙缺乏帖中间子粒径院的非旗粘性愤土中纲，细巾颗粒超先被邀渗流般带走磁，土流的孔枪隙逐倚渐增断大，县继而较倚大颗男粒相芒继带自出，社形成最挟沙敌渗流辣集中词通道承，导撒致土粪体结陪构破宿坏.流土在渗流绵作用下柱，土体筐同时浮且动或流点动，多歪发生于灭粘性土夹或均匀搭的非粘锐性土中3.接触庄流失渗流捏垂直搞于渗腾透系升数相碑差较饶大的态两相撕邻土忠层的夸接触保面二肿流动球时，唇将渗浩透系禽数小缩慧较小层中粱的细验颗粒错带入交渗透勇系数质较大笛的另左一土诸层.4.接触垂冲刷当渗流写沿着粗尘细两种普土层的焰接触面房诚或建筑皮物与地请基的接赛触面流辩动时，藏沿层面赞带走细冈颗粒的现拌象.土层显接触好面处姑的渗座透变慢形1－渗流肌；2－粘性杂土；3－砂砾总；4－粘抽土（二坏）苹渗庙透变颂形型傍式判捡别影响监渗透绘变形警的因龟素：土体滩密实艇度程恐度、泻颗粒岸级配念、细蕉粒含悦量渗透议变形悼形式冠判断算依据虹：流土过渡丘型不均匀娇系数毕管散涌>3词5%流土25~蔑35%过渡元型细颗堤粒含德量<2辣5%管涌（三）修渗伪透破坏崭标准土体在战渗流作罪用下是佳否产生年渗透破胞坏，主互要取决月于土体谷本身的笋抗渗强按度，以触临界坡辉降作为判崖定标准一般末管涌典按下努式计缓算：其中：d—伴—流失颗嫁粒的粒唐径，可丘取为小云于这个匆粒径土谜壤颗粒讯占3％～5％，cm；k——渗透系数村，cm量/s；n—卖—孔隙秘率。对流桑土通球常采党用太躬沙基能公式来：其中牧：——土粒役容重大；——水的容卵重；n—悟—土的倘孔隙害率。（四援）耀增泡加渗伐透稳废定性倦的工绪程措瘦施增大渗旷透途径投，降低绝渗透坡犯降或截绢阻渗流增设排工水沟或柄减压井从，降低碗下游渗铁流出口咬处的渗腾透压力坟，将渗陷水由计献划的排阀出（五距）亚反看滤层请设计作用：渗流源出口即或进涛入排后水处灰，坡宅降较窄大，萌流速鄙较快讯，易走产生漠渗透筛变形晓。为沸防止旦土体在渗蜻流作嘉用下宜发生文渗透湖变形袋，防览渗体些与坝叮壳或巾坝基赵透水购层之裹间、少排水扇与坝弯体和珠土壤钻之间必须球设置摸反滤衬层。型式：土反眉滤、昨土工糖织物减反滤基本稀要求客：透水今性大辆于被浓保护盖土，盘能通纪畅的睛排除掀渗透抛水流使被保裕护土不译发生渗抄透变形不致顾被细弓粒土辅淤塞交失效在防敢渗体水出现匹裂缝股情况丈下，盒土颗染粒不鼠会被油带出谋反滤苍层，周能使跑裂缝独自行训愈合反滤层完的设计会：反滤料觉一般采拾用比较蹦均匀的朵抗风化不砂、砾先卵石或杀碎石。宏反滤层鸣的级配嘉和层数姨通过计算比蒜较确回定。贺一般忧要求朋反滤垒料的皆不均声匀系形数<5~蹄8；相席邻两疗层间蜻系数漏应满检足：式中辽，——反滤料粘的粒径治小于该用粒径的志土占总豆土重的15％；——被保粘护土沾的粒径，录小于该偷粒径的伍土占总何土重的85％；——被保护垄土的粒烦径小于贵该粒径锦的占总泳土重的15％。对于被肠保护土添的第一绿层反滤耽料，建何议：第五节劣土婚石坝的迅稳定分敞析一竞目沿的分析坝臭体及坝焦基在不击同工况等下可能辞的失稳猾型式，捐验算其峰稳定性灰，定出品经济剖响面。二标可抢能失颗稳型毫式土体抗占剪强度捐不足——滑动坝基举内有黄软弱园夹层——塑性流注动饱和雾细沙拘受地材震荷穷载作潮用——液化三每滑动面旺型式曲面——粘土坡折线——非粘性自土坡复式——厚心墙引坝或坝喇基内存寨在软弱康夹层四荷载1.坝体自妥重土石坝菜的主要妨荷载，划应根据截其位于汉水上、雁水下情糊况分别扎选取湿忙容重、深浮容重扰计算2.孔隙磨水压炉力机理土体恳可压妻缩，屋水不句可压缎缩，治且不炭能传甲递剪郊力，局当土挠体孔突隙被裕饱和补后，耕其上还所加兼荷载除将全炉部由所水承乎担，娱在孔携隙水绵因受原压而棍排出恰时逐电渐转晋移到烛土体大骨架出上。霜土体抹骨架棉承担涨的有插效应键力与姥孔隙列水压岂力之赞和为创总压蚊力需考虑屈工况（对掉粘性落土）适施工医期、孔库水递位骤脾降时况、地漏震时考虑志方法总应兔力法疾与有译效应膊力法3.地震尖荷载地震隔惯性丛力按竖拟静屈力法锐计算怒，沿润坝高裙作用王于质娱点i处的笑水平挠向地围震惯赠性力PI为：式中：——水平向积地震系呜数，与薯地震烈圣度有关晃；——综合影宿响系数嚼，常取0.2哀5；——地震加油速度分笔布系数讯；——集中森在i质点的恨质量竖向把地震湿力也丹按水浴平向两地震歪惯性去力公跌式计染算，潮其中对设计筛烈度是8、9度的Ⅰ、Ⅱ级坝，锡应同时中考虑水挺平向和竭竖向地膝震惯性凯力，此幅时竖向径地震惯性力锦还应乘挂以0.5的遇合画系数。五丝式计算工庄况水库墓正常兵蓄水读位泡下游旬坡正常锦运用亚时施水位持降落茂上墓游坡最不利都水位时煎上游摩坡水位述骤降集上游柜坡非常运坑用时庸施工拔期上下胜游坡校核豪水位蛮下游秧坡地震省时上蛋、下晒游坡六御抗滑稳羽定分析拒方法土石广坝的短坝坡凤稳定己分析肃常采劫用极限平踏衡理论。依据嘴不同的械滑坡形页式，分滩为圆弧兵滑动法、折肃线滑动陵法和复旦式滑动伪法。1.圆弧干滑动湿法（1）瑞己典条穿分法适用艳范围：均质拆坝、律厚心蝴墙和录厚斜蚕墙坝的可避能滑理动面械都近树似圆榆弧原理：假定栗坝体或适坝基有切一系列牵圆柱型蓬破坏面岗，按平绵面问题扶考虑即撞为圆弧提面。圆谁弧内的淘土体其蛋绕圆心档的抗滑麦力矩大干于滑动户力矩则将稳定，辜否则边愁坡丧失蜻稳定单个可生能滑动笛体的方黑法与步愚骤：首先摇确定召坝体矩浸润挎线位西置，膨在不检同区述域采绍用不窜同的娱物理信力学章性质提指标灯。坝专体浸润线悦以上采用湿容惰重。对浸润线狮以下的坝缝体，香计算滑动下力矩时用饱和容犬重，计算抗滑力杂矩时则用浮容重均。将圆拼弧内蹄土体潜分成装若干碎条，花为方仇便计抹算，党土体仇宽度b取为朱半径R的份数反，即b＝R/贤m，m常用10～20。以i土条旅为例纵，其铃自重僻，纱在雪滑弧绩上可观分解黑为切挂向分尾力和法向迹力般。府忽略条图块剪相围互作用盘力，边滩坡的稳丢定安全及系数为安：即：坝坡采稳定呀计算娱示意康图土条概编号亡方法园是以英圆心窝正下晌方的劳一条刊为i＝0，并依旨次向上气游i＝1，2，3…糠…，向下跟游为i＝－1，－2，－3，……于是遇有：因此：对于高微坝，用肃有效应肺力法更饭符合实跃际，采薄用有效合应力指新标君，坝坡圣安全系闪数如下或：×最危险蜓滑弧位躁置的确叠定：按哥照一定佛方式，帅取一系滥列的滑胆动面验部算，即航可求出浑最小安志全系数谈，相卫应的妥滑动欺面即撑为最罪危险途或具小有最钩小安嗽全系值数的慨滑动刚面（2）毕肖辱普法毕肖跌普法脱考虑载了土港条两脚侧的标作用逃力条块间病作用力道为任意锯向的滑转弧数值炕分析（a）滑动舰土块；波（b）条块模的力平益衡图设AB施CD为一燃末浸炼水的划圆弧肯滑动宅面。框假定察条块津两侧已的作收用力本为，G为条块季重量；N为条块陡底面上赛的法向渴力；殃为条块靠底面的测有效法友向力；u为条块虽底面的孔隙水皱压力；S为条魄块底壁面上啊有效扫剪力辆；还为土愤体的奏有效尚抗剪出强度脑指标霞。滑动贿面BC上产生织的剪力猛为：根据灿滑动殿平衡厘条件常：则：（*)根据（b）一个阅条块的考力平衡出图，求安得N、ul，帜代入弃式（跪*)，化简抽得：（1）式中秃是未知膏量，需你先按试结算法求紧出：土条间杜的Xn、Vn为内胞力，答其平距衡方味程为旱：（2）条块色的力词平衡钥图（b）为圈：（3）计算电时先代假定肺各土颂条间雷的咐，检午查是秃否满鸭足（2）、贝（3），若驼满足则您用（1）计算纤安全止系数Kc2.折线滑诉动法（1）非票粘性土茎坡计算非粘清性土世坝坡垫的滑廉动面政近似到折线扬，折资点高诉程常疯在水悄位附涨近滑动面芒上的抗崭剪强度庄利用充轨分程度挠应该是何一样的缴。其安冈全系数土的表达侮方式为：式中Kc即为安倍全系数伙，逐为试验根得到的挤抗剪强帐度指标倡。计算中梅把滑动陡土体ABC伟EA分成两牲个滑块胁，滑块狠间的滑想面为BD，与铅帜直线成佛角。在该灰面上痰，土梨块间衣相互形作用犯力与BD面法线估成摩擦释角更。计并算时假黑设不同转的安全芽系数Kc，从汤滑块BC遥ED的平柴衡条洪件中络求出P，然继后将回其作乱用在ABD上，看惭他是否子与G2、R2等平衡；反如不平主衡则重轿新假定尾安全系何数，重裁复上述鹿步骤，狼直到平纳衡为止内，此时铺的Kc即为坛该滑动面护的安全证系数非粘跑性土食坡稳泊定计泼算图从滑棕动土押体BC梦ED平衡可捧得：（4）从滑秆动土缎体ABD平衡筋可得（5）联立（4）（5）可得叼：（6）在上述袭计算中蚀，舟都最是任意轿假定的阁。最危灵险水位粗及其滑碰动面位蛾置及相晨应的安五全系数都，需通链过试算争才能决抵定。（2）斜墙录及其保芬护层的运计算斜墙希和保誓护层煮及斜巩墙与掉坝体尽，由金两种迟不同亲的土随料填灭筑，抢在接拥触面玻处往往宁强度送较低怒，保趋护层吧或连捷同斜姥墙可孝能沿廊这类煎接触养面产哗生滑雹动。斜墙袖连同首保护剃层一白起滑导动的煎稳定帐计算斜墙辣连同掏保护电层的买稳定递计算怕，一邀般呈博四个误直线况段。庭