讲座-5-3土石坝的渗流分析学习文档

土石坝的渗流分析与渗流控制

3.1渗流分析的目的3.2土石坝中渗流特性3.3渗流分析的方法3.4渗流计算的水力学法3.5渗透变形及防止措施渗流分析的目的

渗流分析的内容是：①确定坝体浸润线的位置。②确定渗流要素，如渗流流速与渗透坡降。③确定通过坝体和坝基的渗流量。渗流分析的目的是：①对初选的坝的形式与剖面尺寸进行检验，为核算上下游坝坡稳定提供依据。②根据坝体内部的渗流要素与渗流逸出坡降，检验土体的渗流稳定性，进行坝体防渗布置与土料配置，防止渗流逸出处发生管涌和流土。③计算通过坝体和河岸的渗流水量损失，并设计排水系统的容量和尺寸。土石坝中渗流特性（1）岩土中渗流流速v和坡降J的关系一般符合如下定律:

v=kJ1/β式中：K为渗透系数，m/s。

β为参量,β=1~1.1时为层流,β=2时为紊流,β=1.1~1.85为过渡流。

v为均化的全断面流速，实际土体孔隙中的流速较v高。（2）土石坝中渗流流速v和坡降J的一般假定

土石坝中渗流流速v和坡降J的一般假定符合达西定律，即β=1。细粒的粘土、砂土料基本满足达西定律。

粗粒的砾石、卵石料近似满足达西定律。

堆石体、岩体裂隙中的渗流，遵循不同的渗流规律，应作专门研究。

（3）土石坝土料的各向渗流特性当坝体为均质材料，则各向渗透系数相同，即Kx＝Ky＝Kz。

当坝体为非均质材料，则各向渗透系数不同，Kx≠Ky≠Kz。

（4）宽广河谷中的土石坝，可采用二维渗流分析，狭窄河谷中的高土石坝，应采用三维渗流分析。

渗流分析的方法

（1）流体力学法：根据边界条件，求解由达西定律和稳定渗流的连续性条件建立的拉普拉斯方程：式中：vx,vy,vz：分别为x,y,z方向的渗流流速。Kx,Ky,Kz：分别为x,y,z方向的渗透系数。H为渗流场中任一点的渗透水头。求解找到势函数：H=f(x,y,z)和与势函数共轭的流函数：q=ψ(x，y，z)

则可求解出渗流区域内任一点的渗流要素：H（渗透水头）、J（渗透坡降）、v（流速）。但由于土石坝的边界条件复杂性，对实际工程不容易找出一个势函数：H=f(x，y，z)和与H共轭的流函数：q=ψ(x，y，z)的解析式。（2）水力学法：在流体力学基础上，做若干假定、简化后，可以求解渗流区域内的平均渗流要素。

（3）有限单元法：流体力学的数值解法，可以求解渗流区域内任一点的渗流要素。

（4）手工绘制流网法：利用流网的性质（曲线正方形），绘制渗流区域的流网图，可以求解渗流区域内的渗流要素。

绘制流网时，可应用流网的一些基本特性：在稳定渗流情况下，流线表示水质点的运动路线；等势线表示势能或水头的等值线，即每一根等势线上的测压管水位都是齐平的，不同等势线间的差值表示从高势位向低势位流动的趋势。等势线和流线互相正交。上游水位下的坝坡和库底以及下游水位下的坝坡和库底均为等势线，总水头等于坝上、下游的水位差。坝下不透水层面为最后一条流线，浸润线为第一条流线，其水头等于浸润线上各点的铅直坐标。渗流在下游坝坡上的逸出段与浸润线一样，其压力等于大气压，各点水头也随铅直坐标而变化。

(5)实验方法：常用的有电模拟法、电网络等模拟试验法。由于成本、周期以及计算机技术进步等原因，目前应用不多。渗流计算的水力学法

3.4.1假定(杜平假定)3.4.2不透水地基上的均质坝的渗流计算(下游无排水设备)3.4.3下游有排水设施的均质坝渗流计算3.4.4不透水水地基上心墙坝的渗流计算3.4.5不透水水地基上斜墙坝的渗流计算3.4.6有限渗透水地基上的均质坝计算3.4.7总流量的计算假定（杜平假定)

（1）坝体土料为均质，各向同性。

（2）渗流为缓变流（等势线和流线均缓慢变化），渗流场中任何铅直线上各点的水头和流速相等。

设渗流区可用矩形断面的渗流场模拟，由达西定律得到：杜平公式：式中：H1、H2分别为上下游水深，m。

L为渗流区的长度，m。

K：渗透系数，m／d。

不透水地基上的均质坝的渗流计算（下游无排水设备）

说明取1m宽坝体为计算单元，空间问题→平面问题。

用虚拟矩形体代替上游三角形。

原则：虚拟矩形体和上游三角形产生的渗流阻力相等。

当坝体与坝基的渗透系数相同时，虚拟矩形的宽度可取ΔL=0.4H1

当上游坝坡较陡（m1<2）时，虚拟矩形的宽度可取ΔL=m1*H1/(1+2m1)渗流浸润线在下游坝坡面的逸出点在下游水位之上。ao为渗流逸出点至下游水位的垂直距离。以通过渗流逸出点的垂直线为分界线，将坝体分成上、下游段两部分。

当K地≤K坝/100)时，可认为地基是不透水的。上游段的渗流计算分析任一点的渗透坡降：由达西定律：该断面的渗流量

对首端至末端积分

对首端至任意断面积分得浸润线方程

下游段的渗流计算分析

水上部分：

假定该部分渗流流线为水平直线。任一流管的过水断面为dZ×1，长度为m2Z，作用水头为Z，沿高度呈线性变化。

渗透坡降为

渗透流量为水上部分的渗流流量：

水下部分：任一流管作用水头为常数Z-H2=α0。渗透坡降为

渗透流量为

水下部分的渗流量：下游段的渗流量:q2=q‘+q“。由流量连续原理:q1=q2→α0，求解出α0

及q。浸润线的起点需要修正。

讨论

渗流流量与坝体材料的渗透系数有关，浸润线的高度与坝体材料的渗透系数无关。当所计算的渗流区域的上下游面为垂直面时，可以直接采用杜平公式计算该区域的渗流要素；当所计算的渗流区域的上下游面不为垂直面时，可以采用达西定律按积分的方法分析计算该区域的渗流要素。

下游有排水设施的均质坝渗流计算

（1）贴坡排水的情况同下游无排水设施

（2）褥垫式排水（下游无水）假设：浸润线为一抛物线排水起点为抛物线的焦点，以焦点为坐标原点，x‘

方向向左。该处抛物线的高度为α0。由杜平公式：（xoy坐标系）

或（x‘oy’坐标系）

将抛物线顶点的坐标代入

由流量相等，联立求解得：（3）下游为棱体排水

下游无水时同褥垫式排水。下游有水时，下游水面以上参照褥垫式排水的情况处理。

渗流量为：

不透水地基上心墙坝的渗流计算

假定心墙的上游浸润线与水库的上游水位齐平，为简化计算，心墙用等厚为δ的矩形断面代替，其中：δ1：心墙在上游水位处厚度；δ2：心墙的底部厚度。设心墙后的水深为H，通过心墙的的渗流量：

下游有水时，通过下游坝体的渗流量：

由上述两式可联立求解q,H。

不透水地基上斜墙坝的渗流计算假定：斜墙后的渗流为缓变流，斜墙后的水深为H，下游出口水深为H2；由流量的连续性条件，可求解通过斜墙的渗流量。(1）通过斜墙的渗流量

水深小于H的斜墙下部的作用水头为常数值为H1-H。斜墙的厚度为：通过该段的渗流量：

水深大于H的斜墙上部的作用水头：H1-y

通过该段的渗流量：由几何关系：对两式积分求和可得到通过斜墙的渗流量。(2)对墙后段应用杜平公式，通过坝体的渗流量：（3）由流量的连续性条件：q=q1+q2联立求解上述三式，可确定H和q。

有限深透水地基上均质坝的渗流思路：①假定地基不透水，计算坝体的渗流量q坝；②假定坝体不透水：计算地基的渗流量q地（地基的渗流量可按T×1的矩形有压管流考虑）；③坝体与地基的渗流量：q=q坝+q地。

与不透水地基的计算区别：①浸润线有所下降,α0忽略不计（逸出段不计）。②坝基流线的平均长度为L'+0.44T(流线转弯）

上游面的虚拟矩形宽度：式中：下游无水：

下游有水：求浸润线方程时，将透水地基的厚度T，换算为与坝体渗透系数相同的土体厚度:，并视为坝体的一部分，浸润线方程：总流量的计算

沿坝轴线方向将坝体分为若干坝段，分别计算各坝段的平均单宽流量，总流量为：

渗透变形及防止措施

3.5.1渗透变形及危害3.5.2渗透变形的判别标准3.5.3渗透变形的防止措施渗透变形及危害渗流对土体的作用：

从宏观上看，影响坝的应力和变形。

从微观上看，使土体颗粒失去原有的平衡，而产生渗透变形。渗透变形的类型：（1）管涌破坏形式：坝体和地基土体中的部分颗粒被渗流逐步带走。特点：一般发生在无粘性砂土及砾石土中，从发生到破坏，持续较长的时间。（2）流土破坏形式：在渗流的作用下，粘性土和均匀的非粘性土体被浮起。特点：一般发生在粘性土及均匀非粘性土中，发生即破坏。

（3）接触冲刷

破坏形式：在细颗粒土和粗颗粒土的交接面上，渗流方向与与交接面平行，细颗粒土被渗流水冲动而发生破坏。（4）剥离破坏形式：交接面上土颗粒与整体结构分离。（5）化学管涌破坏形式：土体中的盐类被渗流水带走。渗透变形的判别标准为保持坝的渗流稳定性，需查明坝体和地基土体发生渗透变形的临界渗透坡降；再确定坝体和地基土体相应的容许渗透坡降；以此作为进行渗流稳定性的评价。坝体和地基土体发生渗透变形的临界坡降的判断方法主要有两类：（1）根据土体的颗粒级配鉴别，如土体细粒含量多少，土体的不均匀系数鉴别。

（2）根据土体中的渗流作用力判断。（1）产生管涌的临界坡降JC

临界管涌坡降取决于土的颗粒组成和渗流坡降。可用南京水利科学院的沙金渲公式计算：

式中：

d3——相应于颗粒级配曲线上含量为3％的粒径，cm；

k——渗透系数,m/s；

n——土的孔隙率。（2）流土的临界坡降JC

对于砂土（c=0），根据土中渗流的作用力判断流土的临界坡降JC为：式中：