1、1/7/202313 3 土石坝渗流分析土石坝渗流分析一、概述二、水力学法 三、流网法四、渗透变形及防止措施1/7/20232一、渗流分析概述一、渗流分析概述u检验坝的初选形式与尺寸，确定渗流力以核算坝坡稳定u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。u确定通过坝及两岸的渗流量并设计排水系统的容量1/7/20233u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；u确定坝体与坝基的渗流量；u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；u确定库水位降落时上游坝坡内
2、的浸润线位置或孔隙压力；u确定坝肩的等势线、渗流量或渗透比降。1/7/20234u上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；u上游设计洪水位与下游相应的水位；u上游校核洪水位与下游相应的水位；u库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。渗流计算应考虑坝体和坝基渗透系数的各向异性。计算渗流量时宜采用土层渗透系数的大值平均值，计算水位降落时的浸润线宜采用小值平均值。对1、2级坝和高坝应采用数值法计算确定渗流场各因素，其它可采用公式计算。岸边的绕坝渗流和高山峡谷的高土石坝应按叁维渗流用数值法计算。1/7/20235 土石坝的渗流为无压渗流，有浸润面，可视为稳定层流，满足达西定律，简化为平面问题。水位急降时产生
3、不稳定流，需考虑浸润面随时间变化对坝坡稳定的影响。达西定律：xHkJkvxxxyHkJkvyyy连续条件：0yxyxvv二维渗流方程：0yx2222HkHkyx分析法：流体力学法、水力学法、图解法和试验法，最常用的是水力学法和流网法（图解法）。1/7/20236 将坝内渗流分成若干段（即分段法），应用达西定律和杜平假定（假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等），建立各段的运动方程，根据水流连续性求解流速、流量和浸润线等。二、水力学法二、水力学法u土料均一，各向同性u渗流属稳定流u看作平面问题u渗流看作层流u渗流符合连续定律1/7/20237平均流速：单宽流量：xykyqyvxykkJv自上游
4、面（x0，y=H1)至下游面（x=L,y=H2)积分得：LkqHH22221LHHkq2)(2221xkqyH2221积分（*），可得浸润线方程：（*）（）1/7/20238（一）不透水地基上均质土坝的渗流计算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”。1/7/2023911121HmmL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
5、为L 上式根据流体力学和电拟试验得到，式中m1为上游坝坡坡率；H1为坝前水深。1/7/202310 通过第一段EOBB的渗流量为：202112)(LtaHkq 第二段BB N，可以下游水面为界，分为水上和水下两部分，应用达西定律，可得通过第二段的渗流量为：)ln1(a0202ttamkq 根据水流连续条件qq1q2，联立以上两式，可求得a0和q。浸润线方程可以用（）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。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。1/7/202311下游有褥垫排水 根据流体力学计算表面，
6、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。焦点处的高度为he，抛物线的原点在排水起点后he/2处，可得抛物线的公式为：xhhee2yL221/7/202312 抛物线通过E(x=0,y=H1),代入可得eehh2HL221LHLhe212 代入流量公式，可得单宽流量：LHHkqe2)(2211/7/202313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。LtHLhe212)(LhHkqe2t2211/7/202314（二）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
7、较平缓，水头主要在心墙部位损失。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。将心墙简化为等厚的矩形，（1+2)/2,则可求通过心墙段的单宽流量q1和心墙下游坝壳的单宽流量q2，联立求得心墙后浸润线高度h和q22211hHkqcLthkq22221/7/202315（三）斜墙坝的渗流计算 将斜墙简化为等厚的矩形，（1+2)/2,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qsin22211hHkqcLthkq22221/7/202316（四）有限深透水地基土石坝的渗流计算1、均质坝的渗流计算 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
8、坝体和坝基分开计算。坝体部分按不透水地基计算。可假定坝体不透水，按下式计算坝基的渗流量：式中n为流线弯曲对渗径的影响，可查表。01TnLTHkq 1/7/2023172、心墙坝的渗流计算 透水地基上筑有混凝土防渗墙。渗流计算分防渗体段和墙后段两部分。通过防渗心墙和地基防渗墙的渗流量为：联立求得q和h。1/7/2023183、斜墙坝的渗流计算 有截水墙的斜墙坝计算分为斜墙截水墙和墙后坝体及地基两部分，分布用平均厚度代替变厚的斜墙和截水墙。斜墙和截水墙的渗流量q1和斜墙、截水墙后的渗流量q2，联立可求得q和h。ThHkhHkq1c221c1sin2TTLthkLthkq44.02T12221/7/
9、202319u渗透系数相差5倍以内的相邻薄土层可视为一层，采用加权平均渗透系数；u双层结构坝基，如下卧土层较厚，且渗透系数小于上覆土层渗透系数的1/100，可将下层视为相对不透水层；u当透水层坝基深度大于建筑物不透水层底部长度的1.5倍以上时，可按无限深透水层情况估算。1/7/202320三、流网法三、流网法 复杂剖面和边界条件，用计算方法求解土石坝浸润线比较困难，且不准确。流网法可求出渗流区任一点的渗透压力、坡降、流速及渗流量。流网的概念：渗流场：渗流运动的水质点所充满的空间流 线：水质点运动的轨迹等势线：渗流场中势能相等的各点连线流 网：流线与等势线组成的网格1/7/202321流网的画法
10、：浸润线和不透水地基的表面都是流线；上下游水下边坡都是等势线；下游边坡出逸点至下游水位既是等势线又是流线。出逸段和浸润线上各点压力均为大气压力。根据经验初拟浸润线位置及出逸点，然后将上、下游落差等分，等分的水平线与浸润线的交点即为等势线与浸润线的交点，由交点绘制与等势线，一端垂直浸润线，一端垂直于地基表面，然后绘制流线，反复修正。1/7/2023221/7/2023231/7/202324四、渗透变形及防止措施四、渗透变形及防止措施1、渗透变形：定义：土石坝及地基中的渗流，由于物理和化学作用，土体颗粒流失，导致土壤发生局部破坏，称为渗透变形。渗透变形及其发展过程与土料性质、颗粒级配及水流条件、
11、防渗、排水措施等因素有关。2、常见渗透变形的型式：管涌、流土、接触冲刷、剥离、化学管涌等。管涌：在一定渗流作用下，土体中的细颗粒沿骨架颗粒所形成的孔隙管道移动或被渗流带走，发生于无粘性土中（沙砾料）。1/7/202325流土：指在渗流作用下，粘性土及均匀无粘性土体被浮动的现象。流土常见于下游逸出处。接触冲刷：渗流沿着两种不同介质的接触面流动时，把其中颗粒层的细粒带走。接触流土：渗流垂直于两种不同介质的接触面流动时，把其中一层的细粒，移入到另一层中去。例如反滤层的淤塞。化学管涌：指土体中的盐类被渗流水溶解带走的现象。1/7/202326渗透变形的判别：1、用土料的不均匀系数；2、用土体的孔隙直径与填料粒径之比；3、用土体的细粒含量来判别。1/7/2023271/7/2023283、渗透变形破坏标准及防止措施 土体在渗流作用下是否发生渗透破坏，主要取决于土体本身的抗渗强度。通常用临界坡降作为判定标准。临界坡降指土体中的细粒随着渗流的加剧，由静止转化为运动状态的坡降，可通过试验和计算确定。1/7/202329 渗透稳定和渗透坡降及土的组成有关，增加抗渗稳定的工程措施：降低渗透坡降；增加渗流出口处土体的抗渗能力。具体有：增大渗径，降低渗透破坏或截阻渗流；设排水沟或减压井，降低下游渗流出口处的渗透压力。在可能发生管涌地段，需设反滤层，拦截细粒；可能发生流土地段，加设盖重。
