教学课件PPT土石坝的渗流分析.ppt

河北工程大学水电学院水利系 高等学校水利水电工程专业 5 3土石坝的渗流分析 一 概述 一 渗流分析的任务 1 确定坝体浸润线和下游渗流出逸点的位置 为坝体稳定 应力与变形的计算和排水体的选择提供依据 2 计算坝体与坝基的渗流量 以便估计水库渗漏损失和确定坝体排水设备的尺寸 3 计算坝体与坝基渗流逸出处的渗透坡降 以及不同土层之间的渗透坡降 以验算其渗透稳定性 一 概述 浸润线 单宽流量 总渗量 渗透坡降坝体 坝基渗流状况渗流为层流 满足达西定律 一 概述 二 渗流分析的方法土石坝渗流计算方法主要有解析法 流网法和电模拟法 解析法分为流体力学法和水力学法 前者理论严谨 但只能用于某些边界条件较为简单的情况 水力学法计算简易 精度可满足工程要求 得到了广泛的应用 流网法能求渗流场内任一点渗流要素 并具有一定的精度 但在渗流场内土体渗透系数差别较大的情况下较难应用 电模拟法用电流场模拟渗流场 从而测定渗流流网 数值法 有限元法 可计算不稳定渗流和较复杂的渗流问题 一 概述 三 渗流分析的工况 1 上游正常蓄水位与下游相应最低水位 坝内渗透坡降最大 易产生渗透变形 2 上游设计洪水位与下游相应最高水位 坝内浸润线高 渗流量大 3 上游校核洪水位与下游相应最高水位 坝内浸润线最高 渗流量最大 4 库水降落时 对上游坝坡稳定不利 应确定其浸润线 二 水力学法 一 基本假定1 土料均质 各向同性 坝内任一点在各方向上的渗透系数k相同 2 渗流属二元稳定层流 渗流符合达西定律v kj 3 渗流为渐变流 任意过水断面上各点的坡降和流速相同 二 水力学法 二 水力学法 二 基本公式应用达西定律和假定 全断面内的平均流速等于 设单宽渗流量为q 则 矩形土体单宽渗流量为 二 水力学法 二 基本公式 对任一断面x 进行积分得 浸润线方程 二 水力学法 三 不透水地基上均质坝的渗流计算当k地 k坝 100时 可认为地基是不透水的 1 下游无排水体或设贴坡排水体的情况 二 水力学法 三 不透水地基上均质坝的渗流计算1 下游无排水体或设贴坡排水体的情况用一个虚拟的等效矩形体代替上游楔形体 把此矩形体与中间段和而为一 成为第一段 下游楔形体为第二段 虚拟土坝的上游面为铅直的 距原坝坡与设计水位线的交点a的水平距离为 l 根据渗流阻力相当的原理 通过试验和理论分析 可得 式中 m1为上游坝坡坡率 h1为坝前水深 二 水力学法 三 不透水地基上均质坝的渗流计算1 下游无排水体或设贴坡排水体的情况 1 坝身矩形渗流区段的渗流量 2 下游楔形体的渗流量 可分下游水位以上及以下两部分 二 水力学法 三 不透水地基上均质坝的渗流计算1 下游无排水体或设贴坡排水体的情况 2 下游楔形体 分为下游水位上 下两部分1 水上部分坝身段与楔形体段以1 0 5的等势线为分界面 水位以下部分以铅直面作为分界面 则通过下游楔形体上部的渗流量 二 水力学法 三 不透水地基上均质坝的渗流计算1 下游无排水体或设贴坡排水体的情况 2 下游楔形体 分为下游水位上 下两部分 2 通过下游楔形体下部的渗流量为 二 水力学法 三 不透水地基上均质坝的渗流计算1 下游无排水体或设贴坡排水体的情况根据水流连续条件 联立两式 就可求出两个未知数的渗流量q和逸出点高度a0 二 水力学法 三 不透水地基上均质坝的渗流计算2 下游设褥垫排水 棱体排水 的情况1 下游无水时将浸润线近似看作是以排水起点d为焦点且通过e点的抛物线 抛物线方程 又浸润线过e点 0 h1 得 二 水力学法 三 不透水地基上均质坝的渗流计算2 下游设褥垫排水 棱体排水 的情况1 下游无水时对x 0和x l间的渗流区域计算得过坝体单宽流量 二 水力学法 三 不透水地基上均质坝的渗流计算2 下游设褥垫排水 棱体排水 的情况2 下游有水时 二 水力学法 三 不透水地基上均质坝的渗流计算2 下游设褥垫排水 棱体排水 的情况2 下游有水时 近似认为坝内浸润线是以排水体内坡与下游面交点为焦点的浸润线 可求得浸润线焦点处自下游水面算起的渗流水深坝体单宽流量 二 水力学法 四 有限深透水地基上土石坝渗流计算1 设棱体排水的均质坝 二 水力学法 四 有限深透水地基上土石坝渗流计算1 设棱体排水的均质坝渗流量 可先假定地基不透水 按上述方法确定坝体的渗流量q1和浸润线 然后再假定坝体不透水 计算坝基的渗流量q2 最后将q1和q2相加 即可近似地得到坝体和坝基的渗流量 将地基视为过水断面为t 1的带出口弯段的流管 根据流体力学分析 弯段平均渗径长度约0 44t t为地基透水层的厚度 二 水力学法 四 有限深透水地基上土石坝渗流计算1 设棱体排水的均质坝坝体和坝基总的单宽渗流量 二 水力学法 四 有限深透水地基上土石坝渗流计算1 设棱体排水的均质坝在距原点0为任意x处取1 1断面 对x 0与1 1断面间的坝体和坝基计算单宽渗流量 整理后得坝内浸润线方程 二 水力学法 四 有限深透水地基上土石坝渗流计算2 带截水槽的均质坝设截水槽用平均厚度 代替 槽末端断面渗流水深为h 入坝处与槽末端断面间渗流量 同理槽末端断面和出坝处断面间渗流量 联求可得h 进而求得q 二 水力学法 四 有限深透水地基上土石坝渗流计算 2 带截水槽的均质坝在槽末端断面与出口断面间任取x断面 进行渗流计算 可得浸润线方程为 二 水力学法 四 有限深透水地基上土石坝渗流计算3 带截水槽的心墙坝取心墙与截水槽的前后两个断面与出坝体段三个断面进行渗流分析 二 水力学法 四 有限深透水地基上土石坝渗流计算3 带截水槽的心墙坝心墙 截水槽段 取平均厚度 进行计算 若心墙后的浸润线的高度为h 可推导出通过心墙 截水槽的渗流量为 通过心墙下游坝体与坝基的单宽渗流量为根据连续条件q1 q2 联立求解得h 进而求得q 二 水力学法 四 有限深透水地基上土石坝渗流计算4 带截水槽的斜墙坝取斜墙与截水槽的前后两个断面与出坝体段三个断面进行渗流分析 二 水力学法 四 有限深透水地基上土石坝渗流计算4 带截水槽的斜墙坝斜墙 截水墙段 斜墙取平均厚度 截水槽取平均厚度 1进行计算 斜墙后的浸润线的高度为h 可推导出通过斜墙 截水槽的渗流量为 通过斜墙下游坝体与坝基的单宽渗流量为根据连续条件q1 q2 联立求解得h 进而求得q 二 水力学法 五 总渗流量的计算前面计算的是通过坝体和坝基的单宽渗流量 由于沿坝轴线的各断面形状及地基地质条件并不相同 因此计算通过坝体的总渗流量 可根据具体情况将坝体沿坝轴线划分为若干段 图土坝总渗透流量计算示意图 三 流网法 一 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 二 流网的特性 1 流线和等势线都是圆滑的曲线 2 流线和等势线是互相正交的 即在相交点 二曲线的切线互相垂直 三 流网法 三 流网的绘制首先确定流网边界 浸润线和不透水地基的表面是第一条和最末一条流线 上下游水下坝坡和库底是第一和最末一条等势线 其次 在浸润线和最末一条流线之间再绘出几条流线 再次 将上 下游水头差 h分成n等份 每份为 h n 然后引水平线与浸润线相交 从交点处按照等势线与流线正交的原则绘制等势线 形成初步的流网 最后 不断修改流线 包括初拟浸润线 与等势线 直至使它们构成的网格符合要求 使之成为扭曲正方形 流网绘制示意图 三 流网法 三 流网法 四 流网的应用1 渗透坡降与渗透流速 在图中任取一网格i 两等势线相距为 li 两流线间相距为 mi 水头差为 h n 则该网格的平均渗透坡降为 通过该网格两流线间 流带 的平均渗透流速为 由于k h n在同一流网中为常数 ji及vi大小与网格的中流线 li成反比 即网格小的地方坡降和流速大 反之则小 三 流网法 四 流网的应用2 渗流量单宽渗流量q为所有流带流量的总和 网格i所在流带中的渗流量为 如果绘制的网格是扭曲正方形 则 如整个流网分成m个流带 则单宽总渗透流量为 三 流网法 四 流网的应用3 渗透动水压力因为任意两相邻等势线的水头差为 h n 所以任一网格i范围内的土体所承受的渗透动水压力为 式中ai 网格i的面积 水的重度 三 流网法 各种形式的流网 四 土石坝的渗透变形形式及判别 一 渗透变形形式 1 管涌在渗流作用下 坝体或坝基中的细小颗粒被渗流带走逐步形成渗流通道的现象称为管涌 常发生在坝的下游坡或闸坝下游地基面渗流逸出处 没有凝聚力的无粘性砂土 砾石砂土中容易出现管涌 粘性土的颗粒之间存在有凝聚力 或称粘结力 渗流难以把其中的颗粒带走 一般不易发生管涌 四 土石坝的渗透变形形式及判别 一 渗透变形形式管涌 四 土石坝的渗透变形形式及判别 一 渗透变形形式 2 流土在渗流作用下 成块土体被掀起浮动的现象称为流土 它主要发生在粘性土及均匀非粘性土体的渗流出口处 发生流土时的水力坡降称为流土的破坏坡降 3 接触冲刷当渗流沿两种不同土壤的接触面流动时 把其中细颗粒带走的现象 称为接触冲刷 接触冲刷可能使临近接触面的不同土层混合起来 四 土石坝的渗透变形形式及判别 一 渗透变形形式 4 接触流土和接触管涌渗流方向垂直于两种不同土壤的接触面时 例如在粘土心墙 或斜墙 与坝壳砂砾料之间 坝体或坝基与排水设施之间 以及坝基内不同土层之间的渗流 可能把其中一层的细颗粒带到另一层的粗颗粒中去 称为接触管涌 当其中一层为粘性土 由于含水量增大凝聚力降低而成块移动 甚至形成剥蚀时 称为接触流土 四 土石坝的渗透变形形式及判别 一 渗透变形形式接触流土和接触冲刷 四 土石坝的渗透变形形式及判别 二 管涌和流土的判别 1 南京水科院研究认为 土壤中细粒 粒径d20时为管涌 五 土石坝的渗透变形形式及判别 一 管涌的临界坡降与允许坡降对中小型工程及初步设计时 当渗流方向为由下向上时 可用南京水利科学研究院的经验公式推算 d3 相应粒径级配曲线上含量3 的粒径 mm k 土壤渗透系数 cm s n 土壤孔隙率 容许渗透坡降 j 根据建筑物级别和土壤的类型选用 一般取安全系数k 1 5 2 j 值还可参照不均匀系数值 选用 五 土石坝的渗透变形形式及判别 二 流土的临界坡降与允许坡降当渗流自下向上作用时 常采用根据极限平衡得到的太沙基公式计算 即 式中g 土粒比重 n 土的孔隙率 jb一般在0 8 1 2之间变化 容许渗透坡降 jb 也要采用一定的安全系数 对用粘性土 可用1 5 对于非粘性土 可用2 0 2 5 六 防止渗透变形的工程措施 若抗渗稳定计算结果为j j 则坝体可能会产生渗透变形 要采取适当的工程措施 土石坝防止渗透变形的措施主要从两方面考虑 一 是尽量降低渗流的水力坡降j 减小渗透流速和渗流力 上堵 二 是增大渗流出口处土体抵抗渗透变形的能力 下排 六 防止渗透变形的工程措施 防渗措施设计 上堵下排 六 防止渗透变形的工程措施 常用的工程措施有 1 设置水平或垂直防渗体 以延长渗径 减小渗透坡降和阻截渗流 2 设置减压设备和盖重 3 设置反滤层 设置反滤层是提高抗渗破坏能力 防止各类渗透变形特别是防止管涌的有效措施 在任何渗流流入排水设施处一般都要设置反滤层 六 防止渗透变形的工程措施 3 设置反滤层 1 反滤层的作用 反滤层作用是 滤土排水 对其要求是 1 渗透性大于被保护土 能通畅地排出渗透水流 2 每层的砂石颗粒不发生移动 3 较细层的颗粒不穿过较粗层的孔隙 4 被保护的土体颗粒 除极细小的颗粒外不随渗流带入反滤层 极细小的颗粒如随渗流带走但不得淤塞反滤层 六 防止渗透变形的工程措施 2 反滤层的结构反滤层一般是由 层不同粒径的非粘性土 砂和砂砾石组成的 层次排列应尽量与渗流的方向垂直 各层的粒径则按渗流方向逐层增加 六 防止渗透变形的工程措施 3 设置反滤层 3 反滤层的材料反滤层的材料首先应该是耐久的 能抗风化的砂石料 为保证滤土排水的正常工作 材料的布置和要求应满足如下原则 1 被保护土壤的颗粒不得穿过反滤层 但对细小的颗粒 如粒径小于0 1mm的砂土 则可允许被带走 因为它的被带走不会使土的骨架破坏 不至于产生渗透变形 2 各层的颗粒不得发生移动 六 防止渗透变形的工程措施 3 反滤层的材料3 相临两层间 较小的一层颗粒不得穿过较粗一层的孔隙 4 反滤层不能被堵塞 而且应具有足够的透水性 以保证排水畅通 5 应保证耐久 稳定 其工作性能和效果应不随时间的推移和环境的改变而遭受破坏 4 反滤层级配的设计根据上述要求 碾压式土石坝设计规范 中提出如下的设计方法 六 防止渗透变形的工程措施 4 反滤层级配的设计当采用天然砂石料作为反滤料时 第一层反滤料与被保护土的粒径之间就满足如下关系 式中d15 反滤层的粒径 小于该粒径的土重占总重的15 d85 被保护土的粒径 小于该粒径的土重占总重的85 d15 被保护土的粒径 小于该粒径的土重占总重的15 六 防止渗透变形的工程措施 3 设置反滤层 5 土工织物简介土工织物已在国内外的水利工程 铁路路基和海港等工