土石坝第部分.ppt

4 1 一 土石坝渗流分析的目的 任务 1 确定坝体浸润线及其下游逸出点的位置 绘制坝体和坝基内的流网图 为稳定分析 应力应变分析及排水设备选择提供依据 2 确定坝体与地基渗流量 以便估计水库渗漏损失并校核坝的排水尺寸 3 确定渗在下游坝坡或地基出逸处的渗透坡降以及渗流场内不同土层之间的渗透坡降 以便验算抗渗稳定性 4 确定库水位骤降时上游坝壳内自由水面位置 以便计算孔隙水压力 供上游坝坡稳定分析用 第四节渗流分析 4 2 二 土石坝渗流计算的方法 流网法 有限单元法 电拟试验法 用电流场模拟渗流场 通过试验测定渗流流网 水力学方法 在平面渗流条件下的一种近似方法 它用达西定律 并假定沿任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等 4 3 不透水地基上矩形土体渗流问题的水力学解 假设渗流缓慢 沿任一铅直过水断面内各点的渗透坡降J相等 k为渗流系数 则 4 4 不透水地基上矩形土体渗流问题的水力学解 由达西定理得 1 移项后得单宽流量表达式 将 1 式从上游面 x 0 y H1 到下游面 x x y y 积分得浸润线方程 将 1 式从上游面 x 0 y H1 到下游面 x L y H2 积分得 4 5 一 不透水地基上土石坝的渗流计算 简化为平面问题分若干区 对每个区按连续条件求解 均质坝 1 下游无排水或设贴坡排水 2 下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体排水且下游无水的情况 3 下游设有棱体排水且下游有水的情况 心墙坝 斜墙坝 4 6 1 均质坝下游无排水或设贴坡排水情况 4 7 计算时将土坝断面分为三段 上游三角形段AFM 用高为H1 宽为 L的矩形EOFA代替 中间段AFB B 下游三角形段B B N 对每个区按连续条件求解 将上游矩形EOFA和中间段AFB B 合成一段EOB B 利用和矩形土体类似的方法 从 x 0 y H1 到 x L y a0 t 积分 可得通过该区的渗流量 1 浸润线方程为 2 4 8 下游三角形段B B N属急变流 以下游水面为准作水平线 将其分为三角形BB C和梯形B NBC两部分 将流线近似视为水平线 按渐变渗流可得其单宽流量 3 根据渗流连续性条件 q q1 q2 联立求解式 1 和 3 可求得a0及q 将q代入式 3 则可得浸润线方程并绘制浸润线 上游段EA 是不符合实际情况的应加以适当修正 使浸润线上端在A处与坝面正交 在A 点与浸润线相切 AA B 曲线即为坝体浸润线 4 9 一 不透水地基上土石坝的渗流计算 1 2 均质坝下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体排水且下游无水的情况 4 10 计算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 由于排水设施中渗透系数远大于坝体渗透系数 可认为排水体内无渗流水头损失 设C点的坐标为 L he 2 0 利用抛物线上各点到焦点D L 0 的距离与到准线 x L he 2 he 2 的距离相等的原则 可得浸润线方程 1 1 4 11 2 均质坝下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体排水且下游无水的情况 由于浸润线过E点 0 H1 代入式 1 可得he 上游段应加以适当修正 同无排水情况 将B点坐标 L he 代入式可得EODBA段的单宽流量q 4 12 3 下游设有棱体排水且下游有水的情况 4 13 计算时将下游水面以上部分按照无水情况处理 浸润线近似看作是以排水上游坡与在下游水面的交点为焦点D L t 且通过E点的抛物线 可得浸润线方程为 1 2 由于浸润线过E点 0 H1 代入 1 式可得 将B点坐标 L t he 代入式可得EODBA段的单宽流量q 4 14 2 心墙坝 4 15 计算时忽略上游坝壳段的水头损失 并将心墙简化为等厚的矩形断面 下游坝壳段与均质坝同样处理 心墙简化为矩形 心墙段的单宽渗流量为 1 2 假定下游坝壳逸出点位于下游水位与堆石内坡的交点A 则坝壳内单宽流量表达式为 4 16 由q1 q2 联立方程 1 和 2 可求出q和h 下游坝壳的浸润线方程为 4 17 3 斜墙坝 4 18 计算时忽略上游坝壳段的水头损失 分两段计算 即斜墙段及斜墙后的坝壳段并将斜墙简化为等厚的斜墙 下游坝壳段与心墙坝同样处理 斜墙段的单宽渗流量简化为 由渗流连续原则q1 q2 联立求解以上两方程得出q和h 并可以得到下游坝壳内的浸润线方程 4 19 注意 在h以上的斜墙部分的渗流在下游坝体以非饱和状态垂直下落并汇入下游坝壳的渗水 以上计算中计算斜墙段的单宽渗流量和斜墙后坝壳内的单宽渗流量时均未考虑这部分渗水 4 20 二 有透水地基土坝的渗流计算为简化计算 坝体内渗流仍可用上述不透水地基上土石坝的渗流计算方法确定渗流量及浸润线 坝基渗流则按有压渗流计算 坝体渗流量与坝基渗流量之和即为总渗流量 4 21 1 均质坝假设坝体的单宽流量为q1 坝基的渗透系数为kT 透水地基深度为T 单宽流量为q 上下游水头分别为H1和t 4 22 由达西定理可得地基内单宽流量q 将上式从上游面 x 0 势y H1 到下游面 x L 势y t 积分得 4 23 L实际上是指流线长度 所以考虑进出口流线弯曲的影响及渗流区的几何形状 L可表示为L L0 0 88T 式中0 88T为考虑进出口流线弯曲的影响的修正系数 则通过坝体与坝基的总单宽流量为 4 24 2 心墙坝 1 地基上有混凝土防渗墙的心墙坝 通过防渗心墙后的坝壳和地基防渗墙后的地基的渗流量为 4 25 1 地基上有混凝土防渗墙的心墙坝设心墙 砼防渗墙 下游坝壳 透水地基的渗透系数分别为kc kD k kT 通过防渗心墙和地基砼防渗墙的渗流量为 由q q1 q2 联立求解式 1 和 2 即可得q和h 4 26 2 地基上有截水槽的心墙坝 截水墙与心墙材料相同 通过防渗心墙和地基截水墙的渗流量为 通过防渗心墙后的坝壳和地基截水墙后的地基的渗流量与地基中有混凝土防渗墙的心墙坝相同 4 27 三 土石坝的抗渗稳定验算1 渗透变形的形式及其判别 渗透变形 土石坝及其地基在渗流的物理作用和化学作用下发生土体颗粒流失的局部破坏现象称渗透变形 管涌 渗流作用下不均匀无粘性土中细颗粒从孔隙通道中的连续移动和带出 管涌可能发生的部位 非粘性土的渗流逸出点和进入排水处 管涌判别 级配连续时不均匀系数 20 级配不连续时细粒含量小于25 4 28 流土 渗流作用下 土体的同时浮起或流失 流土发生的部位 多发生粘性土坡和颗粒较均匀的非粘性土坡中 判别 级配连续时不均匀系数 10 级配不连续时细粒含量大于35 4 29 接触冲刷 顺着两种土壤的接触面的渗流对接触面颗粒的冲刷 判别 一般认为当相邻两层土体的d10比值小于10且两层土的不均匀系数小于10时 不会产生接触冲刷 反之应考虑接触冲刷和接触流失的问题 接触流失 渗流垂直于渗透系数相差较大的两相邻土层的接触面流动时 将渗透系数较小土层中的细颗粒带入渗透系数较大的另一土层 4 30 2 渗透破坏标准以临界渗透坡降Jc作为判定标准 管涌临界坡降计算公式 流土临界坡降计算公式 4 31 容许渗透坡降 J 可按建筑物级别 以临界坡降除以安全系数求得 或当渗透变形的形式确定后 根据规范中有关图表选取临界坡降和允许坡降 抗渗稳定性验算就是查验下列不等式是否成立 4 32 四 防止渗透破坏改善渗透稳定性的工程措施 1 提高土的抗渗性 土料设计时需考虑 2 降低渗透坡降 设置水平与垂直防渗体 调整防渗结构的型式和尺寸 3 降低下游渗流出口处的渗透压力 设置排水沟或减压井 4 对可能产生流土的地段加盖重 盖重与被保护土体之间也要设反滤层 4 33 反滤层设计 1 反滤层的主要作用 排水滤土 防止坝体和坝基在渗流逸出处产生渗透破坏 2 反滤层位置 J较大处 各种排水与坝体和地基之间 防渗体与上 下游坝壳之间 防渗体与坝基透水层之间 3 反滤层型式 土反滤 由几层砂砾料按粒径沿渗流方向增大铺设 土工织物反滤 4 34 土石坝的失稳状态 是滑坡 液化 塑性流动 1 滑坡 由于坝坡过陡或筑坝土料抗剪强度不够 使某一滑动面以上土体所受滑动力或滑动力矩超过了其下相应土体可能施加的抗滑力或抗滑力矩 由于坝基土体抗剪强度不够 使部分坝体连同坝基一起滑动 尤其当坝基有软弱夹层时 滑动往往在该层发生 第五节稳定分析 4 35 液化 易发生在由不紧密均匀细砂构成的坝体或坝基中 发生的原因 饱和松砂受振动或剪切而发生体积收缩 但孔隙中的水分不能立即排出 沙砾相互接触的有效应力部分或全部转化为没有抗剪强度的孔隙水压力 砂粒就随水流动而 液化 4 36 塑性流动 指坝体或坝基土的剪应力超过土体实有的抗剪强度 变形远超过弹性限值 失去承载能力 坝坡或坝角土被压出或隆起 或坝体 坝基发生严重裂缝 过量沉陷等情况 坝体或坝基由软粘土构成又设计处理不当时才会出现这种现象 4 37 一 土石坝滑坡滑动面的基本类型 曲线滑动面 近似于圆弧面 多发生于粘性土坡及厚的心墙坝 厚斜墙坝中 折线滑动面 发生于非粘性土坡 以及斜墙连同保护层 复合滑动面 发生于厚的心墙坝 由多种粘性土和非粘性土组成的多种土质坝 地基内有软弱夹层 4 38 二 土石坝稳定分析方法 1 应力应变分析法 以整个坝体连同坝体的应力场为计算对象 按应力 应变之间某种非线性本构关系建立数学模型 借助非线性有限元等现代计算方法 求得应力场内各点应力状态得数值解 各点应力与土体在各点相应强度对比 可知是否有破坏区域 如果没有 则安全 4 39 2 滑动面法 基于极限平衡理论根据坝型 土料及地基地质情况 结合经验选择不利工况 并假设若干个不利滑动面 计算每个工况 每个滑动面的抗滑力及滑动力 比较稳定安全系数 找出最小值 如其不低于规范规定的容许值 则认为坝坡抗滑稳定安全度得到验证 根据滑动面形状 分为圆弧滑动法 折线滑动法和复式滑动法 4 40 2 滑动面法 1 圆弧滑动法 假定 假定土坡稳定问题为平面应变问题 滑动面为圆弧面 将滑动面内土体视为刚体 破坏时该土体绕圆心作旋转运动 安全系数K 抗滑力矩 滑动力矩 具体方法 瑞典条分法 不考虑条块间的作用力 毕肖普法 考虑土条间的作用力 简化毕肖普法 考虑土条间水平作用力而忽略竖向作用力 4 41 2 滑动面法 1 圆弧滑动法 瑞典条分法 计算时首先确定坝体浸润线的位置 将圆弧内土体分为若干条 在不同的区域采用不同的物理力学性质指标 坝体浸润线以上采用湿重度 下游水位以下用浮重度 可用替代重度法代替渗透力的作用 对浸润线以下 下游水位以上的坝体 计算滑动力矩时用饱和重度 计算抗滑力矩时用浮重度 4 42 2 滑动面法 1 圆弧滑动法 最危险滑动面 在分析时要假设一系列的滑动面进行试算 算出每个试算滑动面的稳定系数 稳定系数最小的滑动面即为最危险滑动面 若考虑地震作用 一般采用拟静力法计算 4 43 2 折线滑动法 非粘性土坡计算 4 44 2 折线滑动法 非粘性土坡计算 假想把ABCEA分为两块 即ABD和BCED 滑块间的错动面为BD 在该面上 两土块间的相互作用力与BD面法线成摩擦角 3 考虑AB BD BC三个面同时达到极限平衡状态 等安全度 以土块ABD极限平衡为条件求出P的表达式 再以土块BCED极限平衡为条件求出P的表达式 两者P相等 联立求解可以求出Kc 4 45 2 滑动面法 2 折线滑动法 非粘性土坡计算 注意 在上述计算中 水位和折角 都是任意假定的 最危险水位及滑动面位置需通过试算才能确定 4 46 2 滑动面法 2 折线滑动法 斜墙及其保护层的计算 斜墙与保护层及斜墙与坝体是由两种不同的材料筑成的 在接触面处强度往往较低 因而保护层或连同斜墙 有可能沿这种接触面产生滑动 一般用折线法验算 接触面上的抗剪强度 应采用两种材料的较小值 4 47 2 滑动面法 2 折线滑动法 斜墙及其保护层的计算 保护层本身滑动的验算方法 4 48 2 滑动面法 2 折线滑动法 斜墙及其保护层的计算 保护层本身滑动的验算方法 假设滑动面为LBE BE位置已确定 斜墙上游面 将滑动体用假设破裂面BB 分成两个滑动块试算 4 49 2 滑动面法 2 折线滑动法 斜墙及其保护层的计算 斜墙连同保护层的稳定计算 4 50 2 滑动面法 2 折线滑动法 斜墙及其保护层的计算 斜墙连同保护层的稳定计算 假定折线滑动面为LBGD 滑动面包含三个直线段 在滑块中存在两个错动面BB 和GG 同样假定水位及各个折角进行试算 求出最危险情况 4 51 2 滑动面法 3 复合滑动面法 4 52 2 滑动面法 3 复合滑动面法 取FBCE为隔离体 假定作用在它上 下游侧的主动土压力和被动土压力都是水平的 则 最危险滑动面也是通过试算确定 4 53 三 稳定分析的计算情况和安全系数 1 计算情况 1 正常运用情况 库水位处于正常蓄水位或设计洪水位 以及自正常蓄水位正常降落所对应的工作条件 水库蓄满水形成稳定渗流时 验算下游坡的稳定 上游库水位为某一最不利水位时 验算上游坡的稳定 上游水位正常降落 上游坝坡产生渗透动水压力 流线方向指向上游 时的稳定计算 4 54 三 稳定分析的计算情况和安全系数 1 计算情况 1 非常运用情况 库水位骤降 k 10 3cm s V 3m d 形成反向渗流 验算上游坡的稳定 正常蓄