4第四章土石坝第三节ppt课件

1、水水 工工 建建 筑筑 物物第三节第三节 土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析 一、渗流分析的目的和方法一、渗流分析的目的和方法 二、渗流分析的水利学方法二、渗流分析的水利学方法 三、渗流分析的手绘流网法三、渗流分析的手绘流网法 五、土石坝的渗透变形及其防止措施五、土石坝的渗透变形及其防止措施水水 工工 建建 筑筑 物物渗流分析的目的和方法渗流分析的目的和方法 （一渗流分析的目的（一渗流分析的目的 ( (二二) )渗流分析的方法渗流分析的方法 (1)确定坝体浸润线和下游渗流出逸点的位置。（2确定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确定坝坡出逸段和下游地基表面的出逸

2、坡降, ,以判断该处的渗透稳定性。（4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水压力,供上游坝坡稳定分析之用。解析法分为流体力学法和水力学法。本节主要介绍水力学法。手绘流网法是一种简单易行的方法,能够求渗流场内任一点渗流要素,并具有一定的精度,但在渗流场内具有不同土质,且其渗透系数差别较大的情况下较难应用。 水水 工工 建建 筑筑 物物渗流分析的水力学法渗流分析的水力学法 （一计算情况（一计算情况: 上游正常蓄水位与下游相应的最低水位； 上游设计洪水位与下游相应的最高水位； 上游校核洪水位与下游相应的最高水位； 库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。 1.渗流基本公式 对于

3、不透水地基上矩形土体内的渗流,如下图。渗流计算图水水 工工 建建 筑筑 物物q = 即 LHHK2)(2221xyHKq2)(221xKqHy221 由式可知,浸润线是一个二次抛物线。式当渗流量q已知时,即可绘制浸润线,若边界条件已知,即可计算单宽渗流量。（二不透水地基上均质土石坝的渗流计算（二不透水地基上均质土石坝的渗流计算 （1土石坝下游有水而无排水设备的情况。土石坝下游有水而无排水设备的情况。 当下游无水时,以上各式中的H2=O;当下游有贴坡排水时,因贴坡式排水基本上不影响坝体浸润线的位置,所以计算方法与下游不设排水时相同。以下游有水而无排水设备的情况为例。计算时将土坝剖面分为上游楔形体

4、,中间段和下游楔形体三段,如下图。水水 工工 建建 筑筑 物物l 等效矩形宽度：，值由下式计算: HL1211mm式中 上游坝面的边坡系数,如为变坡则取平均值； 上游水深。1m1H l 计算对象：坝身段计算对象：坝身段(AMB”)及下游楔形体段及下游楔形体段(BBN)。水水 工工 建建 筑筑 物物 l 坝身段的渗流量为坝身段的渗流量为: (4-15)LaHHKq2)(202211式中 浸润线出逸点在下游水面以上高度； K 坝身土壤渗透系数； H1 上游水深； H2 下游水深； 见图(4-6)。0aLl下游楔形体的渗流量：可分下游水位以上及以下两部分计算。 根据试验研究认为，下游水位以上的坝身段

5、与楔形体段以1：0.5的等势线为分界面，下游水位以下部分以铅直面作为分界面，与实际情况更相近，则通过下游楔形体上部的渗流量 为：2q0020225 . 05 . 0amaKdyymyKq水水 工工 建建 筑筑 物物通过下游楔形体下部的渗流量 为2q2220220221)5.0(mHmamHaKq通过下游楔形体的总渗流量为 :2q 式中 )1 (5 . 020220222HaaHmaKqqqm2225.02mmaml水流连续条件： l 未知量的求解：两个未知数渗流量 和逸出点高度 。 qqq21q0a浸润线由式(4-13)确定。上游坝面附近的浸润线需作适当修正:自A点作与坝坡AM正交的平滑曲线,

6、曲线下端与计算求得的浸润线相切于A点。水水 工工 建建 筑筑 物物 当下游无水时,以上各式中的H2=O;当下游有贴坡排水时,因贴式排水基本上不影响坝体浸润线的位置,所以计算方法与下游不设排水时相同。（1有褥垫排水的均质坝有褥垫排水的均质坝 xkqHy221)(22021hHLhqLHLh2120水水 工工 建建 筑筑 物物（2有棱体排水的均质坝 xkqHy221)(220221hHHLhqLHHLh22120)(当下游无水时,按上述褥垫式排水情况计算。 水水 工工 建建 筑筑 物物（三有限深透水地基上土石坝的渗流计算（三有限深透水地基上土石坝的渗流计算 n渗流量：可先假定地基不透水渗流量：可先

7、假定地基不透水, ,按上述方法确定坝体的渗流量按上述方法确定坝体的渗流量 和和浸润线；然后再假定坝体不透水浸润线；然后再假定坝体不透水, ,计算坝基的渗流量计算坝基的渗流量 ；最后将；最后将 和和 相加相加, ,即可近似地得到坝体和坝基的渗流量。即可近似地得到坝体和坝基的渗流量。 n坝体浸润线：可不考虑坝基渗透的影响坝体浸润线：可不考虑坝基渗透的影响, ,仍用地基不透水情况下仍用地基不透水情况下的结果。的结果。 （1均质土石坝均质土石坝 对于有褥垫排水的情况,因地基渗水而使浸润线稍有下降,可近似地假定浸润线与排水起点相交。由于渗流渗入地基时要转一个90的弯,流线长度比坝底长度 要增大些。根据实

8、验和流体力学分析,增大的长度约为0.44T。(T为地基透水层的厚度)。这时,通过坝体和坝基的渗流量可按下式计算: 1q2q1q2qLTLTHKLHKqqqT44. 0212121水水 工工 建建 筑筑 物物式中的q用坝身 的渗流量。1q（2心墙土石坝心墙土石坝 心墙、截水墙段:其土料一般是均一的,可取平均厚度 进行计算。若心墙后的浸润线高度为h，则通过心墙、截水墙的渗流量 下游坝壳和坝基段:由于心墙后浸润线的位置较低,可近似地取浸润线末端与堆石棱体的上游端相交,然后分别计算坝体和坝基的渗流量。当下游有水时,可近似的假定浸润线逸出点在下游水面与堆石棱体内坡的交点处,用上述同样的方法进行计算。1q

9、（3斜墙土石坝斜墙土石坝 有限深透水地基上的斜墙土坝有限深透水地基上的斜墙土坝,一般同时设有一般同时设有 截水墙或铺盖。前者用以拦截透水地基截水墙或铺盖。前者用以拦截透水地基,后者用以延长渗径、减小后者用以延长渗径、减小 渗透坡降渗透坡降,防止渗透变形防止渗透变形,两种结构的布置如图所示。两种结构的布置如图所示。1)有截水墙的情况有截水墙的情况 它与心墙土坝的情况类似它与心墙土坝的情况类似, 当下游无水时，当下游无水时，H2=0，L1=L。当。当T=0时，也可得出不透水地时，也可得出不透水地基上斜墙坝的渗流计算公式。基上斜墙坝的渗流计算公式。2)有铺盖的情况有铺盖的情况 当铺盖与斜墙的渗透系数

10、比坝体和坝基的渗当铺盖与斜墙的渗透系数比坝体和坝基的渗透系数小很多时，可近似地认为铺盖与斜墙是不透水的，并以铺透系数小很多时，可近似地认为铺盖与斜墙是不透水的，并以铺盖末端为分界线，将渗流区分为两段进行计算。盖末端为分界线，将渗流区分为两段进行计算。水水 工工 建建 筑筑 物物(四四)总渗流量计算总渗流量计算 计算总流量时，应根据地形及透水层厚度的变化情况，将土石坝沿坝轴线分为若干段，如下图，然后分别计算各段的平均单宽流量，则全坝的总渗透流量Q可按下式计算： Q= nnnnnlqlqqlqqlq111222111)()(21式中 、 各段坝长； 、 断面1、断面2处的单宽流量；1lnll21q

11、nqq2渗流量计算图 水水 工工 建建 筑筑 物物渗流分析的手绘流网法渗流分析的手绘流网法（一流网的特性（一流网的特性（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。（二流网的绘制（二流网的绘制以不透水地基上均质坝为例说明手绘流网的方法，如下图。水水 工工 建建 筑筑 物物l 首先确定渗流区的边界：上、下游水下边坡线AF和DE均为等势线，初拟的浸润线AC及坝体与不透水地基接触线FE均为流线。下游坡出逸段CD既不是等势线，也不是流线，所以流线与等势线均不与它垂直正交，但其上各点反映了该处逸出渗流的水面高度。nl 其次，将上、下游水头差 分成n等分，

12、每段为 （如图中分为10等分，每段为0.1 ），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。nl 最后，不断修改流线包括初拟浸润线与等势线，必要时可插补流线和等势线，直至使它们构成的网格符合要求，通常使之成为扭曲正方形。HnHH（三流网的应用（三流网的应用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 ，则该网格的平均渗透坡降为： nHiiiLnLnJ水水 工工 建建 筑筑 物物通过该网格两流线间流带的平均渗透流速为：由于K、 在同一流网中为常数， 及 大小与网格的中线长 成反比，即网格小的地方坡降和流速大，

13、反之则小。因而，从流网中可以很清楚地看出流速的分布情况和水力坡降的变化。iiiLnKKJViJiViL(2)渗流量渗流量 单宽渗流量单宽渗流量q为所有流带流量的总和。网格为所有流带流量的总和。网格i所在流带中所在流带中的渗流量为：的渗流量为： iiiiLnmHKmKJq如果绘制的网格是扭曲正方形（ ），那么：iilmnHKq如整个流网分成m个流带图中分为3个），则单宽总渗透流量为： miiqq1水水 工工 建建 筑筑 物物（3渗透动水压力渗透动水压力 因为任意两相邻等势线的水头差为因为任意两相邻等势线的水头差为 ，所，所以任一网格以任一网格i范围内的土体所承受的渗透动水压力为：范围内的土体所承

14、受的渗透动水压力为：WniiiiiAJllnlnW112式中 Ai网格i的面积； 水的重度。水水 工工 建建 筑筑 物物土石坝的渗透变形及其防止措施土石坝的渗透变形及其防止措施n管涌管涌 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），渗出现管涌；粘性土的颗粒之间存在有凝

15、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。流难以把其中的颗粒带走，一般不易发生管涌。n流土流土 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。的水力坡降称为流土的破坏坡降。（一渗透变形的型式（一渗透变形的型式水水 工工 建建 筑筑 物物（3接触冲刷接触冲刷 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

16、可能使临近接触面的不颗粒带走的现象，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。同土层混合起来。（4接触流土和接触管涌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

17、动，甚至形成剥蚀时，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。称为接触流土。（二渗透变形型式的判别（二渗透变形型式的判别试验研究表明，土壤中的细颗粒含量是影响土体渗透性能和渗试验研究表明，土壤中的细颗粒含量是影响土体渗透性能和渗透变形的主要因素。透变形的主要因素。（三渗透变形的临界坡降（三渗透变形的临界坡降（1管涌的临界坡降管涌的临界坡降 对中小型工程及初步设计时，当渗流方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：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：水水 工工 建建 筑筑 物物3342nKdJc式中

18、 d3相应于粒径曲线上含量为3%的粒径 K渗透系数，cm/s； n土壤孔隙率。容许渗透坡降J，可根据建筑物的级别和土壤的类型选用安全系数23。J值还可参照不均匀系数 值选用：10 20的非粘性土，J=0.10。（2） 流土的临界坡降 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：)1)(1(nGJB 式中 G土粒比重； n土的孔隙率。 JB一般在0.81.2之间变化。南京水利科学研究院建议把上式乘以1.17。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2.02 .5水水 工工 建建 筑筑 物物（四防止渗透变形的工程措施（四防止渗透变形的工程措施(1) 反滤层的结构反滤层的结构 反滤层一般是由层不同粒径的非粘性土、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，各层次的粒径则按渗流方向逐层增加，如下图。次的粒径则按渗流方向逐层增加，如下图。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。水水 工工 建建 筑筑 物物（反滤层的材料（反滤层的材料 反滤层的材料首