土石坝渗流分析计算

水工工建建筑筑物物第四四章章4.4土石石坝坝的的渗渗流流分分析析4.4.1概述述分析析目目的的：：检验验坝坝的的初初选选形形式式与与尺尺寸寸，，确确定定渗渗流流力力以以核核算算坝坝坡坡稳稳定定。。进行行防渗渗布布置置与土料料配配置置，根根据据坝坝内内的的渗渗流流参参数数与与逸逸出出坡坡降降，，检检验验土土体体的的渗渗流流稳稳定定，，防防止止发发生生管管涌涌和和流流土土，，确确定定坝坝体体及及坝坝基基中中防防渗渗体体和和排排水水设设施施。。确定定通通过过坝坝及及两两岸岸的的渗流流量量并设设计计排水水系统统的的容容量量。。一、、渗渗流流分分析析内内容容：：确定定坝坝体体浸浸润润线线及及下下游游出出逸逸点点的的位位置置，，绘绘制制坝坝体体及及坝坝基基内内的的等等势势线线分分布布图图或或流流网网图图。。确定定坝坝体体与与坝坝基基的的渗渗流流量量。。确定定坝坝体体出出逸逸段段与与下下游游坝坝基基表表面面的的出出逸逸坡坡降降，，以以及及不不同同土土层层间间的的渗渗透透比比降降。。确定定库库水水位位降降落落时时上上游游坝坝坡坡内内的的浸浸润润线线位位置置或或孔孔隙隙压压力力。。确定定坝坝肩肩的的等等势势线线、、渗渗流流量量或或渗渗透透比比降降。。二、、渗渗流流分分析析方方法法（1）解解析析法法：：包包括括流流体体力力学学法法和和水水力力学学法法；；（2）手手绘绘流流网网法法：：一一种种图图解解方方法法，，绘绘制制方方便便；；（3）实实验验法法：：采采用用电电模模拟拟实实验验解解决决三三维维问问题题；；（4）数数值值法法：：采采用用有有限限元元分分析析。。三、、渗渗流流分分析析的的计计算算情情况况上游游正正常常蓄蓄水水位位与与下下游游相相应应的的最最低低水水位位；；上游游设设计计洪洪水水位位与与下下游游相相应应的的水水位位；；上游游校校核核洪洪水水位位与与下下游游相相应应的的水水位位；；库水水位位降降落落时时上上游游坝坝坡坡稳稳定定最最不不利利的的情情况况。。4.4.2渗流流分分析析的的水水力力学学法法一、、基基本本假假定定：：坝体体土土是是均均质质的的，，坝坝内内各各点点在在各各个个方方向向的的渗渗透透系系数数相相同同；；渗流流属属稳稳定定流流，，看看作作平平面面问问题题；；渗流流是是层层流流，，符符合合达达西西定定律律：：v=KJ渗流流是是渐渐变变流流，，过过水水断断面面上上各各点点的的坡坡降降和和流流速速是是相相等等的的。。二、、渗渗流流基基本本公公式式假定定：：任任一一铅铅直直过过水水断断面面内内各各点点的的渗渗透透坡坡降降相相等等。。平均均流速速：：单宽宽流量量：：自上上游游向向下下游游积积分分：：自上上游游向向区区域域中中某点积积分：：vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv三、不不透水水地基基上的的渗流流计算算1、均质质坝的的渗流流计算算20世纪20年代前前苏联联学者者提出出，以以浸润润线两两端为为分界界线，，将均均质土土坝分分为3段：上上游楔楔形体体、中中间段段和下下游楔楔形体体，分分别列列出计计算公公式，，再根根据水水流连连续原原理求求解，，称为为“三三段法法”。。(1)下游无无排水水用一个个等效效矩形形体代代替上上游楔楔形体体，把把此矩矩形体体与原原三段段法的的中间间段和和而为为一，，成为为第一一段，，下游游楔形形体为为第二二段。。虚拟拟上游游面为为铅直直的，，距原原坝坡坡与设设计水水位交交点A的水平平距离离为ΔL:上式根根据流流体力力学和和电拟拟试验验得到到，式式中m1为上游游坝坡坡坡度度；H1为上游游水深深。1)上游坝坝段计计算通过上上游段段的渗渗流量量:2)下游坝坝段计计算下游水水位以以上单单宽渗渗流量量:下游水水位以以下单单宽渗渗流量量:通过下下游坝坝体总单宽宽流量量:根据水水流连连续条条件:q＝q1＝q2联立以上两两式，可求求得a0和q。浸润线方程程可以用式(4—8）求得，求出出后还应对对浸润线进进口进行修修正：自A点引与坝坡坡AM正交的平滑滑曲线，曲曲线下端与与计算所得得的浸润线线相切于A‘。当下游无水时，各式中中的H2=0。坝体为贴坡坡排水对坝坝身浸润线线位置没有有影响，计计算方法与与下游无排排水相同。。(2)下游有褥垫垫排水根据流体力力学计算表表面，浸润润线可由一一通过E点并以排水水起点为焦焦点的抛物物线来表示示。可得抛物线的公公式为：(3)下游棱体排排水当下游无水水时和褥垫垫式相同，，下游有水水时，可将将下游水面面以上部分分按照无水水情况处理理。即:2.心墙坝的渗渗流计算心墙土料的的渗透系数数很小，比比坝壳小10E4倍以上，可可不考虑上上游楔形体体降落水头头的作用。。下游坝壳壳的浸润线线也较平缓缓，水头损损失主要在在心墙部位位。下游有有排水时，，可假定浸浸润线的出出逸点为下下游水位与与堆石内坡坡的交点A。将心墙简化化为等厚δ的矩形.联立求解h、q3.斜墙坝的渗渗流计算将斜墙简化化为等厚的的矩形，则则可求通过过斜墙的单单宽流量q1和斜墙坝壳壳的单宽流流量q2，联立求得h和q。四、有限深深透水地基基上的渗流流计算1、均质坝均质坝透水水地基深度度为T，渗透系数为为KT，坝体渗透系系数为k，可将坝体和和坝基分开开计算。坝坝体部分按按不透水地地基计算；；再假定坝坝体不透水水，计算坝坝基的渗流流量；两者者相加。下游无水时时，通过坝坝体和坝基基的单宽流流量：下游有水时时，通过坝坝体和坝基基的单宽流流量：2、心墙坝联立求得q和h。浸润线方程程：近似认为上上游坝壳中中无水头损损失，渗流流计算分防防渗体段和和墙后段两两部分。（1）有截水墙墙的情况计算方法与与心墙坝类似似：（2）有铺盖情情况近似认为铺铺盖与斜墙墙是不透水水的。五、总渗流流量计算将土石坝沿沿坝轴线分为为若干段，，然后分别计计算选取断面的单宽宽渗流量，，再计算总渗渗流量。4.4.3渗透变形及及防止措施施一、渗透变变形分类与与特点定义：土石坝及地地基中的渗渗流，由于于物理和化化学作用，，土体颗粒粒流失，导导致土壤发发生局部破破坏，称为为渗透变形形。渗透变形及及其发展过过程与土料料性质、颗颗粒级配及及水流条件件、防渗、、排水措施施等因素有有关。常见渗透变变形的型式式：管涌、流土土、接触冲冲刷、剥离离、化学管管涌等。(1)管涌：在一定渗流流作用下，，土体中的的细颗粒沿沿骨架颗粒粒所形成的的孔隙管道道移动或被被渗流带走走，发生于于无粘性土土中（沙砾砾料）。(2)流土：指在渗流作作用下，粘粘性土及均均匀无粘性性土体被浮浮动的现象象。流土常常见于下游游逸出处。。(3)接触冲刷：：渗流沿着两两种不同介介质的接触触面流动时时，把其中中颗粒层的的细粒带走走。(4)接触流土：：渗流垂直于于两种不同同介质的接接触面流动动时，把其其中一层的的细粒，移移入到另一一层中去。。例如反滤滤层的淤塞塞。(5)化学管涌：：指土体中的的盐类被渗渗流水溶解解带走的现现象。二、非粘性性土管涌与与流土判别别产生管涌或或流土的细细颗粒临界界含量与孔孔隙关系：：（1）当土体细细颗粒含量量大于Pg时，可能产产生流土。。（2）当土体细细颗粒含量量小于或等等于Pg时，可能产产生管涌。。三、滲透变变形的临界界坡降与允允许坡降1.产生管涌的的临界坡降降Jc与允许坡降降临界坡降计计算公式：：允许渗透坡坡降计算公式：：2.产生流土的的临界坡降降JB和允许坡降降太沙基公式式:四、防止渗渗透变形的的工程措施施措施常用的工程程措施:

砂石反滤层的结构、设计原则、材料。

土石坝在自重、水荷荷载、渗透透压力和地地震荷载作用下，若若剖面尺寸寸不当或坝坝体、坝基基土料的抗

分析目的：分析坝体及坝基在各种不同条件下可能产生的失稳形式，校验其稳定性，确定坝体经济剖面。

失稳特点：坝体由散粒材料组成，不会出现整体滑动或倾覆失稳，只可能发生局部失稳破坏。4.5土石坝的稳稳定分析4.5.1概述稳定破坏形形式滑动：坝或坝基材材料的抗剪剪强度不够够，沿某一一滑动面向向下坍滑。。液化：饱和的松砂砂受振动或或剪切而发发生体积收收缩，孔隙隙水不能立立即排出，，有效应力力转化为孔孔隙应力，，砂土抗剪剪强度降低低，砂料随随水的流动动而流散。。影响因素：：有效粒径径小，孔隙隙比大，砂砂料均匀，，受力体大大，受力猛猛，透水塑性流动：坝体或坝基剪应力超过了土料抗剪强度，变形超过弹性极限值，坝坡或坝脚地基土被压出或隆起，坝体产生裂缝或沉陷。软粘土坝体容易发生。1、曲面滑动动面—滑动面顶部部陡而底部部渐缓，曲曲面近似圆圆弧，多发发生于粘性性土中。2、折线滑动动面—多发生于非非粘性土坡坡，如薄心心墙坝、斜斜墙坝；折折点一般3、复式滑动面—厚心墙或粘土及非粘土构成的多种土质坝形成复式滑动面。当坝基内有软弱夹层时，滑动面不再向下深切，而沿夹层形成曲、直组合的复式滑动。4.5.2土壤抗剪强度指标的选取4.5.3稳定计算算情况和和安全系系数的采采用一、稳定定计算情情况1.正常运用用情况:分三种工工况；2.非常运用用情况Ⅰ：分三种种工况；；3.非常运用用情况Ⅱ：正常情情况遇到到地震。。二、安全全系数的的采用计入条块块间作用用力时，不小小于表4—9规定；不计入条条块作用用力时，另考考虑。4.5.4坝坡稳定定分析方方法一、圆弧弧滑动面面稳定计计算1.瑞典圆弧弧法基本原理理:将滑动土土体分为为若干铅铅直土条条,不考虑条条块间的的作用力力,求得各土土条对滑滑动圆心心的抗滑滑力矩和和滑动力力矩,并求其总总和。可根据下下式求稳稳定安全全系数：：计算步骤骤：（1）确定圆圆心、半半径，绘绘制圆弧弧。（2）将土体体编号（（3）计算土土条重量量（4）计算安安全系数数：2.简化的毕毕肖普法法该法计及及条块间间作用力力，故计计算较为为复杂。。二、非圆圆弧滑动动稳定计计算1.非粘性土土坝坡部部分浸水水的稳定定计算用铅直线线DE将滑动土土体分为为两块,则土块BCDE沿CD滑动面的的力平衡衡式为:土块ADE沿AD滑动面的的力平衡衡式为:=02.斜墙坝坝坝坡的稳稳定计算算计算滑动动面abcd,将土体分分成三块块。三、复合合滑动面面厚心墙滑滑动面，，通过砂砂性土部部分为直直线，通通过粘性性土部分分为圆弧弧。可将滑动动土体分分为3个区，BC面上的抗抗滑力S=Gtanφ+CL四、最危危险滑裂裂面确定定4.6土料选择择与填土土标准确确定筑坝材料料选择应应遵循的的原则：：（1）具有或或经加工工后具有有与使用用目的相相适应的的工程性性质，并并具有长长期稳定定性；（2）就地、、就近取取材，减减少弃料料（环境境污染）），少占占或不占占农田，，并优先先考虑枢枢纽建筑筑物开挖挖料的利利用；（3）便于开开采、运运输和压压实近20年来土石石坝建设设的突出出进步之之一就是是筑坝材材料应用用范围越越来越广广。风化化料、软软岩、砾砾石土等等也可用用于筑坝坝。对不不符合要要求的材材料进行行处理后后也可采采用。4.6.1坝体不同同部位对对土石料料的要求求1、防渗土土料渗透系数数：均质坝≤1e-4cm/s，心墙和斜斜墙≤1e-5cm/s。水溶盐含含量（指易溶溶盐和中中溶盐，，按质量量计）≤3%有机质含含量：均质坝≤5%，心墙和和斜墙≤2%，超出需需论证；；有较好的的塑性和和渗透稳稳定性；；浸水与失失水时体体积变化化小。我国主要要采用粘粘土、壤壤土等细细粒土。。缺点：：天然含含水量高高，雨天天难施工工，造价价高，压压缩性大大，降低低心墙抗抗水力劈劈裂能力力。以下粘土土不宜作作为防渗渗体填筑筑料，必必须采用用时应采采取适当当措施：：塑性指数数＞20和液限＞＞40%的冲积粘土土；膨胀土;吸水膨胀胀，失水水收缩。。开挖、压压实困难难的干硬粘土土；冻土；分散性粘粘土。土粒间间斥力大大于引力力，遇低低盐水会会脱落随随渗水流流走。经经处理后后开用于于填筑3级低坝。。2、坝壳土土石料要求：具有比比较高的强度度。水下部分分要求具有良良好的排水能能力。一般可可根据材料性性质用于坝壳壳的不同部位位.。3、反滤料、过过渡料、排水水料要求：质地致密，抗抗水性和抗风风化性能满足足工程运用条条件；具有要求的级级配；具有要求的透透水性；反滤料和排水水体料中粒径径＜0.075mm的颗粒含量≤5%。4.6.2土料填筑标准的确确定填筑标准是指指土料的压实实程度。根据据施工条件、、材料情况，，通过试验，，合理确定填填筑标准，达达到安全经济济目的。综合合考虑以下因因素：坝的级别、高高度、坝型和和坝的不同部部位；土石料的压实实特性和采用用的压实机具具；坝料的填筑干干密度和含水水率与力学性性质的关系，，以及设计对对土石料力学学性质的要求求；土料的天然干干密度、天然然含水率，以以及土料进行行干燥或湿润润处理的程度度；当地气候条件件对施工的影影响；设计地震烈度度及其它动荷荷载作用；坝基土的强度度和压缩性；；不同填筑标准准对造价和施施工难易度的的影响。1.粘性土的压实实标准粘性土的填筑筑标准应以压压实度和最优优含水率作为为设计控制指指标。压实度＝设计计干重度/最大干重度或：最优含水量：：在一定压实功功能下达到最最佳压实效果果的含水量。。2.非粘性土料的的压实标准非粘性土与压压实程度与含含水量关系不不大，主要与与粒径级配和和压实作用力力性质与压实实功能有关。。砂砾石和砂的的填筑标准应应以相对密度度为设计控制制指标:式中Dr－相对紧密度e－设计孔隙比emax－最大孔隙比emin－最小孔隙比。。堆石的填筑标标准宜用孔隙隙率为设计控控制指标。土石坝底面积积大，坝基应应力较小，坝坝身具有一定定适应变形的的能力，坝身身断面分区和和材料的选择择也具有灵活活性，所以，，对天然坝基基的要求低于于混凝土坝。。对坝基处理的的要求也不能能放松。据统统计，土石坝坝失事约有40%是由于坝基问问题引起的。。坝基处理的范范围包括河床床和两岸岸坡坡。4.7土坝的地基处处理土石坝地基处处理的任务是是：1.控制渗流，减减少渗流坡降降，避免管涌涌等有害的渗渗流变形，控控制渗流量；；2.保持坝体和坝坝基的静力和和动力稳定，，不产生过大大的有害变形形，不发生明明显的均匀沉沉降，竣工后后，坝基和坝坝体的总沉降降量一般不宜宜大