土石坝渗流分析

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1、§3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8/5/20211一、渗流分析概述分析目的：检验坝的初选形式与尺寸，确定渗流力以核算坝坡稳定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。确定通过坝及两岸的渗流量并设计排水系统的容量8/5/20212渗流计算内容：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；确定坝体与坝基的渗流量；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；

2、确定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置或孔隙压力；确定坝肩的等势线、渗流量或渗透比降。8/5/20213渗流计算应包括以下水位组合情况：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水位；上游校核洪水位与下游相应的水位；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

3、算。8/5/20214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：连续条件：二维渗流方程：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）。8/5/20215基本要点: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、水力学法基本假定：土料均一，各向同性渗流属稳定流看作

4、平面问题渗流看作层流渗流符合连续定律8/5/20216平均流速：单宽流量：自上游面（x＝0，y=H1)至下游面（x=L,y=H2)积分得：积分（*），可得浸润线方程：（*）（△）8/5/20217（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”。8/5/20218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

5、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的水平距离为ΔL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。8/5/20219通过第一段EOB’B’’的渗流量为：第二段B’B’’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：根据水流连续条件q＝q1＝q2，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

6、影响，计算方法与下游无排水相同。8/5/202110②下游有褥垫排水根据流体力学计算表面，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：8/5/202111抛物线通过E(x=0,y=H1),代入可得代入流量公式，可得单宽流量：8/5/202112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。8/5/202113（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

7、头的作用。下游坝壳的浸润线也较平缓，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，δ＝（δ1+δ2)/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q8/5/202114（三）斜墙坝的渗流计算将斜墙简化为等厚的矩形，δ＝（δ1+δ2)/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q8/5/202115（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

8、KT，坝体渗透系数为k，可将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。8/5/2021162、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