土石坝渗流与稳定.ppt

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1、第四节土石坝的渗流分析散粒体的渗流：水库蓄水后，由于上下游水位差的关系，水流会通过坝体土粒之间的空隙从上游向下游流动。图6-13渗流示意图第四节土石坝的渗流分析渗流计算目的：为确定经济可靠的坝型和合理的结构尺寸提供重要依据渗流计算任务：确定坝体浸润线及其下游逸出点的位置，绘制坝体积地基内的等势线分布或流网图，提供坝体稳定分析、应力计算和排水设备选择之用确定坝体与地基渗流量，以便估计水库渗漏损失和确定坝体排水的尺寸确定坝坡出逸段与下游地基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透坡降，以判断该处的渗透稳定性确定库水位降落时上游坝壳内

2、自由水面的位置，估算由此产生的孔隙压力，供上游坝坡稳定分析之用常用的渗流分析方法：流体力学方法、水力学方法、流网法和试验法。一土石坝渗流的基本方程及其解法（一）渗流的基本方程土坝渗流为层流，渗流区内任一点满足拉普拉斯方程：式中：、为x、y方向的渗透系数（二）渗流问题的水力求解假设:均质,层流,稳定渐变流.应用达西定律(Darcy’sLaw)，假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等。如图示为一不透水地基上的矩形土体，此时过流断面上的平均流速为：设单宽流量为q，则(*)将上式自上游面（x=0,y=H1)至下游面（x=L,y=H2

3、)积分，得：对（*)积分，可得浸润线方程：不透水地基上矩形土体的渗流计算图图6-15土坝浸润线示意图二计算土石坝渗流的水力学方法（一）不透水地基上土石坝的渗流计算1.均质坝的渗流计算下游无排水：计算时把土石坝断面分为上游三角形、中间段和下游三角形三段上游三角形渗流区域的等效宽度为：将上游三角形和中间段合成一段通过这段渗流区域的渗流量为：均质坝计算简图下游三角形段，以下游水面为界，分为水上部分和水下部分。和为等势线，非等势线也非流线。应用达西定律可得其渗流量：根据水流连续条件联立求解即可得浸润线方程和逸出高度。下游有褥垫排水：根

4、据流体力学分析表明，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。B点高度为，则C点位置。由于浸润线过和，浸润线方程为：浸润线通过点:有褥垫排水的渗流计算图由此可得EODBA段的单宽流量：下游棱体排水：当下游无水时和褥垫式相同；当下游有水时，如下图所示，可将下游水位以上部分按照无水情况处理。单宽流量为：有棱体排水时渗流计算图2.心墙坝的渗流计算心墙土料的渗透系数一般很小，比坝壳小倍以上，计算时可不考虑上游楔体降落水头的作用。下游坝壳的浸润线比较平缓，水头主要集中在心墙部位损失。当下游有排水时，近似的假定浸润线的逸出点为下

5、游水位和堆石内坡的交点A，如下图所示。心墙坝的渗流计算将心墙简化成等厚的矩形断面:则通过心墙段的单宽流量为：心墙下游坝壳的单宽流量为：根据联立求解，可求得心墙后浸润线高度和渗流量。下游坝壳的浸润线仍按计算。3.斜墙坝的渗流计算斜墙坝渗流计算将变厚度的斜墙简化成为厚度为的等厚斜墙，这样通过斜墙的渗流量为：斜墙后坝壳的渗流量为：由联立求解可得q和h。坝体的浸润线方程仍为：三流网法适用：剖面、边界条件复杂，用计算方法比较困难时流网绘法：根据经验确定浸润线位置及逸出点将上、下游水位差分为n等分，等分水平线与浸润线交点即等势线与浸润线的

6、交点，由这些交点绘制等势线绘制与等势线正交的流线。反复修正为相互正交、长宽相等网格，即流网由流网求渗流要素流网的绘制（一）渗流要素计算渗流场内任一点i的流速，可用i点所在网格的平均流速来代表：其中，k为土壤渗透系数；为i点所在网格相邻两根等势线之间的平均流线长度；为两根等势线之间的水头差，H1、H2为上下游水头；n为等势线的数目。因而：流管的流量为：式中为i点所在的网格相邻流线之间的距离，即i网格的高度，如为正方形,此时：根据流网性质，在正交曲线簇组成的流网中，个流管的渗流量应该相同：，于是单宽流量为：单宽流量为：作用在I处单

7、位土体的渗透力为：式中：m为流管数，其值为流线总数减去1。(二）不同土层分界处的流网渗流通过两种不同土壤的交界面，其流线和等势线将发生转折，按照连续条件，通过相邻两流线的流量不变：AA1、BB1为等势线，假定此时两等势线之间的水头损失为dh，则：不同土层界面处的流线（三）各向异性土体内的流网受施工与沉积因素影响，坝身、坝基的水平向渗透系数一般大于竖直向，若达几倍以上则应考虑土体的各向异性。在绘制流网时，先变换实际剖面，水平尺寸按换算，然后在变换的剖面上按一般方法绘制成网，最后将该剖面及流网的水平尺寸乘以，即可得实际剖面的流网。

8、几种不同类型土石坝的流网图如下：（a）（b）（c）不同类型土石坝的流网图（a）均质坝；（b）粘土心墙坝；（c）粘土斜心墙坝四渗透稳定的计算（一）渗透变形的形式管涌多发生在缺乏中间粒径的非粘性土中，细颗粒先被渗流带走，土的孔隙逐渐增大，继而较大颗粒相继带出，形成挟沙渗流集中通道