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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、渗流三、渗流分析分析的手绘流网法的手绘流网法 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坡降,以
2、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）（一）计计算情况算情况: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.渗流基本公式对于不透水地基上矩形土体内
3、的渗流,如图所示。渗流计算图水水 工工 建建 筑筑 物物q=即由式可知,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（二）不透水地基上均质质土石土石坝坝的渗流的渗流计计算算（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,中间段和下游楔形体三段,如图所示。水水 工工 建建 筑筑 物物l等效矩形宽度：等效
4、矩形宽度：，值由下式计算，值由下式计算:式中上游坝面的边坡系数,如为变坡则取平均值；上游水深。l 计计算算对对象：象：坝坝身段身段(AMB”)及下游楔形体段(BB”N)。水水 工工 建建 筑筑 物物 l 坝坝身段的渗流量身段的渗流量为为:(4-15)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)。l下游楔形体的渗流量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。：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
5、通过下游楔形体上部的渗流量为：水水 工工 建建 筑筑 物物通过下游楔形体下部的渗流量为通过下游楔形体的总渗流量为:式中l水流连续条件水流连续条件：l 未知量的求解：两个未知数渗流量未知量的求解：两个未知数渗流量 和逸出点高度。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,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）有褥有褥垫垫排水的均排水的均质坝质坝 水水 工工 建建 筑筑 物物（2）有棱
6、体排水的均质坝有棱体排水的均质坝 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：渗流量：可先假定地基不透水,按上述方法确定坝体的渗流量 和浸润线；然后再假定坝体不透水,计算坝基的渗流量 ；最后将 和 相加,即可近似地得到坝体和坝基的渗流量。n坝体浸润线坝体浸润线：可不考虑坝基渗透的影响,仍用地基不透水情况下的结果。（1）均）均质质土石土石坝坝 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
7、大些。根据实验和流体力学分析,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:水水 工工 建建 筑筑 物物式中的q用坝身的渗流量。（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。（3）斜斜墙墙土土石石坝坝 有限深透水地基上的斜墙土坝,一般同时
8、设有截水墙或铺盖。前者用以拦截透水地基,后者用以延长渗径、减小渗透坡降,防止渗透变形,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,当下游无水时，H2=0，L1=L。当T=0时，也可得出不透水地基上斜墙坝的渗流计算公式。2)有有铺铺盖盖的的情情况况 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)总总渗流量渗流量计计算算 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，如图所示，然后分别计算各段的平均单宽流量
9、，则全坝的总渗透流量Q可按下式计算：Q=式中、各段坝长；、断面1、断面2处的单宽流量；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，如图所示。水水 工工 建建 筑筑 物物l首先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
10、垂直正交，但其上各点反映了该处逸出渗流的水面高度。nl其其次次，将上、下游水头差 分成n等分，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最最后后，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。（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：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
11、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，反之则小。因此，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。(2)渗流量渗流量 单宽渗流量q为所有流带流量的总和。网格i所在流带中的渗流量为：如果绘制的网格是扭曲正方形（），则：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：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 ，所以任一网格i范围内的土体所承受的渗透动水压力为：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
12、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。（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
13、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动，甚至形成剥蚀时，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）管管涌涌的的临临界界坡坡降降 对中小型工程及初步设计时，当渗流方向为由下向上时，可
14、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 物物式中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：1020的非粘性土，J=0.10。（2）流流土土的的临临界界坡坡降降 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：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（
15、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)反反滤滤层层的的结结构构 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，各层次的粒径则按渗流方向逐层增加，如图所示。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 反滤层的材料首先应该是耐久的、能抗风化的砂石料。为保证滤土排水的正常工作，材料的布置和要求应满足如下原则：1）被保护土壤的颗粒不得穿过反滤层。但对细小的颗粒（如粒径小于0.1mm的砂土），则可允许被带走。因
16、为它的被带走不会使土的骨架破坏，不至于产生渗透变形。2）各层的颗粒不得发生移动。3）相临两层间，较小的一层颗粒不得穿过较粗一层的孔隙。4）反滤层不能被堵塞，而且应具有足够的透水性，以保证排水畅通。5）应保证耐久、稳定，其工作性能和效果应不随时间的推移和环境的改变而遭受破坏。（）反滤层级配的设计根据上述要求，碾压式土石坝设计规范中提出如下的设计方法：对于被保护的第一层反滤层，建议用：水水 工工 建建 筑筑 物物式中 反滤层的粒径，小于该粒径的土重占总重的15%；被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总重的85%；被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总重的15%。（）土工织物简介 土工织物已在国内外的水利工程、铁路路基和海港等工程中广泛应用，我国也在广泛的研究和试用中。土工织物是由聚合物形成的纤维制成的。使用最广泛的聚合物是聚酯、聚丙稀、聚乙稀和聚酰胺，它们都具有较高的机械强度。按其制成的方法可分为三种类型：有纺型由相互正交的纤维组成；编织型用一根根单一的纤维按一定的方式编成；无纺型其纤维呈无规则编列的状态。