土石坝渗流与稳定.

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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自由水面的位置，估算由此产生的孔隙压力，供上

2、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(Darcys Law)，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)积分，得： 对（*)积分，可得浸润线方程：,不透水地基上矩形土体的

3、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。

4、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

5、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

6、,（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

7、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。 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

8、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，导致土体结构破坏. 流土 在渗流作用下，土体同时浮动或流动，多发生于粘性土或均匀的非粘性土中 3. 接触流失 渗流垂直于渗透系数相差较大的两相邻土层的接触面二流动时，将渗透系数小较小 层中的细颗粒带入渗透系数较大的另一土层. 4. 接触冲刷 当渗流沿着粗细两种土层的接触面或建筑物与地基的接触面流动时，沿层面带走细颗 粒的现象.,土层接触面处的渗透变形,1渗流；2粘性土；3砂砾；4粘土,（二） 渗透变形型式判别,影响渗透变形的因素：土体密实度程度、颗粒级配、细粒含量 渗透变形形式判

9、断依据： 流土 过渡型 不均匀系数 管涌 35% 流土 2535% 过渡型 细颗粒含量 25% 管涌,（三） 渗透破坏标准,土体在渗流作用下是否产生渗透破坏，主要取决于土体本身的抗渗强度，以临界坡降 作为判定标准 一般管涌按下式计算： 其中：d流失颗粒的粒径，可取为小于这个粒径土壤颗粒占35，cm；k渗透 系数，cm/s；n孔隙率。 对流土通常采用太沙基公式： 其中： 土粒容重； 水的容重；n土的孔隙率。 （四） 增加渗透稳定性的工程措施 增大渗透途径，降低渗透坡降或截阻渗流 增设排水沟或减压井，降低下游渗流出口处的渗透压力，将渗水由计划的排出,（五） 反滤层设计,作用：渗流出口或进入排水处，

10、坡降较大，流速较快，易产生渗透变形。为防止土体 在渗流作用下发生渗透变形，防渗体与坝壳或坝基透水层之间、排水与坝体和土壤之间 必须设置反滤层。 型式：土反滤、土工织物反滤 基本要求： 透水性大于被保护土，能通畅的排除渗透水流 使被保护土不发生渗透变形 不致被细粒土淤塞失效 在防渗体出现裂缝情况下，土颗粒不会被带出反滤层，能使裂缝自行愈合 反滤层的设计： 反滤料一般采用比较均匀的抗风化砂、砾卵石或碎石。反滤层的级配和层数通过计 算比较确定。一般要求反滤料的不均匀系数 58；相邻两层间系数应满足：,式中， 反滤料的粒径小于该粒径的土占总土重的15； 被保护土的 粒径，小于该粒径的土占总土重的85；

11、 被保护土的粒径小于该粒径的占总土重 的15。,对于被保护土的第一层反滤料，建议：,第五节 土石坝的稳定分析,一 目的 分析坝体及坝基在不同工况下可能的失稳型式，验算其稳定性，定出经济剖面。 二 可能失稳型式 土体抗剪强度不足滑动 坝基内有软弱夹层塑性流动 饱和细沙受地震荷载作用液化 三 滑动面型式 曲面粘土坡 折线非粘性土坡 复式厚心墙坝或坝基内存在软弱夹层,四 荷载,1. 坝体自重 土石坝的主要荷载，应根据其位于水上、水下情况分别选取湿容重、浮容重计算 2. 孔隙水压力 机理 土体可压缩，水不可压缩，且不能传递剪力，当土体孔隙被饱和后，其上所加荷载将全部由水承担，在孔隙水因受压而排出时逐渐

12、转移到土体骨架上。土体骨架承担的有效应力与孔隙水压力之和为总压力 需考虑工况 （对粘性土）施工期、库水位骤降时、地震时 考虑方法 总应力法与有效应力法 3. 地震荷载 地震惯性力按拟静力法计算，沿坝高作用于质点i处的水平向地震惯性力PI为： 式中： 水平向地震系数，与地震烈度有关； 综合影响系数，常取0.25； 地震加速度分布系数； 集中在i质点的质量,竖向地震力也按水平向地震惯性力公式计算，其中 对设计烈度是8、9度的、级坝，应同时考虑水平向和竖向地震惯性力，此时竖向地震 惯性力还应乘以0.5的遇合系数。 五 计算工况 水库正常蓄水位 下游坡 正常运用时 水位降落 上游坡 最不利水位时 上游

13、坡 水位骤降 上游坡 非常运用时 施工期上下游坡 校核水位下游坡 地震时上、下游坡,六 抗滑稳定分析方法,土石坝的坝坡稳定分析常采用极限平衡理论。依据不同的滑坡形式，分为圆弧滑动 法、折线滑动法和复式滑动法。 1. 圆弧滑动法 （1）瑞典条分法 适用范围：均质坝、厚心墙和厚斜墙坝的可能滑动面都近似圆弧 原理：假定坝体或坝基有一系列圆柱型破坏面，按平面问题考虑即为圆弧面。圆弧内的土体其绕圆心的抗滑力矩大于滑动力矩则稳定，否则边坡丧失稳定 单个可能滑动体的方法与步骤： 首先确定坝体浸润线位置，在不同区域采用不同的物理力学性质指标。坝体浸润线以上采用湿容重。对浸润线以下的坝体，计算滑动力矩时用饱和容

14、重，计算抗滑力矩时则用浮容重。 将圆弧内土体分成若干条，为方便计算，土体宽度b取为半径R的份数，即 b R/m，m常用1020。,以i土条为例，其自重 ， 在滑弧上可分解为切向分力 和法向力 。忽略条块剪相互作用力，边坡的稳定安全系数为： 即：,坝坡稳定计算示意图,土条编号方法是以圆心正下方的一条为i0，并依次向上游i1，2，3，向下游为i 1，2，3，于是有： 因此： 对于高坝，用有效应力法更符合实际，采用有效应力指标 ，坝坡安全系数如下：,最危险滑弧位置的确定：按照一定方式，取一系列的滑动面验算，即可求出最小安全 系数，相应的滑动面即为最危险或具有最小安全系数的滑动面 （2）毕肖普法 毕肖普法考虑了土条两侧的作用力,条块间作用力为任意向的滑弧数值分析,（a）滑动土块；（b）条块的力平衡图,设ABCD为一末浸水的圆弧滑动面。假定条块两侧的作用力为 ，G为条块重量；N为条块底面上的法向力； 为条块底面的有效法向力；u为条块底面的 孔隙水压力；S为条块底面上有效剪力； 为土体的有效抗剪强度指标。 滑动面BC上产生的剪力为： 根据滑动平衡条件： 则： （*) 根据（b）一个条块的力平衡图，求得 N、ul， 代入式（*)，化简得： （1）,式中 是未知量，需先按试算法求出： 土条间的Xn、Vn为内力，其平衡方程为： （2） 条块的力平衡图（b）为： （3） 计算时先假定各土条间的