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1、土石坝渗流对地基稳定性影响的探究一、基本资料（一）枢纽任务本工程同时兼有防洪、发点、灌溉、渔业等功能。水电站装机容量为 2.4MW，正常蓄水位 2819.5m，死水位 2796m，3 台机组满载时的流量 44.41m3/s，尾水位 2752.2m；增加保灌面积 10 万亩；减轻洪水对下游两岸的威胁，安全泄量控制在 Q14.5m。斜心墙顶高程以设计水位加 0.6m 超高并高于校核洪水为原则，最后取 2823m，上部留有 2.5m 的保护层。河 床 冲 积 层 混 凝 土 防 渗 墙1 :31:2.5251:.： 275（2）坝基防渗。河床中部采用混凝土的防渗墙，厚度取 0.9m（有强度和防渗条件
2、定）。两岸因施工不便及冲积层逐渐减薄的缘故改用粘土截水墙，防渗墙伸入心墙的长度由接触面允许渗透坡降而定，上下游最大水头差为 67.3m（正常水位时），取J=5.0，则渗径长 l=67.3/5=13.46m。设计伸入 7m，这样接触面长度为 27+0.9=14.9m，防渗墙位置在心墙底面中心中部偏上。岸坡截水槽底厚按承受最大水头及粘土允许坡降为J=5.0 取用，沿岸坡厚逐渐变化，大剖面图如图 3-37 所示。 （三）渗流计算1.计算方法及计算假定选择水力学方法求解土坝渗流问题。根据坝内各部分渗流特点，将坝体分为若干段，应用达西定理近似解土坝渗流问题，计算假定任一过水断面内各点渗透坡降均相等。计算
3、简图如图 3-38 所示。通过防渗体渗流量：q =K(H2-H21)2Bsin +K2(H-H1)D T通过防渗体后侧坝体渗流量：q =K1 (H21-T21)2L1 +KT(H1-T1)L+0.44TT假设：（1）不考虑防渗体上游侧坝壳损耗水头的作用。（2）由于砂砾料渗透系数较大，防渗体又损耗了大部分水头，溢出点位置高程与下游水位高差不是太大，认为不会形成逸出高度。a（3）对于岸坡断面，下游水位在坝脚以下，水位从上往下流动时由于横向落差，此时实际上不为平面渗流，但仍按平面渗流计算，近似认为下游水位为零。由于河床冲击层的作用，岸坡实际不会形成逸出点，计算时假定浸润线末端即为坝址。2.计算断面及
4、计算情况的选择对河床中间断面及左右对称的-、-、- 3 个典型断面进行渗流计算，如图 1所示，计算主要针对正常蓄水及设计洪水时进行。3.计算结果渗流计算结果见下表渗流计算结果汇总表4.渗流稳定的初步验算正常蓄水位（m） 设计洪水位（m） 69.50 71.45 32.50 34.45上游水深 H（ m） 29.50 31.45 2.2 4.9 0 0下游水深 T1(m) 0 0 2.39 5.08 0.12 0.13逸出水深 H1(m) 0.13 0.14 5.75102 6.05102 3.43102 3.76102渗流量 q（m2/s） 2.71102 3.02102总渗流量 Q（m3/s
5、） 154.18 166.37计算情况计算项目斜心墙之后的坝壳，由于水头大部分渗体损耗了，坝壳渗透坡降及渗透速度甚小，发生渗透破坏的可能性不大，而在防渗墙与黏土斜心墙的接触面按允许坡降设计估计问题也不大。在斜心墙逸出点，渗透坡降较大，予以验算。渗流溢出点坡降见下表各种工况渗流逸出点坡降断面 计算情况 正常 设计 正常 设计 正常 设计坡降 2.32 3.57 3.25 4.59 3.93 4.19填筑土料的安全坡降，根据实践经验一般为 510，故而认为渗透坡降满足要求，加上黏土斜心墙有反滤层，故而认为不会发生渗漏破坏。5.成果分析与结论以斜心墙，混凝土防渗墙与两岸坝肩开挖分化岩填以黏土形成黏土
6、截水墙的垂直防渗带作为防渗措施。总渗流量在正常蓄水位时为 154.18m3/d,设计洪水位时为 166.37m3/d,与同类工程相比显然是很少的。在计算中考虑绕坝渗流及基岩透水，防渗墙渗透系数按理论取值可能偏大。由于这些因素的存在，估计渗流量的计算值取实际值会略有增大。坝的渗透坡降仍满足设计要求。（四）稳定分析计算1.计算方法按施工期、稳定渗流期、库水位降落期 3 个控制时期核算土石坝的稳定。心（斜心）墙坝的上下游的坝坡、斜墙坝的下游坝坡以及斜墙坝上游保护层等，这些部分滑动时常形成折线滑动面。部分浸水的非黏土坝坡，由于水位上下的土料容重不同，有水时、C 值也有所降低，此时坝坡失稳时最可能的滑动
7、面近乎折线。在滑动面上抗剪强度的发挥是一样的，故可表示为：C，tan 2=tan（ 2）/K C，tan 3=tan（ 3）/K C 1=（ 1） /式中：（ 1）、( 2)、( 3)为试验得到的抗剪强度指标。2.上下游坝坡折线滑动法 稳定计算上下游坝坡稳定计算成果见下表。各种工况上下游坝坡稳定计算成果部位 组合情况 最小安全系数 Kmin1/3 坝高水深 23m 1.89死水位 2796m 1.89正常蓄水位 2819.5m 1.89正常蓄水位+地震 1.64上游坡死水位 +地震 1.68正常蓄水位时 2752.2m 1.64设计洪水位时 2754.9m 1.64下游坡正常+地震 1.53安
8、全系数均满足要求，正常运用情况大于 1.30，正常+地震时大于 1.05。3.稳定成果分析由于上游坝坡较缓，稳定渗流期以及库水位降落期不考虑地震时，K min=1.89；考虑地震时 Kmin=1.64。下游坡情况也类似，正常情况 Kmin=1.64，非常情况 Kmin=1.53。坝的稳定安全系数偏大，就此而言，可考虑削陡坝坡以节省工程量。鉴于各种因素考虑不全，实际安全系数可能要小些，故而不改变坝坡，维持原拟定剖面。四、渗透变形及其渗流稳定判别土石坝坝身及坝基中的渗流，由于物理或化学的作用，导致颗粒流失，土壤发生局部破坏，称为渗透变形。据统计国内土石坝由于渗透变形造成的失事约占失事总数的45%。
9、（一） 渗透变形的形式渗透变形的形式及其发生发展过程，与土料性质、土粒级配、水流条件以及防渗、排水措施等因素有关，一般有管涌、流土、接触冲刷和接触流失等类型，见下图。工程中以管涌和流土最为常见。1渗流方向；2 粘性土；3砂砾；4 砂土（1）管涌。坝体或坝基中的无粘性土细颗粒被渗透水流带走并逐步形成渗流通道的现象称为管涌，多发生在坝的下游坡或闸坝下游地基面渗流逸出处。粘性土因颗粒之间存在凝聚力且渗透系数较小，所以一般不易发生管涌破坏，而在缺乏中间粒径的非粘性土中极易发生。（2）流土。在渗流作用下，产生的土体浮动或流失现象。发生流土时土体表面发生隆起、断裂或剥落。它主要发生在粘性土及均匀非粘性土体
10、的渗流出口处。（3）接触冲刷。当渗流沿着两种不同土层的接触面流动时，沿层面带走细颗粒的现象称为接触冲刷。（4）接触流失。当渗流垂直于渗透系数相差较大的两相邻土层的接触面流动时，把渗透系数较小土层中的细颗粒带入渗透系数较大的另一土层中的现象，称为接触流失。（二） 渗透变形形式的判别1. 根据颗粒级配判别以土壤不均匀系数 （=d 60/d10）作为判别渗流变形的依据。伊斯托明娜根据试验，认为 20 的土易产生管涌；当 1035%时，孔隙填充饱满，易产生流土；对缺乏中间粒径的砂砾料，当 25%30%时）。南京水利科学研究院也进行了大量的试验研究，提出如下判别公式：= 1+式中 a修正系数，取 0.9
11、51.0;n土体孔隙率；Pz粒径不大于 2mm 的细粒临界含量，%。当土体的细粒含量大于 Pz 时可能产生流土，当土体的细粒含量小于或等于 Pz 时，则可能产生管涌。此法应用方便，适合于各种土壤。（三） 渗透变形的临界坡降1. 产生管涌的临界坡降管涌发生与渗透系数和渗透坡降有关。到目前为止，试验和分析临界坡降的成果虽然很多，没有形成完全成熟的结论。对中小型工程，根据南京水利科学研究院的实验研究，当渗流方向由下向上时，非粘性土发生管涌的临界坡降可按以下经验公式推算。=423/3式中 d3相应于粒径曲线上含量为 3%的粒径，cm;k 渗透系数，cm/s;n 土壤孔隙率。对于易产生管涌破坏处的容许渗
12、透坡降 J，可根据建筑物级别和土壤类型，用临界坡降除以安全系数 23 确定。还可以参照不均匀系数 值来选用 J：1020 的非粘性土， J=0.10。对大中型工程，应通过管涌试验，以求出实际发生管涌的临界坡降。2. 产生流土的临界坡降当渗流自下向上发生时，常采用由极限平衡理论所得的太沙基公式计算，即=（ 1） （ 1）式中 G 土粒比重；n 土粒孔隙率。Jc 值一般在 0.81.2 之间变化。容许渗透坡降 J也需要有一定的安全系数，对于粘性土可采用 1.5，对于非粘性土可用 2.02.5。为防止流土的产生，必须使渗流逸出处的水力坡度小于容许坡降。土石坝的坝坡稳定分析（一） 荷载土石坝稳定计算考
13、虑的荷载主要有自重、渗透力、孔隙水压力和地震惯性力等。1. 自重对于坝体自重，一般在侵润线以上的土体按湿重度计算，侵润线以下、下游水位以上按饱和重度计算，下游水位以下按浮重度计算。2. 渗透力渗透力是渗透水流通过坝体时作用于土体的体积力。其方向为各点的渗流方向，其单位土体所受到的渗透力大小为 J， 为水的重度， J 为该处的渗透坡降。3. 孔隙水压力黏性土在外荷载作用下产生压缩时，由于孔隙内空气和水不能及时排出外荷载便由土粒、空隙中的水和空气共同承担。若土饱和，外荷载全部由水承担。随着孔隙水因受压而逐渐排出，所加的外荷载逐渐向土料骨架上转移。土料骨架承担的应力称为有效应力，她在土体滑动时能产生
14、摩擦力抵抗滑动；孔隙水承担的应力称为孔隙应力（或称孔隙水压力），他不能产生摩擦力；土壤中的有效应力与孔隙水压力之和称为总应力。孔隙压力的存在使土的抗剪强度降低，也使坝坡稳定性降低。对于黏性土坝体或坝基，在施工期和水库水位降落期必须计算相应的孔隙水压力，必要时还要考虑工末期孔隙压力的消散情况。孔隙压力的大小一般难以准确计算，它不仅与土料的性质、填土含水量、建筑速度、坝体各点荷载和排水条件等因素有密切关系，而且还随时间变化。目前孔隙水压力常按两种方法考虑，一种是总应力法，及采用不排水剪的总强度指标 、CU 来确定u土体的抗剪强度 =CU+tan ；另一种是有效应力法，及先计算孔隙水压力，在把它uu
15、当作一组作用在滑弧上的力来考虑，此时采用与有效应力相对应的排水剪或固结快剪试验的有效强度指标 。c4. 地震荷载地震惯性力可按拟静力法计算。沿坝高作用于质点 i 处的水平向地震惯性力代表值 Fi 的计算见第二章。（二）荷载组合1. 正常运用包括以下几种情况：（1） 水库蓄满水（正常高水位或设计洪水位）时下游坝坡的稳定计算。（2） 上游库水位最不利时上游坝坡的稳定计算，这种不（3） 利水位大致在坝底以上 1/3 坝高处，当坝剖面比较复杂时，应通过试算来确定。（4） 库水位正常降落，上游坝坡内产生渗透力时，上游坝坡的稳定计算。2、 非常运用包括以下几种情况：（1） 库水位骤降时（一般当土壤渗透系数 k10-3cm/s,水库水位下降速度V3m/d 时属于骤降），上游坝坡的稳定计算。（2） 施工期到竣工期，坝坡连同粘性土基一起的稳定计算，特别是对于高坝厚心墙的情况，必须考虑孔隙压力的作用。（3） 校核水位时，下游坝坡的稳定计算。此外，还有正常情况（包括施工情况）加地震作用时，上下游坝坡的稳定计算。坝体的抗滑稳定安全系数应不小于表 7-6 所规定的数值。对 1、2 级坝及坝高，以及一些
