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1、土质边坡渗流、稳定分析系统顾客使用手册（V 1.0测试版）中国水利水电科学研究院长沙远盛科技有限公司-08一、功能概述本系统分为三部分：前解决、核心计算、后解决。目的为：顾客能应用该系统对土质边坡渗流、稳定分析项目进行建模，快捷地输入边坡参数、水位、材料信息、震级等各项计算参数；系统半自动、自动进行单元网格划分；系统进行土质边坡或土坝渗流计算，稳定分析；系统自动生成设计报告并批量生成设计成果图。二、编制原理1 编制根据（1）建筑边坡工程技术规范（GB 50330-）（2）水利水电工程边坡设计规范（SL386-）（3）堤防工程设计规范（ GB 50286-98）（4）碾压式土石坝设计规范(SL2
2、74-)（5）碾压式土石坝设计规范（DL/T 5395-）（6）渗流计算原理及应用顾慰慈 编著 中国建材工业出版社 .08（7）渗流数值计算与程序应用毛昶熙 段祥宝主编 河海大学出版社 1999.01（8）土质边坡稳定分析-原理.措施.程序陈祖煜著 中国水利水电出版社 2 计算参数采用的单位该系统中如无特别阐明，高程、几何尺寸的单位均为米；力的单位为kN；弯矩单位为kNm；材料容重的单位为kN/m3；应力的单位为kN/m2。3 坐标系x轴以水平指向坝体下游为正；y轴以竖直向上为正；转角以x轴正方向为起点，逆时针为正。进行应力、稳定分析时，取坝体纵向单位长度的坝段为计算单元进行分析。4 波浪爬高
3、计算4.1 年最大风速年最大风速系指水面上空 10m高度处 10min平均风速的年最大值；对于水面上空z（m）处的风速，应乘以表2.4-1中的修正系数 K z后采用。陆地测站的风速，应参照有关资料进行修正。 表2.4-1风速高度修正系数4.2 风区长度（有效吹程）按下列状况拟定： 1）当沿风向两侧的水域较宽时，可采用计算点至对岸的直线距离； 2）当沿风向有局部缩窄且缩窄处的宽度 b不不小于 12倍计算波长时，可采用 5倍 b为风区长度，同步不不不小于计算点至缩窄处的直线距离；3）当沿风向两侧的水域较狭窄或水域形状不规则、或有岛屿等障碍物时，可自计算点逆风向做主射线与水域边界相交，然后在主射线两
4、侧每隔 7.5做一条射线，分别与水域边界相交。如图2.4-1所示，记 D 0为计算点沿主射线方向至对岸的距离，D i为计算点沿第 i条射线至对岸的距离， i为第 i条射线与主射线的夹角， i=7.5i(一般取 i=1、2、3、4、5、6)，同步令 0=0,则等效风区长度 D可按下式计算：（2.4-1）图2.4-1 等效风区长度计算示意4.3 风区内的水域平均深度风区内的水域平均深度一般可通过沿风向作出地形剖面图求得，其计算水位应与相应设计状况下的静水位一致。4.4 波浪要素计算1宜根据拟建水库的具体条件，按下述三种状况计算波浪要素： 1） 平原、滨海地区水库，宜按莆田实验站公式计算：（2.4-
5、2）（2.4-3）式中： hm 平均波高，m； Tm 平均波周期，s；W 计算风速，m/s；D 风区长度，m；Hm 水域平均水深，m；g 重力加速度，9.81m/s 2。2） 丘陵、平原地区水库，宜按鹤地水库公式计算（合用于库水较深、W 26.5m/s及D 7.5km）：（2.4-4）（2.4-5）式中： h2% 累积频率为2%的波高，m；Lm 平均波长，m。3）内陆峡谷水库，宜按官厅水库公式计算（合用于W 20m/s及 D 20km）：（2.4-6）（2.4-7）式中：h当 gD/W2=20250时，为累积频率5%的波高 h 5%；当 gD/W2=2501000时，为累积频率 10%的波高
6、h 10%。 2累积频率为P（%）的波高h p与平均波高的关系可按表2.4-2进行换算。 表2.4-2累积频率为P（%）的波高与平均波高的比值3有效波高hs可取累积频率为14%的波高 h 14%。4风壅水面高度可按下式计算：（2.4-8）式中e 计算点的风壅水面高度，m；K 综合摩阻系数，可取K3.610-6；W 设计风速，按计算波浪的风速拟定；D 风区长度，m； 风向与垂直于堤轴线的法线的夹角，度。5设计波浪爬高值应根据工程级别拟定，1级、2级和3级坝采用累积频率为1%的爬高值R 1%，4级和5级坝采用累积频率为5%的爬高值R5%。6正向来波在单坡上的平均波浪爬高可按式2.4-9、式2.4-
7、10或有关规定计算：1） 当m1.55.0时，可按下式计算：（2.4-9）式中：Rm 平均波浪爬高，m；K斜坡的糙率及渗入性系数，根据护面类型按表2.4-3拟定；Kw 经验系数，根据表2.4-4拟定；2） 当m1.25时，可按下式计算：(2.4-10)式中R0-无风状况下，光滑不透水护面(K1)、hm1m时的爬高值(m)，可按表2.4-5拟定。表2.4-3斜坡的糙率及渗入性系数K护面类型K光滑不透水护面(沥青混凝土)1.0混凝土及混凝土板护面0.9草皮护面0.850.90砌石护面0.750.80抛填两层块石(不透水基本)0.600.65抛填两层块石(透水基本)0.500.55四脚空心方块(安放
8、一层)0.55四脚锥体(安放二层)0.40扭工字块体(安放二层)0.38表2.4-4 经验系数KVV/11.522.533.545KV11.021.081.161.221.251.281.30表2.4-5 R0值mctga00.51.01.25R01.241.452.202.503） 当1.25m1.5时，可由m1.5和m1.25的计算值按内插法拟定。7带有平台的复合斜坡堤(图2.4-2)的波浪爬高，可先拟定该断面的折算坡度系数me，再按坡度系数为me的单坡断面拟定其爬高。折算坡度系数me可按下列公式计算：1）当m(m下-m上)0，即上下坡度一致时：(2.4-11)(2.4-12)2） 当m0
9、，即下坡缓于上坡时：(2.4-13)3） 当m0，即下坡陡于上坡时：(2.4-14)式中m上、m下 分别为平台以上、如下的斜坡坡率；dW 平台上的水深(m)，当平台在静水位以上时取正值；平台在静水位如下时取负值(图2.4-2)。dW表达取绝对值；B-平台宽度(m)；L-波长(m)。注：折算坡度法合用于m上1.04.0，m下1.53，dW/L-0.0670.067，B/L0.25的条件。图2.4-2带有平台的复合斜坡堤8当来波波向线与堤轴线的法线成角(度)时，波浪爬高应乘以系数K，当堤坡坡率m1时，K可按表2.4-6拟定。表2.4-6系数K(度)152030405060K10.960.920.8
10、70.820.769对1、2级堤防或断面形状复杂的复式堤防的波浪爬高，宜通过模型实验验证。10如图2.4-3所示作用在坡度系数为1.55.0的坝坡护面板上的波浪压力，可按式2.4-15、式2.4-16计算：1） 最大压力强度(2.4-15) (2.4-16)式中：Pz 最大压力强度，kN/m2；Kp 频率换算系数，取1.35；K2 系数，按表2.4-7拟定；K3 浪压力相对强度系数，按表2.4-8拟定；hs 有效波高，m。图2.4-3坝坡护面板上的波浪压力表2.4-7系数K2表2.4-7 浪压力相对强度系数系数K32）最大压力强度作用点距水面的距离Zz (2.4-17) (2.4-18) (2
11、.4-19)当计算Zz 0时，取Zz。3）斜面上各计算点到点Z的距离(2.4-20)4）波浪作用区域的上限Zo等于设计合计频率下的波浪爬高Rp。5 渗流计算原理5.1 渗流计算涉及如下内容：1、 拟定坝体浸润线及其下游逸出点的位置，绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图；2、 拟定坝体与坝基的渗流量；3、 拟定坝坡出逸段与下游坝基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗入比降；4、 拟定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置或孔隙压力；5、 拟定坝肩的等势线、渗流量和渗入比降。5.2 渗流计算的水位组合：1、 上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；2、 上游设计洪水位与下游相应的水位；3、 上游校核洪水
12、位与下游相应的水位；4、 库水位降落时上游坝坡稳定最不利的状况。5.3 本计算程序根椐压力和渗流边界条件，运用达西定律计算二维渗流问题中的压力和流网，在这里稳定渗流的微分方程转变成有限元中的方程。渗流控制方程体现为下式的二维微分方程式：(2.5-1) 其中 Kxx, Kxy ,Kyy 为不同方向的渗入系数 x、y 为坐标方向 H 为势函数，定义为压力和水头之和H=Y+P/gw 这个方程为稳定渗流， 合用于非均质和各向异向介质，可简化为均质和各向同向渗流的状况；5.4 分析过程中第一步是选择所研究问题的有限元离散措施：三角形或四边形单元。由于是常应变单元，但采用三角形单元时，结点3与结点4重和。
13、图2.5-1 单元结点编码与面号6 稳定计算原理6.1 稳定计算程序根据规范碾压式土石坝设计规范(SL274-)编写。6.2 土石坝设计条件土石坝设计条件根据所处的工作状况和作用力的性质分为：1、 正常运用条件1） 水库水位位于正常蓄水位和设计洪水位与死水位之间的多种水位的稳定渗流期；2） 水库水位在上述范畴内常常性的正常降落；3） 抽水蓄能电站的水库水位的常常性变化和降落。2、 非常运用条件1） 施工期；2） 校核洪水位有也许形成稳定渗流的状况；3） 水库水位的非常降落，如自校核洪水位降落、降落至死水位如下，以及大流量迅速泄空等。3、 非常运用条件正常运营条件遇地震。6.3 土石坝稳定计算工况土石坝施工、建成、蓄水和库水位降落的各个时期不同荷载下，应分别计算其稳定性。控制稳定的有施工期（涉及竣工时）、稳定渗流期、水库水位降落期和正常运用遇地震四种工况，应计算的内容分别如下：1、 施工期的上、下游坝坡；2、 稳定渗流期的上、下游坝坡；3、 水库水位降落期的上游坝坡；4、 正常运用遇地震的上、下游坝坡。6.4 应力计算状况1、 土石坝多种计算工况，土体的抗剪强度均应采用有效应力法按下式计算：2、 粘性土施工期同步应采用总应力法按下式计算：3、 粘性土库水位降落期期
