第三节-土石坝的渗流分析

第1页共7页第三节土石坝的渗流分析一、渗流分析的目的1)确定浸润线的位置；2)确定坝体和坝基的渗流量；3)确定渗流逸出区的渗透坡降。二、渗流分析方法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。三、水力学方法水力学方法基本假定:均质,层流,稳定渐变流。1）渗流计算的基本公式图4－19表示一不透水地基上的矩形土体，土体渗透系数为k，应用达西定律和假定，全断面内的平均流速v等于：dxdykv（4-8）设单宽渗流量为q，则：dxdykyvyq（4-9）将上式分离变量后，从上游面（x=0，y=H1）至下游面（x=L，y=H2）积分，得：LkqHH22221即：LHHkq2)(2221（4-10）若将式（5-9）积分限改为：x由0至x，y由H1至y，则得浸润线方程：xyHkq2)(221即：xkqHy221（4-11）2）水力学法渗流计算用水力学法进行土坝渗流分析时，关键是掌握两点：一是分段，根据筑坝材第2页共7页料、坝体结构及渗流特征，把复杂的土坝形状通过分段，划分为几段简单的形状。二是连续，渗流经上游面渗入、下游面渗出，通过坝体各段渗流量相等。以此建立各段渗流之间的联系。一、不透水地基上土坝的渗流计算（一）均质土坝的渗流计算1．下游有水而无排水设备或有贴坡排水的情况如图4－20所示，可将土石坝剖面分为三段，即：上游三角形段AMF、中间段AFB″B′以及下游三角形B″B′N。根据流体力学原理和电模拟试验结果，可将上游三角形段AMF用宽度为△L的矩形来代替，这一矩形EAFO和三角形AMF渗过同样的流量q，消耗同样的水头。△L值可用下式计算：11121HmmL（4-12）式中：m1为上游边坡系数，如为变坡可采用平均值。于是可将上游三角形和中间段合成一段EOB″B′,根据式(4-10），可求出通过坝身段的渗流量为：LHaHkq2])([220211（4-13）式中：a0为浸润线逸出点距离下游水面的高度；H2为下游水深；L为EOB″B′的底宽，见图5-20。通过下游段三角形B′B″N的渗流量，可以分为水上和水下两部分计算。应用达西定律其渗流量可表示为：图4－20不透水地基上均质坝渗流计算图第3页共7页)1(020202aHanmkaq（4-14）然后，根据水流连续条件q=q1=q2，联立方程（4-13）、（4-15）即可求得a0和q值，浸润线方程可由式（4-11）求得。求出浸润线后，还应对渗流进口部分进行修正：过A点作与坝坡正交的平滑曲线，其下端与计算求得的浸润线相切于点A′。2、下游有褥垫排水根据流体力学的分析，图4-21所示的浸润线可用通过E点并以排水起点D为焦点的抛物线表示。若B点高度为h0，则C点距D点的距离为201hl。由于浸润线过点B（x=L′，y=h0）和C（x=20hL，y=0），故浸润线方程可表示为：xhhyL02022（4-15）又因浸润线通过点E（x=0，y=H1）,故：LHLh2120（4-16）再根据式（4-10），得通过坝身单宽渗流量q为：LhHkq2)(2021（4-17）当下游为堆石棱体排水且下游无水时，仍按上述褥垫排水情况计算。当下游有水时，可将下游水面以上部分按照褥垫式下游无水情况处理，即：LHHLh22120)(（4-18）单宽渗流量可按下式求得：])([220221hHHLkq（4-19）浸润线仍按式（4-11）计算。图4－21有褥垫排水时渗流计算图第4页共7页3、有棱体排水})({(220221hHHLhqLHHLh22120)(xkqHy221当下游无水时,按上述褥垫式排水情况计算。4、心墙坝的渗流计算心墙土料的渗透系数很小，比坝壳小10E4倍以上，可不考虑上游楔形体降落水头的作用。下游坝壳的浸润线也较平缓，水头主要在心墙部位损失。下游有排水时，可假定浸润线的出逸点为下游水位与堆石内坡的交点A。将心墙简化为等厚的矩形，δ＝（δ1+δ2)/2,则可求通过心墙段的单宽流量q1和心墙下游坝壳的单宽流量q2，联立求得心墙后浸润线高度h和q2][2211hHkqcLthkq2][222第5页共7页二、有限深透水地基上土坝渗流计算1、均质坝渗流计算首先按不透水地基上均质坝的计算方法，确定坝体的渗流量；再假定坝体不透水，根据渗流的达西定律，按式下式计算地基的渗流量q；然后取总单宽流量q为两者之和。式中n为流线弯曲对渗径的影响，可查表。L0/T20543211.051.181.231.31.441.872、带截水槽的心墙坝渗流计算如图4-23为一带截水槽的心墙坝。设心墙和截水槽的渗透系数为k0，忽略心墙前坝壳内的水位降落，可将渗流计算分为防渗体段和墙后段两部分，计算时取心墙平均厚度δ。01nLTHkqT图4-23透水地基上带截水槽的心墙坝的渗流计算图第6页共7页通过防渗心墙和地基截水槽的单宽渗流量为：2)()(22101ThTHKq（4-22）墙后段的流量为：TTLHhkHmLHhkqT44.0)()(2)(2222222（4-23）上式中：0.44T是对流线弯曲渗径的修正，其余各符号意义见图4-23。根据水流连续条件，qqq21，联立式（4-22）和（4-23），可求得墙后水深h和q。心墙内的浸润线按式（4-11）计算，墙后浸润线可按式（4-21）计算。当T=0时，可得不透水地基上心墙坝的渗流计算公式。（二）带截水槽的斜墙坝渗流计算如图4-24所示为有截水墙的斜墙坝，计算分为斜墙截水槽和其后坝体及地基段，并分别用平均厚度δ和δ1代替变厚度的斜墙和截水槽。通过斜墙及截水槽的渗流量为：ThHKhHKq11022101)(sin2)(（4-24）式中：h—斜墙后的水深。斜墙及截水槽后的渗流量为：TTLHhKHmLHhKqT44.0)()(2)(2222222（4-25）根据水流连续条件，qqq21，联立等式（4-25）和（4-25），可求得墙后水图5-24透水地基上带截水槽的斜墙坝的渗流计算图第7页共7页深h和q。心墙后的浸润线仍可按式（4-21）计算。当T=0时，可得不透水地基上斜墙坝的渗流计算公式。三、总渗流量的计算前面计算的是通过坝体和坝基的单宽渗流量。由于沿坝轴线的各断面形状及地基地质条件并不相同，因此计算通过坝体的总渗流量时，可根据具体情况将坝体沿坝轴线划分为若干段（图4-25所示），分别计算出每个断面的单宽流量，然后按下式计算全坝的总渗流量。1122111)()21nnnnnlqlqqlqqlqQ（（4-26）式中：1q、2q、…、nq为断面1、2、…、n的单宽渗流量；1l、2l、…、nl、1nl为相邻两断面之间的距离。防止渗透变形的工程措施：（1）设置防渗设施，拦截渗透水流，延长渗径，降低渗透坡降。（2）设置排水沟或减压井，降低下游渗流出口处的渗透压力。（3）对可能发生管涌的部位，需设置反滤层，拦截可能被渗流带走的细颗粒；对下游可能产生流土的部位，可以设置盖重以增加土体抵抗渗透变形的能力。图4-25土坝总渗透流量计算示意图