土石坝渗流与稳定.

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(Darcy’sLaw)，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：02222yHkxHkyxxkykdxdykv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：dxdyykyvqLHHkqLkqHH2222212221xkqyH2221不透水地基上矩形土体的渗流计算图图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：11121HmmLBBEOLtaHkq220211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。NBB00202ln1atamkaqBCBBNBCBBBBBN21qqq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。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eh2/1ehl),(ehyLxB)0,2/(yhLxCexhhyLee222),0(1HyxEeehhHL2221LHLhe212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：LhHkqe2221有棱体排水时渗流计算图LtHLhe2122212thHLkqe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。410212122211hHkqc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Lthkq222221qqqhqxkqyH2221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：2121sin22211hHkqcLthkq222221qqq222yhqkx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（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：iilhkJkvilhnHH21iilnHHkv121iiiilcnHHkcvq21iciiclnHHkq21单宽流量为：作用在I处单位土体的渗透力为：mnHHkqmq21Jfi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222111dsJkdsJkdq22221111dstgdsdhkdstgdsdhk2121kktgtg111AB=dstg122AB=dstg（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：xkkxxy/1xykk/（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1.管涌多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.2.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断依据：流土过渡型不均匀系数管涌35%流土25~35%过渡型细颗粒含量25%管涌10201020（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3％～5％，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3/42nkdJcnJsc11/0s0（五）反滤层设计作用：渗流出口或进入排水处，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5~8；相邻两层间系数应满足：10~860~4060~40dD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％；——被保护土的粒径小于该粒径的占总土重的15％。5/5~4/15158515dDdD15D85d15d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iizHiWaCKPHKzCiaiW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Ⅰ、Ⅱ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iizViWaCKPHVKK32dmvscmk/3,/103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10～20。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bhhhGiiii321iGiiiGTsiniiiGNcos滑动力矩抗滑力矩/cKiiiiiiicGlctgGKsincos土条编号方法是以圆心正下方的一条为i＝0，并依次向上游i＝1，2，3……，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：mnRnbisin221cosmnimnGlctgmnGKiiiiic221c、iiiiiiiiicGlctgluGKsincos''[()costan]siniiiiiiisiiclwubFw×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