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:LHaHkq2])([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:xhhyL02022(4-15)又因浸润线通过点E(x=0,y=H1),故:LHLh2120(4-16)再根据式(4-10),得通过坝身单宽渗流量q为:LhHkq2)(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:LHHLh22120)((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})({(220221hHHLhqLHHLh22120)(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q2][2211hHkqcLthkq2][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:TTLHhkHmLHhkqT44.0)()(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,qqq21,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:ThHKhHKq11022101)(sin2)((4-24)式中:h—斜墙后的水深。斜墙及截水槽后的渗流量为:TTLHhKHmLHhKqT44.0)()(2)(2222222(4-25)根据水流连续条件,qqq21,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)()21nnnnnlqlqqlqqlqQ((4-26)式中:1q、2q、…、nq为断面1、2、…、n的单宽渗流量;1l、2l、…、nl、1nl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