水工建筑物之土石壩滲流

水工建筑物

第四章

4.4土石壩的滲流分析

4.4.1概述分析目的：檢驗(yàn)壩的初選形式與尺寸，確定滲流力以核算壩坡穩(wěn)定。進(jìn)行防滲布置與土料配置，根據(jù)壩內(nèi)的滲流參數(shù)與逸出坡降，檢驗(yàn)土體的滲流穩(wěn)定，防止發(fā)生管涌和流土，確定壩體及壩基中防滲體和排水設(shè)施。確定通過壩及兩岸的滲流量并設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)的容量。一、滲流分析內(nèi)容：確定壩體浸潤線及下游出逸點(diǎn)的位置，繪制壩體及壩基內(nèi)的等勢線分布圖或流網(wǎng)圖。確定壩體與壩基的滲流量。確定壩體出逸段與下游壩基表面的出逸坡降，以及不同土層間的滲透比降。確定庫水位降落時(shí)上游壩坡內(nèi)的浸潤線位置或孔隙壓力。確定壩肩的等勢線、滲流量或滲透比降。二、滲流分析方法（1）解析法：包括流體力學(xué)法和水力學(xué)法；（2）手繪流網(wǎng)法：一種圖解方法，繪制方便；（3）實(shí)驗(yàn)法：采用電模擬實(shí)驗(yàn)解決三維問題；（4）數(shù)值法：采用有限元分析。三、滲流分析的計(jì)算情況上游正常蓄水位與下游相應(yīng)的最低水位；上游設(shè)計(jì)洪水位與下游相應(yīng)的水位；上游校核洪水位與下游相應(yīng)的水位；庫水位降落時(shí)上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。4.4.2滲流分析的水力學(xué)法

一、基本假定：壩體土是均質(zhì)的，壩內(nèi)各點(diǎn)在各個(gè)方向的滲透系數(shù)相同；滲流屬穩(wěn)定流，看作平面問題；滲流是層流，符合達(dá)西定律：v=KJ滲流是漸變流，過水?dāng)嗝嫔细鼽c(diǎn)的坡降和流速是相等的。二、滲流基本公式假定：任一鉛直過水?dāng)嗝鎯?nèi)各點(diǎn)的滲透坡降相等。

平均流速：單寬流量：自上游向下游積分：自上游向區(qū)域中某點(diǎn)積分：vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv三、不透水地基上的滲流計(jì)算1、均質(zhì)壩的滲流計(jì)算20世紀(jì)20年代前蘇聯(lián)學(xué)者提出，以浸潤線兩端為分界線，將均質(zhì)土壩分為3段：上游楔形體、中間段和下游楔形體，分別列出計(jì)算公式，再根據(jù)水流連續(xù)原理求解，稱為“三段法”。

(1)下游無排水

用一個(gè)等效矩形體代替上游楔形體，把此矩形體與原三段法的中間段和而為一，成為第一段，下游楔形體為第二段。虛擬上游面為鉛直的，距原壩坡與設(shè)計(jì)水位交點(diǎn)A的水平距離為ΔL:

上式根據(jù)流體力學(xué)和電擬試驗(yàn)得到，式中m1為上游壩坡坡度；H1為上游水深。1)上游壩段計(jì)算通過上游段的滲流量:2)下游壩段計(jì)算下游水位以上單寬滲流量:下游水位以下單寬滲流量:通過下游壩體總單寬流量:

根據(jù)水流連續(xù)條件:q＝q1＝q2聯(lián)立以上兩式，可求得a0和q。浸潤線方程可以用式(4—8）求得，求出后還應(yīng)對浸潤線進(jìn)口進(jìn)行修正：自A點(diǎn)引與壩坡AM正交的平滑曲線，曲線下端與計(jì)算所得的浸潤線相切于A‘。當(dāng)下游無水時(shí)，各式中的H2=0。壩體為貼坡排水對壩身浸潤線位置沒有影響，計(jì)算方法與下游無排水相同。(2)下游有褥墊排水

根據(jù)流體力學(xué)計(jì)算表面，浸潤線可由一通過E點(diǎn)并以排水起點(diǎn)為焦點(diǎn)的拋物線來表示。可得拋物線的公式為：

(3)下游棱體排水

當(dāng)下游無水時(shí)和褥墊式相同，下游有水時(shí)，可將下游水面以上部分按照無水情況處理。即:

2.心墻壩的滲流計(jì)算心墻土料的滲透系數(shù)很小，比壩殼小10E4倍以上，可不考慮上游楔形體降落水頭的作用。下游壩殼的浸潤線也較平緩，水頭損失主要在心墻部位。下游有排水時(shí)，可假定浸潤線的出逸點(diǎn)為下游水位與堆石內(nèi)坡的交點(diǎn)A。將心墻簡化為等厚δ的矩形.聯(lián)立求解h、q

3.斜墻壩的滲流計(jì)算將斜墻簡化為等厚的矩形，則可求通過斜墻的單寬流量q1和斜墻壩殼的單寬流量q2，聯(lián)立求得h和q。

四、有限深透水地基上的滲流計(jì)算1、均質(zhì)壩均質(zhì)壩透水地基深度為T，滲透系數(shù)為KT，壩體滲透系數(shù)為k，可將壩體和壩基分開計(jì)算。壩體部分按不透水地基計(jì)算；再假定壩體不透水，計(jì)算壩基的滲流量；兩者相加。下游無水時(shí)，通過壩體和壩基的單寬流量：下游有水時(shí)，通過壩體和壩基的單寬流量：2、心墻壩聯(lián)立求得q和h。浸潤線方程：近似認(rèn)為上游壩殼中無水頭損失，滲流計(jì)算分防滲體段和墻后段兩部分。（1）有截水墻的情況計(jì)算方法與心墻壩類似：

（2）有鋪蓋情況近似認(rèn)為鋪蓋與斜墻是不透水的。五、三總滲三流量三計(jì)算將土三石壩三沿壩軸三線分三為若三干段三，然后三分別三計(jì)算三選取斷面三的單三寬滲三流量三，再計(jì)三算總?cè)凉B流三量。4.三4.三3滲透三變形三及防三止措三施一、三滲透三變形三分類三與特三點(diǎn)定義三：土石三壩及三地基三中的三滲流三，由三于物三理和三化學(xué)三作用三，土三體顆三粒流三失，三導(dǎo)致三土壤三發(fā)生三局部三破壞三，稱三為滲三透變?nèi)?。滲透三變形三及其三發(fā)展三過程三與土三料性三質(zhì)、三顆粒三級配三及水三流條三件、三防滲三、排三水措三施等三因素三有關(guān)三。常見三滲透三變形三的型三式：管涌三、流三土、三接觸三沖刷三、剝?nèi)x、三化學(xué)三管涌三等。(1三)管涌三：在一三定滲三流作三用下三，土三體中三的細(xì)三顆粒三沿骨三架顆三粒所三形成三的孔三隙管三道移三動(dòng)或三被滲三流帶三走，三發(fā)生三于無三粘性三土中三（沙三礫料三）。(2三)流土三：指在三滲流三作用三下，三粘性三土及三均勻三無粘三性土三體被三浮動(dòng)三的現(xiàn)三象。三流土三常見三于下三游逸三出處三。(3三)接觸三沖刷三：滲流三沿著三兩種三不同三介質(zhì)三的接三觸面三流動(dòng)三時(shí)，三把其三中顆三粒層三的細(xì)三粒帶三走。(4三)接觸三流土三：滲流三垂直三于兩三種不三同介三質(zhì)的三接觸三面流三動(dòng)時(shí)三，把三其中三一層三的細(xì)三粒，三移入三到另三一層三中去三。例三如反三濾層三的淤三塞。(5三)化學(xué)三管涌三：指土三體中三的鹽三類被三滲流三水溶三解帶三走的三現(xiàn)象三。二、三非粘三性土三管涌三與流三土判三別產(chǎn)生三管涌三或流三土的三細(xì)顆三粒臨三界含三量與三孔隙三關(guān)系三：（1）當(dāng)三土體三細(xì)顆三粒含三量大三于Pg時(shí)，三可能三產(chǎn)生三流土三。（2）當(dāng)三土體三細(xì)顆三粒含三量小三于或三等于Pg時(shí)，三可能三產(chǎn)生三管涌三。三、三滲透三變形三的臨三界坡三降與三允許三坡降1.產(chǎn)生三管涌三的臨三界坡三降Jc與允三許坡三降臨界三坡降三計(jì)算三公式三：允許三滲透三坡降計(jì)算三公式三：2.產(chǎn)生三流土三的臨三界坡三降JB和允三許坡三降太沙三基公三式:四、三防止三滲透三變形三的工三程措三施措三施常用三的工三程措三施:全面三截阻三滲流三，延三長滲三徑；三設(shè)置三排水三設(shè)施三；設(shè)三置反三濾層三；設(shè)三排滲三減壓三井。砂石三反濾三層的三結(jié)構(gòu)三、設(shè)三計(jì)原三則、三材料三。土石三壩在自重三、水三荷載三、滲三透壓三力和三地震三荷載作用三下，三若剖三面尺三寸不三當(dāng)或三壩體三、壩三基土三料的三抗剪三強(qiáng)度三不足三，壩三體或三壩體三連同三部分三地基三發(fā)生滑動(dòng)，造三成失三穩(wěn)。三壩基三內(nèi)有三軟弱三夾層三時(shí)，三也可三能發(fā)三生塑性三流動(dòng)。飽三和細(xì)三沙受三地震三作用三還可三能發(fā)三生液化失穩(wěn)三。分析三目的三：分析三壩體三及壩三基在三各種三不同三條件三下可三能產(chǎn)三生的三失穩(wěn)三形式三，校三驗(yàn)其三穩(wěn)定三性，三確定三壩體三經(jīng)濟(jì)三剖面三。失穩(wěn)三特點(diǎn)三：壩體三由散三粒材三料組三成，三不會(huì)三出現(xiàn)三整體三滑動(dòng)三或傾三覆失三穩(wěn)，三只可三能發(fā)三生局三部失三穩(wěn)破三壞。4.三5土石三壩的三穩(wěn)定三分析4.三5三.1概述穩(wěn)定三破壞三形式滑動(dòng)三：壩或三壩基三材料三的抗三剪強(qiáng)三度不三夠，三沿某三一滑三動(dòng)面三向下三坍滑三。液化三：飽和三的松三砂受三振動(dòng)三或剪三切而三發(fā)生三體積三收縮三，孔三隙水三不能三立即三排出三，有三效應(yīng)三力轉(zhuǎn)三化為三孔隙三應(yīng)力三，砂三土抗三剪強(qiáng)三度降三低，三砂料三隨水三的流三動(dòng)而三流散三。影響三因素三：有三效粒三徑小三，孔三隙比三大，三砂料三均勻三，受三力體三大，三受力三猛，三透水三性小三，易三液化三。美三國福三特派三克壩38三0萬立三方米三的砂三體在10分鐘三內(nèi)流三失；三鐵路三橋因三火車三振動(dòng)三而液三化。塑性三流動(dòng)三：壩體三或壩三基剪三應(yīng)力三超過三了土三料抗三剪強(qiáng)三度，三變形三超過三彈性三極限三值，三壩坡三或壩三腳地三基土三被壓三出或三隆起三，壩三體產(chǎn)三生裂三縫或三沉陷三。軟三粘土三壩體三容易三發(fā)生三。1、曲三面滑三動(dòng)面—滑動(dòng)三面頂三部陡三而底三部漸三緩，三曲面三近似三圓弧三，多三發(fā)生三于粘三性土三中。2、折三線滑三動(dòng)面—多發(fā)三生于三非粘三性土三坡，三如薄三心墻三壩、三斜墻三壩；三折點(diǎn)三一般三在水三面附三近。3、復(fù)三式滑三動(dòng)面—厚心三墻或三粘土三及非三粘土三構(gòu)成三的多三種土三質(zhì)壩三形成三復(fù)式三滑動(dòng)三面。三當(dāng)壩三基內(nèi)三有軟三弱夾三層時(shí)三，滑三動(dòng)面三不再三向下三深切三，而三沿夾三層形三成曲三、直三組合三的復(fù)三式滑三動(dòng)。4.三5.三2土壤抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選取4.三5.三3穩(wěn)定三計(jì)算三情況三和安三全系三數(shù)的三采用一、三穩(wěn)定三計(jì)算三情況1.正常三運(yùn)用三情況:分三三種工三況；2.非常三運(yùn)用三情況Ⅰ：分三三種三工況三；3.非常三運(yùn)用三情況Ⅱ：正三常情三況遇三到地三震。二、三安全三系數(shù)三的采三用計(jì)入三條塊三間作三用力時(shí)，三不小三于表4—三9規(guī)定三；不計(jì)三入條三塊作三用力時(shí)，三另考三慮。4.三5.三4壩坡三穩(wěn)定三分析三方法一、三圓弧三滑動(dòng)三面穩(wěn)三定計(jì)三算1.瑞典三圓弧三法基本三原理:將滑三動(dòng)土三體分三為若三干鉛三直土三條,不考三慮條三塊間三的作三用力,求得三各土三條對三滑動(dòng)三圓心三的抗三滑力三矩和三滑動(dòng)三力矩,并求三其總?cè)??？筛龘?jù)下三式求三穩(wěn)定三安全三系數(shù)三：計(jì)算三步驟三：（1）確三定圓三心、三半徑三，繪三制圓三弧。（2）將三土體三編號三（3）計(jì)三算土三條重三量（4）計(jì)三算安三全系三數(shù)：2.簡化三的畢三肖普三法該法三計(jì)及三條塊三間作三用力三，故三計(jì)算三較為三復(fù)雜三。二、三非圓三弧滑三動(dòng)穩(wěn)三定計(jì)三算1.非粘三性土三壩坡三部分三浸水三的穩(wěn)三定計(jì)三算用鉛三直線DE將滑三動(dòng)土三體分三為兩三塊,則土三塊BC三DE沿CD滑動(dòng)三面的三力平三衡式三為:土塊AD三E沿AD滑動(dòng)三面的三力平三衡式三為:=02.斜墻三壩壩三坡的三穩(wěn)定三計(jì)算計(jì)算三滑動(dòng)三面ab三cd,將土三體分三成三三塊。三、三復(fù)合三滑動(dòng)三面厚心三墻滑三動(dòng)面三，通三過砂三性土三部分三為直三線，三通過三粘性三土部三分為三圓弧三?？蓪⑷瑒?dòng)三土體三分為3個(gè)區(qū)三，BC面上三的抗三滑力S=Gt三anφ+C三L四、三最危三險(xiǎn)滑三裂面三確定4.三6土料三選擇三與填三土標(biāo)三準(zhǔn)確三定筑壩三材料三選擇三應(yīng)遵三循的三原則三：（1）具三有或三經(jīng)加三工后三具有三與使三用目三的相三適應(yīng)三的工三程性三質(zhì)，三并具三有長三期穩(wěn)三定性三；（2）就三地、三就近三取材三，減三少棄三料（三環(huán)境三污染三），三少占三或不三占農(nóng)三田，三并優(yōu)三先考三慮樞三紐建三筑物三開挖三料的三利用三；（3）便三于開三采、三運(yùn)輸三和壓三實(shí)近20年來三土石三壩建三設(shè)的三突出三進(jìn)步三之一三就是三筑壩三材料三應(yīng)用三范圍三越來三越廣三。風(fēng)三化料三、軟三巖、三礫石三土等三也可三用于三筑壩三。對三不符三合要三求的三材料三進(jìn)行三處理三后也三可采三用。4.三6.三1壩體三不同三部位三對土三石料三的要三求1、防三滲土三料滲透三系數(shù)三：均質(zhì)三壩≤1e-三4c三m/三s，心墻三和斜三墻≤三1e-三5c三m/三s。水溶三鹽含三量（指三易溶三鹽和三中溶三鹽，三按質(zhì)三量計(jì)三）≤3三%有機(jī)三質(zhì)含三量：均質(zhì)三壩≤5三%，心三墻和三斜墻≤2三%，超三出需三論證三；有較三好的三塑性三和滲三透穩(wěn)三定性三；浸水三與失三水時(shí)三體積三變化三小。我國三主要三采用三粘土三、壤三土等三細(xì)粒三土。三缺點(diǎn)三：天三然含三水量三高，三雨天三難施三工，三造價(jià)三高，三壓縮三性大三，降三低心三墻抗三水力三劈裂三能力三。以下三粘土三不宜三作為三防滲三體填三筑料三，必三須采三用時(shí)三應(yīng)采三取適三當(dāng)措三施：塑性三指數(shù)三＞20和液三限＞40三%的沖積三粘土；膨脹三土;吸水三膨脹三，失三水收三縮。開挖三、壓三實(shí)困三難的干硬三粘土；凍土；分散三性粘三土。土三粒間三斥力三大于三引力三，遇三低鹽三水會(huì)三脫落三隨滲三水流三走。三經(jīng)處三理后三開用三于填三筑3級低三壩。2、壩三殼土三石料要求三：具三有比三較高三的強(qiáng)三度。三水下三部分三要求三具有三良好三的排三水能三力。三一般三可根三據(jù)材三料性三質(zhì)用三于壩三殼的三不同三部位.。3、反三濾料三、過三渡料三、排三水料要求三：質(zhì)地三致密三，抗三水性三和抗三風(fēng)化三性能三滿足三工程三運(yùn)用三條件三；具有三要求三的級三配；具有三要求三的透三水性三；反濾三料和三排水三體料三中粒三徑＜0.三07三5mm的顆三粒含三量≤5三%。4.三6.三2土料填筑三標(biāo)準(zhǔn)三的確三定填筑三標(biāo)準(zhǔn)三是指三土料三的壓三實(shí)程三度。三根據(jù)三施工三條件三、材三料情三況，三通過三試驗(yàn)三，合三理確三定填三筑標(biāo)三準(zhǔn)，三達(dá)到三安全三經(jīng)濟(jì)三目的三。綜三合考三慮以三下因三素：壩的三級別三、高三度、三壩型三和壩三的不三同部三位；土石三料的三壓實(shí)三特性三和采三用的三壓實(shí)三機(jī)具三；壩料三的填三筑干三密度三和含三水率三與力三學(xué)性三質(zhì)的三關(guān)系三，以三及設(shè)三計(jì)對三土石三料力三學(xué)性三質(zhì)的三要求三；土料三的天三然干三密度三、天三然含三水率三，以三及土三料進(jìn)三行干三燥或三濕潤三處理三的程三度；當(dāng)?shù)厝龤夂蛉龡l件三對施三工的三影響三；設(shè)計(jì)三地震三烈度三及其三它動(dòng)三荷載三作用三；壩基三土的三強(qiáng)度三和壓三縮性三；不同三填筑三標(biāo)準(zhǔn)三對造三價(jià)和三施工三難易三度的三影響三。1.粘性三土的三壓實(shí)三標(biāo)準(zhǔn)粘性三土的三填筑三標(biāo)準(zhǔn)三應(yīng)以三壓實(shí)三度和三最優(yōu)三含水三率作三為設(shè)三計(jì)控三制指三標(biāo)。壓實(shí)三度＝三設(shè)計(jì)三干重三度/最大三干重三度或：最優(yōu)三含水三量：在一三定壓三實(shí)功三能下三達(dá)到三最佳三壓實(shí)三效果三的含三水量三。2.非粘三性土三料的三壓實(shí)三標(biāo)準(zhǔn)非粘三性土三與壓三實(shí)程三度與三含水三量關(guān)三系不三大，三主要三與粒三徑級三配和三壓實(shí)三作用三力性三質(zhì)與三壓實(shí)三功能三有關(guān)三。砂礫三石和三砂的三填筑三標(biāo)準(zhǔn)三應(yīng)以三相對三密度三為設(shè)三計(jì)控三制指三標(biāo):式中Dr三－相對三緊密三度e－設(shè)計(jì)三孔隙三比ema三x－最大三孔隙三比emi三n－最小三孔隙三比。堆石三的填三筑標(biāo)三準(zhǔn)宜三用孔三隙率三為設(shè)三計(jì)控三制指三標(biāo)。土石三壩底三面積三大，三壩基三應(yīng)力三較小三，壩三身具三有一三定適三應(yīng)變?nèi)蔚娜芰θ?，壩三身斷三面分三區(qū)和三材料三的選三擇也三具有三靈活三性，三所以三，對三天然三壩基三的要三求低三于混三凝土三壩。對壩三基處三理的三要求三也不三能放三松。三據(jù)統(tǒng)三計(jì)，三土石三壩失三事約三有40三%是由三于壩三基問三題引三起的三。壩基三處理三的范三圍包三括河三床和三兩岸三岸坡三。4.三7土壩三的地三基處三理土石三壩地三基處三理的三任務(wù)三是：1.控制三滲流三，減三少滲三流坡三降，三避免三管涌三等有三害的三滲流三變形三，控三制滲三流量三；2.保持三壩體三和壩三基的三靜力三和動(dòng)三力穩(wěn)三定，三不產(chǎn)三生過三大的三有害三變形三，不三發(fā)生三明顯三的均三勻沉三降，三竣工三后，三壩基三和壩三體的三總沉三降量三一般三不宜三大于三壩高三的1%；3.在保三證壩三安全三運(yùn)行三的條三件下三節(jié)省三投資三。4.三7.三1砂卵三石地三基處三理1.垂直三防滲三設(shè)施（1）粘三土截三水墻適用三于透三水層三深度三較小三的情三況。(2三)混凝三土防三滲墻適用三于透三水層三深度三大于50m的地三基。（3）帷三幕灌三漿采用三高壓三定向三噴射三灌漿三技術(shù)三，通三過噴三嘴的三高壓三氣流三切割三地層三成縫三槽，三在縫三槽中三灌壓三水泥三砂漿三，凝三結(jié)后三形成三防滲三板墻三?？商幦磔^三深的三砂礫三石地三基，三但對三地層三的可三灌性三要求三高?？晒嗳裕篗=三D15/d85M大時(shí)三，可三灌性三好。帷幕三厚度三：T=三