講座-5-3土石壩的滲流分析學(xué)習(xí)文檔

土石壩的滲流分析與滲流控制

3.1滲流分析的目的3.2土石壩中滲流特性3.3滲流分析的方法3.4滲流計(jì)算的水力學(xué)法3.5滲透變形及防止措施滲流分析的目的

滲流分析的內(nèi)容是：①確定壩體浸潤線的位置。②確定滲流要素，如滲流流速與滲透坡降。③確定通過壩體和壩基的滲流量。滲流分析的目的是：①對(duì)初選的壩的形式與剖面尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)，為核算上下游壩坡穩(wěn)定提供依據(jù)。②根據(jù)壩體內(nèi)部的滲流要素與滲流逸出坡降，檢驗(yàn)土體的滲流穩(wěn)定性，進(jìn)行壩體防滲布置與土料配置，防止?jié)B流逸出處發(fā)生管涌和流土。③計(jì)算通過壩體和河岸的滲流水量損失，并設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)的容量和尺寸。土石壩中滲流特性（1）巖土中滲流流速v和坡降J的關(guān)系一般符合如下定律:

v=kJ1/β式中：K為滲透系數(shù)，m/s。

β為參量,β=1~1.1時(shí)為層流,β=2時(shí)為紊流,β=1.1~1.85為過渡流。

v為均化的全斷面流速，實(shí)際土體孔隙中的流速較v高。（2）土石壩中滲流流速v和坡降J的一般假定

土石壩中滲流流速v和坡降J的一般假定符合達(dá)西定律，即β=1。細(xì)粒的粘土、砂土料基本滿足達(dá)西定律。

粗粒的礫石、卵石料近似滿足達(dá)西定律。

堆石體、巖體裂隙中的滲流，遵循不同的滲流規(guī)律，應(yīng)作專門研究。

（3）土石壩土料的各向滲流特性當(dāng)壩體為均質(zhì)材料，則各向滲透系數(shù)相同，即Kx＝Ky＝Kz。

當(dāng)壩體為非均質(zhì)材料，則各向滲透系數(shù)不同，Kx≠Ky≠Kz。

（4）寬廣河谷中的土石壩，可采用二維滲流分析，狹窄河谷中的高土石壩，應(yīng)采用三維滲流分析。

滲流分析的方法

（1）流體力學(xué)法：根據(jù)邊界條件，求解由達(dá)西定律和穩(wěn)定滲流的連續(xù)性條件建立的拉普拉斯方程：式中：vx,vy,vz：分別為x,y,z方向的滲流流速。Kx,Ky,Kz：分別為x,y,z方向的滲透系數(shù)。H為滲流場中任一點(diǎn)的滲透水頭。求解找到勢(shì)函數(shù)：H=f(x,y,z)和與勢(shì)函數(shù)共軛的流函數(shù)：q=ψ(x，y，z)

則可求解出滲流區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)的滲流要素：H（滲透水頭）、J（滲透坡降）、v（流速）。但由于土石壩的邊界條件復(fù)雜性，對(duì)實(shí)際工程不容易找出一個(gè)勢(shì)函數(shù)：H=f(x，y，z)和與H共軛的流函數(shù)：q=ψ(x，y，z)的解析式。（2）水力學(xué)法：在流體力學(xué)基礎(chǔ)上，做若干假定、簡化后，可以求解滲流區(qū)域內(nèi)的平均滲流要素。

（3）有限單元法：流體力學(xué)的數(shù)值解法，可以求解滲流區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)的滲流要素。

（4）手工繪制流網(wǎng)法：利用流網(wǎng)的性質(zhì)（曲線正方形），繪制滲流區(qū)域的流網(wǎng)圖，可以求解滲流區(qū)域內(nèi)的滲流要素。

繪制流網(wǎng)時(shí)，可應(yīng)用流網(wǎng)的一些基本特性：在穩(wěn)定滲流情況下，流線表示水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路線；等勢(shì)線表示勢(shì)能或水頭的等值線，即每一根等勢(shì)線上的測壓管水位都是齊平的，不同等勢(shì)線間的差值表示從高勢(shì)位向低勢(shì)位流動(dòng)的趨勢(shì)。等勢(shì)線和流線互相正交。上游水位下的壩坡和庫底以及下游水位下的壩坡和庫底均為等勢(shì)線，總水頭等于壩上、下游的水位差。壩下不透水層面為最后一條流線，浸潤線為第一條流線，其水頭等于浸潤線上各點(diǎn)的鉛直坐標(biāo)。滲流在下游壩坡上的逸出段與浸潤線一樣，其壓力等于大氣壓，各點(diǎn)水頭也隨鉛直坐標(biāo)而變化。

(5)實(shí)驗(yàn)方法：常用的有電模擬法、電網(wǎng)絡(luò)等模擬試驗(yàn)法。由于成本、周期以及計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步等原因，目前應(yīng)用不多。滲流計(jì)算的水力學(xué)法

3.4.1假定(杜平假定)3.4.2不透水地基上的均質(zhì)壩的滲流計(jì)算(下游無排水設(shè)備)3.4.3下游有排水設(shè)施的均質(zhì)壩滲流計(jì)算3.4.4不透水水地基上心墻壩的滲流計(jì)算3.4.5不透水水地基上斜墻壩的滲流計(jì)算3.4.6有限滲透水地基上的均質(zhì)壩計(jì)算3.4.7總流量的計(jì)算假定（杜平假定)

（1）壩體土料為均質(zhì)，各向同性。

（2）滲流為緩變流（等勢(shì)線和流線均緩慢變化），滲流場中任何鉛直線上各點(diǎn)的水頭和流速相等。

設(shè)滲流區(qū)可用矩形斷面的滲流場模擬，由達(dá)西定律得到：杜平公式：式中：H1、H2分別為上下游水深，m。

L為滲流區(qū)的長度，m。

K：滲透系數(shù)，m／d。

不透水地基上的均質(zhì)壩的滲流計(jì)算（下游無排水設(shè)備）

說明取1m寬壩體為計(jì)算單元，空間問題→平面問題。

用虛擬矩形體代替上游三角形。

原則：虛擬矩形體和上游三角形產(chǎn)生的滲流阻力相等。

當(dāng)壩體與壩基的滲透系數(shù)相同時(shí)，虛擬矩形的寬度可取ΔL=0.4H1

當(dāng)上游壩坡較陡（m1<2）時(shí)，虛擬矩形的寬度可取ΔL=m1*H1/(1+2m1)滲流浸潤線在下游壩坡面的逸出點(diǎn)在下游水位之上。ao為滲流逸出點(diǎn)至下游水位的垂直距離。以通過滲流逸出點(diǎn)的垂直線為分界線，將壩體分成上、下游段兩部分。

當(dāng)K地≤K壩/100)時(shí)，可認(rèn)為地基是不透水的。上游段的滲流計(jì)算分析任一點(diǎn)的滲透坡降：由達(dá)西定律：該斷面的滲流量

對(duì)首端至末端積分

對(duì)首端至任意斷面積分得浸潤線方程

下游段的滲流計(jì)算分析

水上部分：

假定該部分滲流流線為水平直線。任一流管的過水?dāng)嗝鏋閐Z×1，長度為m2Z，作用水頭為Z，沿高度呈線性變化。

滲透坡降為

滲透流量為水上部分的滲流流量：

水下部分：任一流管作用水頭為常數(shù)Z-H2=α0。滲透坡降為

滲透流量為

水下部分的滲流量：下游段的滲流量:q2=q‘+q“。由流量連續(xù)原理:q1=q2→α0，求解出α0

及q。浸潤線的起點(diǎn)需要修正。

討論

滲流流量與壩體材料的滲透系數(shù)有關(guān)，浸潤線的高度與壩體材料的滲透系數(shù)無關(guān)。當(dāng)所計(jì)算的滲流區(qū)域的上下游面為垂直面時(shí)，可以直接采用杜平公式計(jì)算該區(qū)域的滲流要素；當(dāng)所計(jì)算的滲流區(qū)域的上下游面不為垂直面時(shí)，可以采用達(dá)西定律按積分的方法分析計(jì)算該區(qū)域的滲流要素。

下游有排水設(shè)施的均質(zhì)壩滲流計(jì)算

（1）貼坡排水的情況同下游無排水設(shè)施

（2）褥墊式排水（下游無水）假設(shè)：浸潤線為一拋物線排水起點(diǎn)為拋物線的焦點(diǎn)，以焦點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，x‘

方向向左。該處拋物線的高度為α0。由杜平公式：（xoy坐標(biāo)系）

或（x‘oy’坐標(biāo)系）

將拋物線頂點(diǎn)的坐標(biāo)代入

由流量相等，聯(lián)立求解得：（3）下游為棱體排水

下游無水時(shí)同褥墊式排水。下游有水時(shí)，下游水面以上參照褥墊式排水的情況處理。

滲流量為：

不透水地基上心墻壩的滲流計(jì)算

假定心墻的上游浸潤線與水庫的上游水位齊平，為簡化計(jì)算，心墻用等厚為δ的矩形斷面代替，其中：δ1：心墻在上游水位處厚度；δ2：心墻的底部厚度。設(shè)心墻后的水深為H，通過心墻的的滲流量：

下游有水時(shí)，通過下游壩體的滲流量：

由上述兩式可聯(lián)立求解q,H。

不透水地基上斜墻壩的滲流計(jì)算假定：斜墻后的滲流為緩變流，斜墻后的水深為H，下游出口水深為H2；由流量的連續(xù)性條件，可求解通過斜墻的滲流量。(1）通過斜墻的滲流量

水深小于H的斜墻下部的作用水頭為常數(shù)值為H1-H。斜墻的厚度為：通過該段的滲流量：

水深大于H的斜墻上部的作用水頭：H1-y

通過該段的滲流量：由幾何關(guān)系：對(duì)兩式積分求和可得到通過斜墻的滲流量。(2)對(duì)墻后段應(yīng)用杜平公式，通過壩體的滲流量：（3）由流量的連續(xù)性條件：q=q1+q2聯(lián)立求解上述三式，可確定H和q。

有限深透水地基上均質(zhì)壩的滲流思路：①假定地基不透水，計(jì)算壩體的滲流量q壩；②假定壩體不透水：計(jì)算地基的滲流量q地（地基的滲流量可按T×1的矩形有壓管流考慮）；③壩體與地基的滲流量：q=q壩+q地。

與不透水地基的計(jì)算區(qū)別：①浸潤線有所下降,α0忽略不計(jì)（逸出段不計(jì)）。②壩基流線的平均長度為L'+0.44T(流線轉(zhuǎn)彎）

上游面的虛擬矩形寬度：式中：下游無水：

下游有水：求浸潤線方程時(shí)，將透水地基的厚度T，換算為與壩體滲透系數(shù)相同的土體厚度:，并視為壩體的一部分，浸潤線方程：總流量的計(jì)算

沿壩軸線方向?qū)误w分為若干壩段，分別計(jì)算各壩段的平均單寬流量，總流量為：

滲透變形及防止措施

3.5.1滲透變形及危害3.5.2滲透變形的判別標(biāo)準(zhǔn)3.5.3滲透變形的防止措施滲透變形及危害滲流對(duì)土體的作用：

從宏觀上看，影響壩的應(yīng)力和變形。

從微觀上看，使土體顆粒失去原有的平衡，而產(chǎn)生滲透變形。滲透變形的類型：（1）管涌破壞形式：壩體和地基土體中的部分顆粒被滲流逐步帶走。特點(diǎn)：一般發(fā)生在無粘性砂土及礫石土中，從發(fā)生到破壞，持續(xù)較長的時(shí)間。（2）流土破壞形式：在滲流的作用下，粘性土和均勻的非粘性土體被浮起。特點(diǎn)：一般發(fā)生在粘性土及均勻非粘性土中，發(fā)生即破壞。

（3）接觸沖刷

破壞形式：在細(xì)顆粒土和粗顆粒土的交接面上，滲流方向與與交接面平行，細(xì)顆粒土被滲流水沖動(dòng)而發(fā)生破壞。（4）剝離破壞形式：交接面上土顆粒與整體結(jié)構(gòu)分離。（5）化學(xué)管涌破壞形式：土體中的鹽類被滲流水帶走。滲透變形的判別標(biāo)準(zhǔn)為保持壩的滲流穩(wěn)定性，需查明壩體和地基土體發(fā)生滲透變形的臨界滲透坡降；再確定壩體和地基土體相應(yīng)的容許滲透坡降；以此作為進(jìn)行滲流穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。壩體和地基土體發(fā)生滲透變形的臨界坡降的判斷方法主要有兩類：（1）根據(jù)土體的顆粒級(jí)配鑒別，如土體細(xì)粒含量多少，土體的不均勻系數(shù)鑒別。

（2）根據(jù)土體中的滲流作用力判斷。（1）產(chǎn)生管涌的臨界坡降JC

臨界管涌坡降取決于土的顆粒組成和滲流坡降?？捎媚暇┧茖W(xué)院的沙金渲公式計(jì)算：

式中：

d3——相應(yīng)于顆粒級(jí)配曲線上含量為3％的粒徑，cm；

k——滲透系數(shù),m/s；

n——土的孔隙率。（2）流土的臨界坡降JC

對(duì)于砂土（c=0），根據(jù)土中滲流的作用力判斷流土的臨界坡降JC為：式中：