土石坝渗流与稳定河海大学水工建筑物.pptx

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1、一一 土石坝渗流的基本方程及其解法土石坝渗流的基本方程及其解法（一）渗流的基本方程（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）（二）渗流问题的水力求解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(Darcys Law)，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：第1页/共39页设单宽流量为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：不透水地基上矩形土体的渗流计算图不透水地基上矩形

2、土体的渗流计算图第2页/共39页图6-15土坝浸润线示意图第3页/共39页二二 计算土石坝渗流的水力学方法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（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：均质坝计算简图均质坝计算简图第4页/共39页 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

3、。第5页/共39页 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有褥垫排水的渗流计算图第6页/共39页由此可得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：有棱体排水时渗流计算图有棱体排水时渗流计算图第7页/共39页2.2.心墙坝的渗流计算心墙坝的渗流计算 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

4、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。心墙坝的渗流计算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：第8页/共39页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。3.3.斜墙坝的渗流计算斜墙坝的渗流计算斜墙坝渗流计算第9页/共39页 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：第10页/共39页 三三 流网法流网法适用：剖面、边界条件复杂，用

5、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流网的绘制第11页/共39页（一）（一）渗流要素计算渗流要素计算 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

6、,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：第12页/共39页 单宽流量为：作用在I 处单位土体的渗透力为：式中：m为流管数，其值为流线总数减去1。第13页/共39页(二）二）不同土层分界处的流网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不同土层界面处的流线第14页/共39页（三）（三）各向异性土体内的流网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

7、，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：第15页/共39页（a）（b）（c）不同类型土石坝的流网图不同类型土石坝的流网图（a）均质坝；（b）粘土心墙坝；（c）粘土斜心墙坝第16页/共39页 四四 渗透稳定的计算渗透稳定的计算（一）渗透变形的形式（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

8、用下，土体同时浮动或流动，多发生于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.第17页/共39页土层接触面处的渗透变形1渗流；2粘性土；3砂砾；4粘土第18页/共39页（二）（二）渗透变形型式判别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 2535%过渡型 细颗粒含量 25%管涌 第19页/共39页（

9、三）（三）渗透破坏标准渗透破坏标准 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35，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）（四）增加渗透稳定性的工程措施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第20页/共39页（五）（五）反滤层设计反滤层设计作用：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

10、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 58；相邻两层间系数应满足：第21页/共39页 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。对于被保护土的第一层

11、反滤料，建议：第22页/共39页 第五节第五节 土石坝的稳定分析土石坝的稳定分析一一 目的目的 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。二二 可能失稳型式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三三 滑动面型式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第23页/共39页四 荷载荷载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

12、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质点的质量第24页/共39页 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、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0.50.5的遇合系数。五五 计算工况计算工况 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

13、 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、下游坡第25页/共39页六六 抗滑稳定分析方法抗滑稳定分析方法 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。1.1.圆弧滑动法圆弧滑动法 （1 1）瑞典条分法）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

14、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1020。第26页/共39页 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第27页/共39页土条编号方法是以圆心正下方的一条为i0，并依次向上游i1，2，3，向下游为i1，2，3，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：第28页/共39页 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，

15、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系数的滑动面 （2）毕肖普法 毕肖普法考虑了土条两侧的作用力条块间作用力为任意向的滑弧数值分析条块间作用力为任意向的滑弧数值分析（a）滑动土块；（b）条块的力平衡图第29页/共39页 设ABCD为一末浸水的圆弧滑动面。假定条块两侧的作用力为，G为条块重量；N为条块底面上的法向力；为条块底面的有效法向力；u为条块底面的孔隙水压力；S为条块底面上有效剪力；为土体的有效抗剪强度指标。滑动面BC上产生的剪力为：根据滑动平衡条件：则：（*)根据（b）一个条块的力平衡图，求得 N、ul，代入式（*)，化简得：（1）第30页/共39页 式中 是未知量

16、，需先按试算法求出：土条间的Xn、Vn为内力，其平衡方程为：（2）条块的力平衡图（b）为：（3）计算时先假定各土条间的 ，检查是否满足（2）、（3），若满足则用（1）计算安全系数Kc2.2.折线滑动法折线滑动法 （1）非粘性土坡计算 非粘性土坝坡的滑动面近似折线，折点高程常在水位附近 滑动面上的抗剪强度利用充分程度应该是一样的。其安全系数的表达方式为：第31页/共39页式中Kc即为安全系数，为试验得到的抗剪强度指标。计算中把滑动土体ABCEA分成两个滑块，滑块间的滑面为BD，与铅直线成 角。在该面上，土块间相互作用力与BD面法线成摩擦角 。计算时假设不同的安全系数Kc，从滑块BCED的平衡条件

17、中求出P，然后将其作用在ABD上，看他是否与G2、R2等平衡；如不平衡则重新假定安全系数，重复上述步骤，直到平衡为止，此时的Kc即为该滑动面的安全系数 非粘性土坡稳定计算图非粘性土坡稳定计算图第32页/共39页 从滑动土体BCED平衡可得：（4）从滑动土体ABD平衡可得 （5）联立（4）（5）可得：（6）在上述计算中，都是任意假定的。最危险水位及其滑动面位置及相应的安全系数，需通过试算才能决定。第33页/共39页 （2 2）斜墙及其保护层的计算）斜墙及其保护层的计算 斜墙和保护层及斜墙与坝体，由两种不同的土料填筑，在接触面处往往强度较低，保护层或连同斜墙可能沿这类接触面产生滑动。斜墙连同保护层

18、一起滑动的稳定计算斜墙连同保护层一起滑动的稳定计算第34页/共39页 斜墙连同保护层的稳定计算，一般呈四个直线段。假定折线滑动面为LBGD。接触面上的抗剪强度应用两种材料的较小值。先根据斜墙和坝体土料的 值，找出两种土料抗剪强度相等的法向应力 。在滑动面DG上找出法向应力 的位置，如图中H点。计算时，DH段用非粘性土的 值，而H点以下则用斜墙土料的 值。认为滑动面抗剪强度利用程度一样。按每个滑动面土体的极限平衡条件求出滑动土体之间的相互作用力，再联立求解。两种土料的抗剪强度第35页/共39页3.3.复式滑动面法复式滑动面法 坝基内有软弱夹层时常形成复式滑动面，如图所示。取BCEF为隔离体，在F

19、B左侧有来自土体AFB的主动土压力Pa，并假定其作用方向为水平。在EC右侧有来自土体ECD的被动土压力Pp，方向也假定水平；同时在BC面上有抗滑力S。复式滑动面稳定计算第36页/共39页当土体极限平衡时，BC面上的最大抗滑力为：此时连同坝基的稳定安全系数为：式中 、按库伦土压力理论近似计算。最危险滑动面也需由试算确定。第37页/共39页七七 提高土石坝抗滑稳定性的工程措施提高土石坝抗滑稳定性的工程措施（一）坝脚加压重或放缓坝坡（二）加强防渗、导流措施（三）加固地基上游防渗、下游导渗压坡处理滑坡示意图上游防渗、下游导渗压坡处理滑坡示意图1填筑粘土斜墙；填筑粘土斜墙；2砂砾层；砂砾层；3土料压坡体；土料压坡体；4滤水体；滤水体；5滑裂线；滑裂线；6石护坡；石护坡；7原上游坝坡线原上游坝坡线第38页/共39页感谢您的观看。第39页/共39页