情景4 土石坝渗流分析（知识内容包括（知识内容包括4.34.3、4.74.7）情景4土石坝渗流分析课件1 渗流分析概述1）分析目的分析目的n检验坝的初选形式与尺寸，确定渗流力以核算坝坡稳定n进行防渗布置与土料配置，根据坝内的渗流参数与逸出坡降，检验土体的渗流稳定，防止发生管涌和流土，确定坝体及坝基中防渗体和排水设施。n确定通过坝及两岸的渗流量并设计排水系统的容量。情景4土石坝渗流分析课件2）渗流计算内容n确定坝体浸润线及下游出逸点的位置，绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图；n确定坝体与坝基的渗流量；n确定坝体出逸段与下游坝基表面的出逸坡降，以及不同土层间的渗透比降；n确定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置或孔隙压力；n确定坝肩的等势线、渗流量或渗透比降。情景4土石坝渗流分析课件3）渗流分析的计算情况n上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；n上游设计洪水位与下游相应的水位；n上游校核洪水位与下游相应的水位；n库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。情景4土石坝渗流分析课件4）渗流分析的方法n流体力学方法n水力学方法n流网法n试验法。情景4土石坝渗流分析课件2 渗流分析的水力学法1 1） 基本假定基本假定（1）假设坝体土料为均质、各向同性材料；（2）杜平假设。即：假设坝体渗流为缓变流（等势线和流线均缓慢变化），渗流场中任何铅直线上各点的流速和水头相等。情景4土石坝渗流分析课件2） 基本思路基本思路: : 以浸润线两端点a和b为分界线，将均质土坝划分为3段，即上游楔（xie）形体、中间段、下游楔形体，然后分别列出各段的计算公式，再根据水流连续原理求解。 情景4土石坝渗流分析课件（2）等效矩形体宽度计算 在两段法中，虚拟的土坝上游面是铅直的，它距原上游坝坡与计算水位线的交点a的水平距离为L。根据渗流阻力相当的原理，通过试验和理论分析，可得到式中，m1为上游坝坡坡度（斜率），H1为坝前水深。情景4土石坝渗流分析课件一、不透水地基上、下游无排水设施的、均一、不透水地基上、下游无排水设施的、均质坝的渗流计算质坝的渗流计算 当地基渗透系数小于坝体渗透系数100倍以上时，通常认为地基为不透水地基。情景4土石坝渗流分析课件1 1）第一段渗流计算）第一段渗流计算n根据杜平假设，第一段中任一铅直线上各点的流速u都相等；n根据达西定律，水的渗透流速与水力坡降成正比，则可得渗透坡降 ；流速流量 情景4土石坝渗流分析课件将 在水头为H1的AO断面（首 端）至水头为h0=a0+H2的bf断面（末端）之间进行积分，此时积分式为：于是可得第一段的渗流量q1为情景4土石坝渗流分析课件可得坝体第一段的浸润线方程为从上式可以看出，浸润线方程为一个二次抛物线方程。情景4土石坝渗流分析课件2）第二段渗流计算第二段渗流计算 第二段为bgf段，该段的渗流量可以以下游水面为准，分水上、水下两部分进行计算。情景4土石坝渗流分析课件联立求出a0后，代入渗流量公式，即可求出该断面上坝体的渗流量。情景4土石坝渗流分析课件二、不透水地基上、下游有褥垫式排水设施二、不透水地基上、下游有褥垫式排水设施的、均质坝的渗流计算的、均质坝的渗流计算1 1）基本要点基本要点（1）由流体力学方法可以证明：具有水平排水设施的均质土坝内的浸润线是一条以排水起点为焦点的抛物线。假设焦点处的高度为a0，抛物线的原点C在排水起点右侧a0 /2处。a0为未知量。（2）对具有褥垫式排水设施的均质土坝的渗流计算，仍采用“两段法”。如图所示，仍将上游楔形体转化为虚拟矩形，以EO为第一段的起始断面，将排水设施的起点处的铅直面DB作为第一段的终止断面，DB高度为h0。情景4土石坝渗流分析课件情景4土石坝渗流分析课件三、不透水地基上、下游有堆石棱体排水设三、不透水地基上、下游有堆石棱体排水设施的、均质坝的渗流计算施的、均质坝的渗流计算n堆石棱体排水是指在土石坝下游坡脚处用块石堆筑成棱体进行排水，这种排水设施是土石坝中最常见的排水设施，一般设置在下游有水的情况。n当下游无水时，堆石棱体排水渗流分析与褥垫式排水渗流分析相同。n以下分析下游有水的情况，并设下游水深为H2。情景4土石坝渗流分析课件情景4土石坝渗流分析课件四、不透水地基上四、不透水地基上心墙坝心墙坝的渗流计算的渗流计算1 1）计算要点计算要点n（1）由于心墙土料的渗透系数远小于坝壳土料的渗透系数（一般小100倍以上），因此，近似地认为上游坝壳中无水头损失，心墙前浸润线的水位为上游水位。n（2）由于心墙土料基本上时均一的，因此，将心墙简化为等厚（厚度为）的矩形体。n（3）设心墙后浸润线起点的高度为H。不透水地基上的心墙坝的渗流计算图情景4土石坝渗流分析课件2）分析结果分析结果n通过心墙的渗流量为n通过下游坝体的渗流量为情景4土石坝渗流分析课件五、有限深透水地基上均质坝的渗流计算 n本节主要针对坝体透水性与地基透水性相似的均质土坝。对于坝体透水性与地基透水性差异较大的均质土坝，可参考相关文献。n总体思路n第一步，假设地基不透水，按不透水地基均质土坝的渗流计算方法，确定坝体的渗流量q1和浸润线；n第二步，假设坝体不透水，计算地基的渗流量q2；n第三步，将q1与q2相加，即可近似地得到坝体和坝基的总渗流量；n第四步，不考虑坝基渗透的影响，近似地按坝基不透水情况下的浸润线计算结果来确定坝体浸润线位置（事实上，由于坝基是透水的，因此浸润线将略有降低）。情景4土石坝渗流分析课件六、总渗流量的计算六、总渗流量的计算前面所介绍的是以一个断面为例的情况。对于整个坝的渗流量Q，可以根据地形和坝体结构，沿坝轴线将坝划分为若干段（n段），各段的长度分别为L1、L2、Ln。分别计算各段的平均渗流量q1、q2、qn，然后将各段的渗流量相加，即可求出全坝的总渗流量Q。总渗流量计算示意图情景4土石坝渗流分析课件3 土石坝的渗透变形及其防止措施（一）渗透变形的型式（分类） 渗透变形的型式及其发生、发展、变化过程，与土料性质、土粒级配、水流条件以及防渗、排渗措施等因素有关，一般可归纳为：管涌、流土、接触冲刷、接触流土、接触管涌等类型。最主要的是管涌和流土两种类型。情景4土石坝渗流分析课件n1 1管涌管涌n定义：坝体或坝基中的细土壤颗粒被渗流带走，逐渐形成渗流通道的现象称为管涌或机械管涌。n发生部位：管涌一般发生在坝的下游坡或闸坝的下游地基面渗流逸出处。没有凝聚力的无粘性砂土、砾石砂土中容易发生管涌。n发生过程：情景4土石坝渗流分析课件n2 2流土流土n定义：在渗流作用下，成块的土体被掀起浮动的现象称为流土。n发生部位：流土主要发生在粘性土及均匀非粘性土体的渗流出口处。n发生流土时的水力坡降，称为流土的破坏坡降。n3 3接触冲刷接触冲刷n定义：当渗流沿两种不同土壤的接触面或建筑物与地基的接触面流动时，把其中细颗粒带走的现象称为接触冲刷。情景4土石坝渗流分析课件n4接触管涌接触管涌n定义：当渗流垂直作用于两种不同土壤的接触面时，渗流可能将其中一层的细颗粒带到另一层的粗颗粒中去的现象成为接触管涌。n发生部位：接触管涌一般发生在粘土心（斜）墙与坝壳砂砾料之间、坝体或坝基与排水设施之间、坝基内不同土层之间的渗流中。n5 5接触流土接触流土n定义：当渗流垂直作用的两种不同土壤中的一层为粘性土时，渗流可能将粘性土成块地移动，从而导致隆起、断裂或剥蚀等现象成为接触流土。情景4土石坝渗流分析课件（二）防止渗透变形的工程措施具体的措施主要有：（1）全面截阻渗流；（2）延长渗径；（3）设置排水设施、反滤层、排渗沟、排渗减压井、盖重等。情景4土石坝渗流分析课件1 1排渗沟排渗沟情景4土石坝渗流分析课件2排渗减压井排渗减压井3反滤层反滤层情景4土石坝渗流分析课件4 设计实例一、基本资料：某土坝等级：2级；该地区多年平均最大风速：16.90m/s。风区长度D=1.544km；洪水标准：设计洪水标准100年（相应水位32.59m），校核洪水标准2000年（相应水位33.73m）；水库底平均高程取为10m；地震烈度：度 ；附近多粘性土，土样试验慢剪C、小值平均值分别为10.9kPa、28.3。渗透系数为8.7910-4cm/s。设计该土坝。情景4土石坝渗流分析课件二、项目计划（1）所分析的为何种坝型？采用哪组公式？（2）土坝渗流分析需要哪些参数，确定哪些数据？（3）土坝渗流分析计算结果包括哪些内容？情景4土石坝渗流分析课件三、项目决策（1）确定土坝渗流分析计算方法；（2）确定计算步骤；（3）表述计算方法与步骤。情景4土石坝渗流分析课件四、项目实施（1）计算单宽渗流量、确定浸润线方程；（2）根据浸润线方程绘制浸润线；（3）判别是否渗透破坏、提出防止措施。情景4土石坝渗流分析课件五、项目检查检查内容：（1）坝剖面各部位尺寸计算是否正确；（2）渗流分析计算公式是否正确；（3）渗透系数等计算参数取值是否正确；（4）单宽渗流量计算结果是否正确；（5）浸润线方程是否正确；（6）浸润线起点是否正确；（7）浸润线出逸点是否正确；（8）渗透破坏判断是否正确；（9）提出的防止渗透破坏的措施是否合理。情景4土石坝渗流分析课件检查方法（1）对设计过程进行汇报 （2）提交设计成果情景4土石坝渗流分析课件六 项目评价及优化（1）自评：学生对设计过程进行评价；（2）互评：以组为单位对其他组进行评价；（3）教师评价，指出优点和存在的问题。（4）根据教师的评价修改和优化设计情景4土石坝渗流分析课件