土石壩的滲流分析ppt課件

1、Seepage Flow Analysis of Earth-Rock Dam第五章第五章 土石壩土石壩l概述概述 l土石壩剖面的根本尺寸土石壩剖面的根本尺寸l土石壩滲流分析土石壩滲流分析l土石壩的穩(wěn)定計算土石壩的穩(wěn)定計算l土料選擇與填土規(guī)范確定土料選擇與填土規(guī)范確定l土石壩構(gòu)造土石壩構(gòu)造l土石壩的地基處置土石壩的地基處置l土石壩與地基、岸坡及其它建筑物銜接土石壩與地基、岸坡及其它建筑物銜接滲流分析的主要義務(wù)滲流分析的主要義務(wù) 1) 1)確定浸潤線位置確定浸潤線位置: : 為壩坡穩(wěn)定計算和布置壩內(nèi)觀測管提供根據(jù)，根為壩坡穩(wěn)定計算和布置壩內(nèi)觀測管提供根據(jù)，根據(jù)浸潤線的高低，選擇排水設(shè)備型式和尺寸

2、。據(jù)浸潤線的高低，選擇排水設(shè)備型式和尺寸。 2 2確定浸透比降坡降：確定浸透比降坡降： 確定壩坡滲流逸出點和下游地基外表的浸透比降確定壩坡滲流逸出點和下游地基外表的浸透比降和不同土層的浸透比降，評判該處的浸透穩(wěn)定性，和不同土層的浸透比降，評判該處的浸透穩(wěn)定性，以便確定能否應(yīng)采取有效的防滲反濾維護(hù)措施。以便確定能否應(yīng)采取有效的防滲反濾維護(hù)措施。 3 3確定壩體與壩基的滲流量：確定壩體與壩基的滲流量： 估算水庫的滲漏損失，以便加強(qiáng)防滲措施，把滲估算水庫的滲漏損失，以便加強(qiáng)防滲措施，把滲流量控制在允許的范圍內(nèi)。流量控制在允許的范圍內(nèi)。一滲流分析方法概述一滲流分析方法概述l滲流分析：解析法、流網(wǎng)法、電

3、模擬法和數(shù)值滲流分析：解析法、流網(wǎng)法、電模擬法和數(shù)值法。法。l(1)流膂力學(xué)法流膂力學(xué)法l 流膂力學(xué)法是根據(jù)知的定解條件，如初始條流膂力學(xué)法是根據(jù)知的定解條件，如初始條件和邊境條件，求解滲流的根本微分方程拉件和邊境條件，求解滲流的根本微分方程拉普拉斯微分方程，從中得到準(zhǔn)確的滲流要素普拉斯微分方程，從中得到準(zhǔn)確的滲流要素包括流速、比降和浸透壓力。此法立論嚴(yán)包括流速、比降和浸透壓力。此法立論嚴(yán)謹(jǐn)，計算成果準(zhǔn)確，但只能求解邊境條件簡單謹(jǐn)，計算成果準(zhǔn)確，但只能求解邊境條件簡單的滲流問題，不便運(yùn)用于邊境條件復(fù)雜的實踐的滲流問題，不便運(yùn)用于邊境條件復(fù)雜的實踐工程。然而，利用它對某些簡單邊境問題的解工程。然

4、而，利用它對某些簡單邊境問題的解析成果與水力學(xué)方法結(jié)合起來，可提高水力學(xué)析成果與水力學(xué)方法結(jié)合起來，可提高水力學(xué)法的計算精度。法的計算精度。2水力學(xué)法這是近似的解析法，但必需基于以下根本假設(shè)：這是近似的解析法，但必需基于以下根本假設(shè)：1 1假設(shè)浸透系數(shù)假設(shè)浸透系數(shù)K K在同一或相近的土料中各向同在同一或相近的土料中各向同性；性；2 2假設(shè)壩體內(nèi)部滲流為層流，以為壩內(nèi)滲流符假設(shè)壩體內(nèi)部滲流為層流，以為壩內(nèi)滲流符合達(dá)西定律；合達(dá)西定律；3 3假設(shè)壩體內(nèi)部滲流為漸變流杜平假定，假設(shè)壩體內(nèi)部滲流為漸變流杜平假定，以為滲流場中恣意過水?dāng)嗝娓鼽c的程度流速和以為滲流場中恣意過水?dāng)嗝娓鼽c的程度流速和比降都是相

5、等的。比降都是相等的。這種方法不完全符合拉普拉斯方程，因此不能準(zhǔn)這種方法不完全符合拉普拉斯方程，因此不能準(zhǔn)確求出任一點的水力要素。但其所確定的浸潤確求出任一點的水力要素。但其所確定的浸潤線、平均流速、平均比降和滲流量，已能滿足線、平均流速、平均比降和滲流量，已能滿足級土石壩工程的精度要求。級土石壩工程的精度要求。滲流分析方法滲流分析方法3 3數(shù)值解法數(shù)值解法滲流計算的數(shù)值解法普通采用有限單元法。滲流計算的數(shù)值解法普通采用有限單元法。有限單元法是目前處理復(fù)雜滲流問題的有限單元法是目前處理復(fù)雜滲流問題的最有效方法，對最有效方法，對I I、IIII級壩和高壩應(yīng)采用級壩和高壩應(yīng)采用數(shù)值法計算滲流場的要

6、素。數(shù)值法計算滲流場的要素。4 4流網(wǎng)法流網(wǎng)法用手工繪制流網(wǎng)，利用流網(wǎng)求解平面滲流用手工繪制流網(wǎng)，利用流網(wǎng)求解平面滲流問題的水力要素，也可用來處理較復(fù)雜問題的水力要素，也可用來處理較復(fù)雜的邊境問題。的邊境問題。二、滲流分析的水力學(xué)法 水力學(xué)法土石壩滲流分析的根本思緒是： 把壩內(nèi)滲流區(qū)域劃分為假設(shè)干段普通為兩段，建立各段水流的運(yùn)動方程式，并根據(jù)滲流的延續(xù)性原理求解滲流要素和浸潤線。另外，思索到工程實踐情況的壩體和壩基浸透系數(shù)的各向異性，而在采用水力學(xué)法進(jìn)展?jié)B流分析時又需把浸透系數(shù)K視為常量。規(guī)定：浸透系數(shù)K: 計算滲流量時，宜采用大值平均值； 計算水位降落時的浸潤線宜采用小值平均值。 K相差5倍

7、以內(nèi)的土層可視為同一種土層，其浸透系數(shù)由加權(quán)平均計算。水力學(xué)法計算以下滲流類型水力學(xué)法計算以下滲流類型矩形滲流區(qū)無壓滲流分析不透水地基均質(zhì)壩的滲流計算下游無排水貼坡排水設(shè)備情況下游有褥墊式排水設(shè)備情況下游有堆石棱體排水設(shè)備情況有限深度透水地基土石壩的滲流計算均質(zhì)壩有截水墻的心墻壩滲流計算設(shè)有截水墻的斜墻壩滲流計算設(shè)有程度鋪蓋的斜墻壩滲流計算4.總滲流量的計算(一)矩形滲流區(qū)無壓滲流分析矩形滲流區(qū)無壓滲流分析簡圖矩形滲流區(qū)無壓滲流分析簡圖( (二二) )不透水地基均質(zhì)壩的滲流計算不透水地基均質(zhì)壩的滲流計算l嚴(yán)厲地講，絕對不透水的壩基是不存在的。當(dāng)壩基浸透系數(shù)小于壩體浸透系數(shù)的百分之一時，視壩基為

8、相對不透水地基。計算時普通取單位壩長作為分析對象。 l1下游無排水貼坡排水設(shè)備情況l 對上游壩坡，斜面入流的滲流分析要比垂直面入流復(fù)雜得多。而電模擬實驗結(jié)果證明，虛擬適宜位置的垂直面替代上游壩坡斜面進(jìn)展?jié)B流分析，其計算精度誤差不大。為簡化計算，在實踐分析中，常以虛擬等效的矩形替代上游壩體三角形虛擬等效的矩形替代上游壩體三角形圖5-3(a)虛擬矩形寬度按式5-5計算: 5-5式中:m1 上游壩面坡度系數(shù)，變坡時平均值 H1 上游水深。12111mHmL圖圖5-3 不透水地基均質(zhì)土壩滲流計算圖不透水地基均質(zhì)土壩滲流計算圖XH2dya0D3dyCy1:m2（ b）XyCa0C1:m2h0H2LLCN

9、AEA1:m1H1LMFO（ a）by無排水設(shè)備均質(zhì)壩 無排水設(shè)備均質(zhì)壩滲流分析的思緒是以滲流逸出點為界把壩體分為上、下游兩部分，分別列出各部分的流量表達(dá)式，并根據(jù)流量延續(xù)性原理，求出相應(yīng)的未知量q 、a)。1上游段分析圖5-4(a)根據(jù)達(dá)西定律，經(jīng)過浸潤線以下任何單寬垂直剖面的滲流量q為 移項積分積分區(qū)間從0至x可得： 5-6dxdyKyqxKqHy2212無排水設(shè)備均質(zhì)壩l同理，積分區(qū)間從EO斷面至逸出點CC斷面可得:l 5-7LHaHKq2)(22021XH2dya0D3dyCy1:m2（b）XyCa0C1:m2h0H2LLCNAEA1:m1H1LMFO（a）by下游段分析2下游段分析，

10、以下游水面為界把下游段三角形壩體分為水上、水下兩部分。為簡化起見，采用新的坐標(biāo)系如圖5-4(b)所示。水面以上壩體的滲流量q為: 00002002011aaamKadymKKJdydqqXH2dya0D3dyCy1:m2（b）XyCa0C1:m2h0H2LLCNAEA1:m1H1LMFO（a）by水面以下壩體滲流量l水面以下壩體滲流量為:XH2dya0D3dyCy1:m2（b）XyCa0C1:m2h0H2LLCNAEA1:m1H1LMFO（a）by020202012ln200200aHamKadyymaKdqqHaaHaa第三節(jié) 土石壩的滲流分析5-8 00002002011aaamKadym

11、KKJdydqq020202012ln200200aHamKadyymaKdqqHaaHaa)ln1 (02020aHamKaq21qqql根據(jù)流量延續(xù)性原理，對式5-7和5-8聯(lián)解就可求出未知量和聯(lián)解時可把代入式5-7，浸潤線按式5-6計算。XH2dya0D3dyCy1:m2（b）XyCa0C1:m2h0H2LLCNAEA1:m1H1LMFO（a）by圖圖5-3 不透水地基均質(zhì)土壩滲流計算圖不透水地基均質(zhì)土壩滲流計算圖3討論分析當(dāng)下游無水時，把 H2=0 代入(5-8)得: (5-9) 當(dāng)下游無排水設(shè)備且下游無水時,可由式5-7)和(5-9)聯(lián)解求出q和a0,浸潤線仍按式5-6計算。 留意：

12、在滲流進(jìn)口段應(yīng)作適當(dāng)修正，浸潤線起點應(yīng)與壩面點正交，末點與原浸潤線相切，中間修正成曲線，如圖5-3所示。20mKaq 2 2下游設(shè)有程度排水設(shè)備情況下游設(shè)有程度排水設(shè)備情況XB2LKKYAOYAXBLO 證明，褥墊排水的壩體浸潤線為一拋物線，拋物線的焦點在排水體上游起始點，焦點在鉛直方向與拋物線的截距為 ,至頂點的間隔為 ，由此可得： 5-10 把(5-10)代入根本方程式(5-6)得浸潤線方程: 5-11 0a20aLaHKq220212121202HxLHay下游設(shè)有程度排水設(shè)備情況下游設(shè)有程度排水設(shè)備情況下游有褥墊式排水設(shè)備情況 褥墊排水情況如圖5-4a所示，這種排水施在下游無水時排水效

13、果更為顯著。由模擬實驗其浸潤線仍可按5-6式計算。 討論：當(dāng)下游無水時，令H2=0 代入式5-13將得到與式5-10和式5-12完全一樣公式因此，下游無水的堆石棱體褥墊式排水一樣。下游設(shè)有程度排水設(shè)備情況下游設(shè)有程度排水設(shè)備情況把邊境條件 、 代入(5-11)式，即可求得: (5-12)20aLxoy 1LHLa21200kaq 3下游有堆石棱體排水設(shè)備情況: 當(dāng)下游有水時，如圖5-4(b)所示。為簡化計算，以下游水面與排水體上游面的交點B為界把壩體分為上、下游兩段，取上游OA斷面和B點斷面分析，分別列出兩斷面之間的平均過水?dāng)嗝娣e和平均比降，由達(dá)西定律可導(dǎo)出滲流量為： 5-13 把下游水面看為

14、地基，取 替代H1，并留意 的關(guān)系，由此可直接按褥墊式排水情況的公式導(dǎo)出: LHaHKq2)(22021LHHLa22120)(21HHH200HahXB2LKKYAOYAXBLO 圖5-4 均質(zhì)土壩滲流計算圖 (a)有程度排水時；b有棱體排水時(三)有限深度透水地基土石壩的滲流計算1 1均質(zhì)壩均質(zhì)壩 對于透水地基上的均質(zhì)壩，分析時：對于透水地基上的均質(zhì)壩，分析時： 把壩體與壩基分開思索，即先假設(shè)地基為不透把壩體與壩基分開思索，即先假設(shè)地基為不透水的，由上述方法計算壩體的滲流量水的，由上述方法計算壩體的滲流量q1q1和浸潤和浸潤線用線用q1q1替代替代q q; ; 然后再假定壩體為不透水，計算

15、壩基滲流量然后再假定壩體為不透水，計算壩基滲流量q2 q2 ， 將將 q1 +q2 q1 +q2可得壩體和壩基的流量可得壩體和壩基的流量 。l當(dāng)有棱體排水時圖5-5，因地基產(chǎn)生滲流使得浸潤線有所下降，可假設(shè)浸潤線在下游水面與排水體上游面的交點進(jìn)入排水體即h0=H2 a0=0，那么經(jīng)過壩體的滲流量 可表達(dá)為：LHHKq222211第三節(jié) 土石壩的滲流分析經(jīng)過壩基的滲流量經(jīng)過壩基的滲流量q2q2可表達(dá)為可表達(dá)為: : (d) (d) 壩體、壩基的單寬滲流總量壩體、壩基的單寬滲流總量q q為：為： (5-14) (5-14)式中式中: : 壩基土料浸透系數(shù)壩基土料浸透系數(shù);T ;T 透水層厚度；透水

16、層厚度； L0 L0見圖；見圖； n n壩基滲徑修正系數(shù)，表壩基滲徑修正系數(shù)，表5-85-80212)(nLTHHKqT021222121)(2nLTHHKLHHKqqqTTK第三節(jié) 土石壩的滲流分析L0/T2054321n1.151.181.231.3 1.441.87表表5-8 系數(shù)系數(shù)n 表表浸潤線仍按式浸潤線仍按式(5-6)(5-6)計算，此時應(yīng)將滲流量計算，此時應(yīng)將滲流量q q 用壩體滲流量用壩體滲流量q1q1替代。替代。 5-65-6xKqHy121222有截水墻的心墻壩滲流計算有截水墻的心墻壩滲流計算l有限透水深度地基的心墻壩，普通可做有限透水深度地基的心墻壩，普通可做成有截水墻

17、的防滲方式圖成有截水墻的防滲方式圖5-6。計算。計算時假設(shè)上游壩殼無水頭損失由于壩殼時假設(shè)上游壩殼無水頭損失由于壩殼土料為強(qiáng)透水土石料，心墻上游面的土料為強(qiáng)透水土石料，心墻上游面的水位按水庫水位確定。因此，只需計算水位按水庫水位確定。因此，只需計算心墻、截水墻和下游壩殼兩部分。心墻、截水墻和下游壩殼兩部分。第三節(jié) 土石壩的滲流分析分析時，可分別計算經(jīng)過心墻和下游壩殼的滲流量，并根據(jù)流量延續(xù)性原理求出滲流單寬流量 q和下游壩殼在起始斷面的浸潤線高度he。圖5-6 設(shè)截水墻的心墻壩滲流計算圖過 渡 層截 水 墻H1TH2圖 5-7 設(shè) 截 水 墻 的 心 墻 壩 滲 流 計 算 圖L第三節(jié) 土石壩

18、的滲流分析l心墻和截水墻的滲流量計算，由于心墻和截水墻的土料普通都采用同一種土料，為簡化計算，取心墻和截水墻的平均厚度替代變截面厚度，滲流量可按下式計算:l下游壩殼的滲流量，參照均質(zhì)壩公式，并假定浸潤線在下游水位與排水設(shè)備上游面的交點進(jìn)入排水體，可導(dǎo)出滲流量表達(dá)式：l根據(jù)流量延續(xù)，聯(lián)解以上兩式可求得 q 和 he 2)()(221ThTHKqeeTLnHhKLHhKqqqeTe22222123、設(shè)有截水墻的斜墻壩滲流計算把斜墻和截水墻與下游壩體和壩基分別進(jìn)展計算。并取斜墻和截水墻的平均厚度為e、，那么經(jīng)過斜墻、截水墻的滲流量可按下式計算: 經(jīng)過下游壩體和壩基的滲流量可按(5-21)式計算: 聯(lián)

19、解以上兩式，可求出q、he。ThHKZhHKqeeeee120221sin2ThmLnHhKhmLHhKqqqeeTee)()(212122221第三節(jié) 土石壩的滲流分析KAB1:m1KH1TH2Z0KTLhe圖圖5-7 帶截水槽的斜墻壩帶截水槽的斜墻壩 第三節(jié) 土石壩的滲流分析4、設(shè)有程度鋪蓋的斜墻壩滲流計算圖5-9： 相對而言，鋪蓋斜墻土料的浸透系數(shù)要比壩體和壩基土料小1/100。可以壩體浸潤線起始點A、B斷面為界分為上、下游兩段分析。1:m1H2LLnAKTK第三節(jié) 土石壩的滲流分析l經(jīng)過上游段的滲流量：l經(jīng)過下游段的滲流量：l l聯(lián)解以上兩式，可求出q、he。ThmLnhHKqeneT

20、)(11ThmLnHhKhmLHhKqqqeeTee)()(212122221(四)總滲流量計算計算總滲流量時，根據(jù)壩址地形和透水層厚度情況以及壩體構(gòu)造，沿壩軸線方向?qū)误w分成假設(shè)干壩段圖5-9，分別計算各壩段的平均單寬滲流量，那么經(jīng)過壩體和壩基的總滲流量可按下式計算：nnnnnLqLqqLqqLqQ1122211121第三節(jié) 土石壩的滲流分析斷面 n-1斷面 2斷面 1四、流網(wǎng)法 在穩(wěn)定滲流的情況下，滲流場內(nèi)充溢運(yùn)在穩(wěn)定滲流的情況下，滲流場內(nèi)充溢運(yùn)動的水體質(zhì)點，這些質(zhì)點的運(yùn)動軌跡，稱動的水體質(zhì)點，這些質(zhì)點的運(yùn)動軌跡，稱為流線；為流線； 同時：滲流場中還存在著許多勢能相等的同時：滲流場中還存在

21、著許多勢能相等的點，把它們銜接起來構(gòu)成的曲線，稱為等點，把它們銜接起來構(gòu)成的曲線，稱為等勢線。勢線。 滲流場由這兩束曲線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，稱為流滲流場由這兩束曲線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，稱為流網(wǎng)。網(wǎng)。手工繪制流網(wǎng)l手工繪制流網(wǎng)普通采用試?yán)L、修正的方法，試?yán)L時首先按類比或憑閱歷初定浸潤線位置，然后在浸潤線與不透水層之間繪出逐漸變化并在進(jìn)出口與邊境垂直的假設(shè)干條流線；再將浸潤線分為假設(shè)干個適宜的等水頭差的間隔，經(jīng)過分割點畫出假設(shè)干條等勢線，并按流網(wǎng)的根本性質(zhì)不斷修正流線和等勢線，使等勢線與流線組成曲線正交方形網(wǎng)格，如圖5-10所示。3120.950.90.80.70.60.50.40.30.20.150.05ABC

22、DF圖圖5-10 流網(wǎng)的繪制流網(wǎng)的繪制流網(wǎng)的繪制流網(wǎng)的繪制圖圖5-7 流網(wǎng)特性圖流網(wǎng)特性圖(P229)第三節(jié) 土石壩的滲流分析 土石壩在滲流的作用下能夠發(fā)生浸土石壩在滲流的作用下能夠發(fā)生浸透變形，呵斥壩腳產(chǎn)生浸透破壞，甚至透變形，呵斥壩腳產(chǎn)生浸透破壞，甚至?xí)?dǎo)致工程失事。會導(dǎo)致工程失事。 (一一) 浸透變形的型式浸透變形的型式 土體浸透變形的型式通?？蓺w納為管土體浸透變形的型式通?？蓺w納為管涌、流土、接觸沖刷與接觸流失等四種涌、流土、接觸沖刷與接觸流失等四種類型。類型。 五、土石壩的浸透變形及其防止措施五、土石壩的浸透變形及其防止措施浸透變形的型式浸透變形的型式l1管涌管涌l 管涌是在滲流作用

23、下，無粘性土管涌是在滲流作用下，無粘性土中的細(xì)小顆粒從骨架孔隙中延續(xù)挪動和中的細(xì)小顆粒從骨架孔隙中延續(xù)挪動和流失的景象。流失的景象。l2流土流土l 流土是在滲流作用下，土體從壩流土是在滲流作用下，土體從壩基外表隆起、頂穿或粗細(xì)顆粒同時浮起基外表隆起、頂穿或粗細(xì)顆粒同時浮起而流失的景象。而流失的景象。浸透變形的型式浸透變形的型式3 3接觸沖刷接觸沖刷接觸沖刷是當(dāng)滲流沿兩種不同的土層接觸面流動接觸沖刷是當(dāng)滲流沿兩種不同的土層接觸面流動時，沿層面夾帶細(xì)小顆粒流失的景象，普通發(fā)時，沿層面夾帶細(xì)小顆粒流失的景象，普通發(fā)生在兩層級配不同的非粘性土中。生在兩層級配不同的非粘性土中。4 4接觸流失接觸流失接觸流失是滲流沿層次清楚、滲流系數(shù)相差懸殊接觸流失是滲流沿層次清楚、滲流系數(shù)相差懸殊的兩相鄰?fù)翆拥拇怪泵媪鲃又?，將浸透系?shù)較的兩相鄰?fù)翆拥拇怪泵媪鲃又校瑢⒔赶禂?shù)較小土層中的細(xì)小顆粒帶入浸透系數(shù)較大土層中小土層中的細(xì)小顆粒帶入浸透系數(shù)較大土層中的景象。的景象。 1 1、產(chǎn)生管涌和流土的臨界比降計算：、產(chǎn)生管涌和流土的臨界比降計算：1 1管涌的臨界水力比降計算：管涌臨界水力比降管涌的臨