土石壩滲流分析教學(xué)課件

1、3 土石壩滲流分析一、概述二、水力學(xué)法 三、流網(wǎng)法四、滲透變形及防止措施8/3/20221第1頁(yè)，共29頁(yè)。一、滲流分析概述分析目的：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(guò)壩及兩岸的滲流量并設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)的容量8/3/20222第2頁(yè)，共29頁(yè)。滲流計(jì)算內(nèi)容：確定壩體浸潤(rùn)線及下游出逸點(diǎn)的位置，繪制壩體及壩基內(nèi)的等勢(shì)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(kù)水位降落時(shí)上游壩坡內(nèi)的浸潤(rùn)

2、線位置或孔隙壓力；確定壩肩的等勢(shì)線、滲流量或滲透比降。8/3/20223第3頁(yè)，共29頁(yè)。滲流計(jì)算應(yīng)包括以下水位組合情況：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(kù)水位降落時(shí)上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。 滲流計(jì)算應(yīng)考慮壩體和壩基滲透系數(shù)的各向異性。計(jì)算滲流量時(shí)宜采用土層滲透系數(shù)的大值平均值，計(jì)算水位降落時(shí)的浸潤(rùn)線宜采用小值平均值。 對(duì)1、2級(jí)壩和高壩應(yīng)采用數(shù)值法計(jì)算確定滲流場(chǎng)各因素，其它可采用公式計(jì)算。 岸邊的繞壩滲流和高山峽谷的高土石壩應(yīng)按叁維滲流用數(shù)值法計(jì)算。8/3/20224第4頁(yè)，共29頁(yè)。 土石壩的滲流為無(wú)壓滲流，有浸潤(rùn)面，可

3、視為穩(wěn)定層流，滿足達(dá)西定律，簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題。水位急降時(shí)產(chǎn)生不穩(wěn)定流，需考慮浸潤(rùn)面隨時(shí)間變化對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響。達(dá)西定律：連續(xù)條件：二維滲流方程：分析法：流體力學(xué)法、水力學(xué)法、圖解法和試驗(yàn)法，最常用的是水力學(xué)法和流網(wǎng)法（圖解法）。8/3/20225第5頁(yè)，共29頁(yè)?；疽c(diǎn): 將壩內(nèi)滲流分成若干段（即分段法），應(yīng)用達(dá)西定律和杜平假定（假定任一鉛直過(guò)水?dāng)嗝鎯?nèi)各點(diǎn)的滲透坡降相等），建立各段的運(yùn)動(dòng)方程，根據(jù)水流連續(xù)性求解流速、流量和浸潤(rùn)線等。二、水力學(xué)法基本假定：土料均一，各向同性滲流屬穩(wěn)定流看作平面問(wèn)題滲流看作層流滲流符合連續(xù)定律8/3/20226第6頁(yè)，共29頁(yè)。平均流速：?jiǎn)螌捔髁浚鹤陨嫌蚊妫▁0，

4、y=H1)至下游面（x=L,y=H2)積分得：積分（*），可得浸潤(rùn)線方程：（*）（）8/3/20227第7頁(yè)，共29頁(yè)。（一）不透水地基上均質(zhì)土壩的滲流計(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(rùn)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”。8/3/20228第8頁(yè)，共29頁(yè)。下游無(wú)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L(zhǎng) 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

5、坡坡率；H1為壩前水深。8/3/20229第9頁(yè)，共29頁(yè)。 通過(guò)第一段EOBB的滲流量為： 第二段BB N，可以下游水面為界，分為水上和水下兩部分，應(yīng)用達(dá)西定律，可得通過(guò)第二段的滲流量為： 根據(jù)水流連續(xù)條件qq1q2，聯(lián)立以上兩式，可求得a0和q。浸潤(rùn)線方程可以用（）求得，求出后還應(yīng)對(duì)浸潤(rùn)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(rùn)線相切于A。 壩體為貼坡排水對(duì)壩身浸潤(rùn)線位置沒(méi)有影響，計(jì)算方法與下游無(wú)排水相同。8/3/202210第10頁(yè)，共29頁(yè)。下游有褥墊排水 根據(jù)流體力學(xué)計(jì)算表面，浸潤(rùn)線可由一通過(guò)E并以排水起點(diǎn)為焦點(diǎn)的拋物線來(lái)表示。焦點(diǎn)處的高度為he，拋物

6、線的原點(diǎn)在排水起點(diǎn)后he/2處，可得拋物線的公式為：8/3/202211第11頁(yè)，共29頁(yè)。 拋物線通過(guò)E(x=0,y=H1),代入可得 代入流量公式，可得單寬流量：8/3/202212第12頁(yè)，共29頁(yè)。下游棱體排水 當(dāng)下游無(wú)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(wú)水情況處理。8/3/202213第13頁(yè)，共29頁(yè)。（二）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(rùn)線也較平緩，水頭主要在心墻部位損失。下游有排水時(shí)，可假定浸潤(rùn)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(jiǎn)化為等厚的矩形，（1+2)/2,則

7、可求通過(guò)心墻段的單寬流量q1和心墻下游壩殼的單寬流量q2，聯(lián)立求得心墻后浸潤(rùn)線高度h和q8/3/202214第14頁(yè)，共29頁(yè)。（三）斜墻壩的滲流計(jì)算 將斜墻簡(jiǎn)化為等厚的矩形，（1+2)/2,則可求通過(guò)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q8/3/202215第15頁(yè)，共29頁(yè)。（四）有限深透水地基土石壩的滲流計(jì)算1、均質(zhì)壩的滲流計(jì)算 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。可假定壩體不透水，按下式計(jì)算壩基的滲流量：式中n為流線彎曲對(duì)滲徑的影響，可查表。8/3/202216第16頁(yè)，共29頁(yè)。2、心墻壩的滲

8、流計(jì)算 透水地基上筑有混凝土防滲墻。滲流計(jì)算分防滲體段和墻后段兩部分。通過(guò)防滲心墻和地基防滲墻的滲流量為：聯(lián)立求得q和h。8/3/202217第17頁(yè)，共29頁(yè)。3、斜墻壩的滲流計(jì)算 有截水墻的斜墻壩計(jì)算分為斜墻截水墻和墻后壩體及地基兩部分，分布用平均厚度代替變厚的斜墻和截水墻。斜墻和截水墻的滲流量q1和斜墻、截水墻后的滲流量q2，聯(lián)立可求得q和h。8/3/202218第18頁(yè)，共29頁(yè)。公式計(jì)算時(shí)，可作如下簡(jiǎn)化：滲透系數(shù)相差5倍以內(nèi)的相鄰薄土層可視為一層，采用加權(quán)平均滲透系數(shù)；雙層結(jié)構(gòu)壩基，如下臥土層較厚，且滲透系數(shù)小于上覆土層滲透系數(shù)的1/100，可將下層視為相對(duì)不透水層；當(dāng)透水層壩基深度

9、大于建筑物不透水層底部長(zhǎng)度的1.5倍以上時(shí)，可按無(wú)限深透水層情況估算。8/3/202219第19頁(yè)，共29頁(yè)。三、流網(wǎng)法 復(fù)雜剖面和邊界條件，用計(jì)算方法求解土石壩浸潤(rùn)線比較困難，且不準(zhǔn)確。流網(wǎng)法可求出滲流區(qū)任一點(diǎn)的滲透壓力、坡降、流速及滲流量。流網(wǎng)的概念：滲流場(chǎng)：滲流運(yùn)動(dòng)的水質(zhì)點(diǎn)所充滿的空間流 線：水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡等勢(shì)線：滲流場(chǎng)中勢(shì)能相等的各點(diǎn)連線流 網(wǎng)：流線與等勢(shì)線組成的網(wǎng)格8/3/202220第20頁(yè)，共29頁(yè)。流網(wǎng)的畫法： 浸潤(rùn)線和不透水地基的表面都是流線；上下游水下邊坡都是等勢(shì)線；下游邊坡出逸點(diǎn)至下游水位既是等勢(shì)線又是流線。出逸段和浸潤(rùn)線上各點(diǎn)壓力均為大氣壓力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初擬浸潤(rùn)線位置及

10、出逸點(diǎn)，然后將上、下游落差等分，等分的水平線與浸潤(rùn)線的交點(diǎn)即為等勢(shì)線與浸潤(rùn)線的交點(diǎn)，由交點(diǎn)繪制與等勢(shì)線，一端垂直浸潤(rùn)線，一端垂直于地基表面，然后繪制流線，反復(fù)修正。8/3/202221第21頁(yè)，共29頁(yè)。8/3/202222第22頁(yè)，共29頁(yè)。8/3/202223第23頁(yè)，共29頁(yè)。四、滲透變形及防止措施1、滲透變形： 定義：土石壩及地基中的滲流，由于物理和化學(xué)作用，土體顆粒流失，導(dǎo)致土壤發(fā)生局部破壞，稱為滲透變形。 滲透變形及其發(fā)展過(guò)程與土料性質(zhì)、顆粒級(jí)配及水流條件、防滲、排水措施等因素有關(guān)。2、常見(jiàn)滲透變形的型式： 管涌、流土、接觸沖刷、剝離、化學(xué)管涌等。 管涌：在一定滲流作用下，土體中的

11、細(xì)顆粒沿骨架顆粒所形成的孔隙管道移動(dòng)或被滲流帶走，發(fā)生于無(wú)粘性土中（沙礫料）。8/3/202224第24頁(yè)，共29頁(yè)。流土：指在滲流作用下，粘性土及均勻無(wú)粘性土體被浮動(dòng)的現(xiàn)象。流土常見(jiàn)于下游逸出處。接觸沖刷：滲流沿著兩種不同介質(zhì)的接觸面流動(dòng)時(shí)，把其中顆粒層的細(xì)粒帶走。接觸流土：滲流垂直于兩種不同介質(zhì)的接觸面流動(dòng)時(shí)，把其中一層的細(xì)粒，移入到另一層中去。例如反濾層的淤塞?；瘜W(xué)管涌：指土體中的鹽類被滲流水溶解帶走的現(xiàn)象。8/3/202225第25頁(yè)，共29頁(yè)。滲透變形的判別： 1、用土料的不均勻系數(shù)； 2、用土體的孔隙直徑與填料粒徑之比； 3、用土體的細(xì)粒含量來(lái)判別。8/3/202226第26頁(yè)，共29頁(yè)。8/3/202227第27頁(yè)，共29頁(yè)。3、滲透變形破壞標(biāo)準(zhǔn)及防止措施 土體在滲流作用下是否發(fā)生滲透破壞，主要取決于土體本身的抗?jié)B強(qiáng)度。通常用臨界坡降作為判定標(biāo)準(zhǔn)。 臨界坡降指土體中的細(xì)粒隨著滲流的加劇，由靜止轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的坡降，可通過(guò)試驗(yàn)