土石壩滲流計算

水工建筑物

第四章

4.4土石壩的滲流分析

4.4.1概述分析目的：檢驗壩的初選形式與尺寸，確定滲流力以核算壩坡穩(wěn)定。進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。確定通過壩及兩岸的滲流量并設(shè)計排水系統(tǒng)的容量。一、滲流分析內(nèi)容：確定壩體浸潤線及下游出逸點的位置，繪制壩體及壩基內(nèi)的等勢線分布圖或流網(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。確定庫水位降落時上游壩坡內(nèi)的浸潤線位置或孔隙壓力。確定壩肩的等勢線、滲流量或滲透比降。二、滲流分析方法（1）解析法：包括流體力學法和水力學法；（2）手繪流網(wǎng)法：一種圖解方法，繪制方便；（3）實驗法：采用電模擬實驗解決三維問題；（4）數(shù)值法：采用有限元分析。三、滲流分析的計算情況上游正常蓄水位與下游相應的最低水位；上游設(shè)計洪水位與下游相應的水位；上游校核洪水位與下游相應的水位；庫水位降落時上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。4.4.2滲流分析的水力學法

一、基本假定：壩體土是均質(zhì)的，壩內(nèi)各點在各個方向的滲透系數(shù)相同；滲流屬穩(wěn)定流，看作平面問題；滲流是層流，符合達西定律：v=KJ滲流是漸變流，過水斷面上各點的坡降和流速是相等的。二、滲流基本公式假定：任一鉛直過水斷面內(nèi)各點的滲透坡降相等。

平均流速：單寬流量：自上游向下游積分：自上游向區(qū)域中某點積分：vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv三、不透水地基上的滲流計算1、均質(zhì)壩的滲流計算20世紀20年代前蘇聯(lián)學者提出，以浸潤線兩端為分界線，將均質(zhì)土壩分為3段：上游楔形體、中間段和下游楔形體，分別列出計算公式，再根據(jù)水流連續(xù)原理求解，稱為“三段法”。

(1)下游無排水

用一個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)計水位交點A的水平距離為ΔL:

上式根據(jù)流體力學和電擬試驗得到，式中m1為上游壩坡坡度；H1為上游水深。1)上游壩段計算通過上游段的滲流量:2)下游壩段計算下游水位以上單寬滲流量:下游水位以下單寬滲流量:通過下游壩體總單寬流量:

根據(jù)水流連續(xù)條件:q＝q1＝q2聯(lián)立以上兩式，可求得a0和q。浸潤線方程可以用式(4—8）求得，求出后還應對浸潤線進口進行修正：自A點引與壩坡AM正交的平滑曲線，曲線下端與計算所得的浸潤線相切于A‘。當下游無水時，各式中的H2=0。壩體為貼坡排水對壩身浸潤線位置沒有影響，計算方法與下游無排水相同。(2)下游有褥墊排水

根據(jù)流體力學計算表面，浸潤線可由一通過E點并以排水起點為焦點的拋物線來表示?？傻脪佄锞€的公式為：

(3)下游棱體排水

當下游無水時和褥墊式相同，下游有水時，可將下游水面以上部分按照無水情況處理。即:

2.心墻壩的滲流計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。下游壩殼的浸潤線也較平緩，水頭損失主要在心墻部位。下游有排水時，可假定浸潤線的出逸點為下游水位與堆石內(nèi)坡的交點A。將心墻簡化為等厚δ的矩形.聯(lián)立求解h、q

3.斜墻壩的滲流計算將斜墻簡化為等厚的矩形，則可求通過斜墻的單寬流量q1和斜墻壩殼的單寬流量q2，聯(lián)立求得h和q。

四、有限深透水地基上的滲流計算1、均質(zhì)壩均質(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算。壩體部分按不透水地基計算；再假定壩體不透水，計算壩基的滲流量；兩者相加。下游無水時，通過壩體和壩基的單寬流量：下游有水時，通過壩體和壩基的單寬流量：2、心墻壩聯(lián)立求得q和h。浸潤線方程：近似認為上游壩殼中無水頭損失，滲流計算分防滲體段和墻后段兩部分。（1）有截水墻的情況計算方法與心墻壩類似：

（2）有鋪蓋情況近似認為鋪蓋與斜墻是不透水的。五、總紐奉滲流量哭計算將土石絕壩沿壩軸賭線分垂為若抹干段溜，然后無分別介計算乞選取斷面的顧單寬滲墳流量，再計則算總晨滲流渣量。4.4硬.3滲透澤變形辯及防疾止措枝施一、母滲透嫂變形莖分類誰與特頸點定義：土石壩斑及地基蜜中的滲獄流，由晝于物理旗和化學消作用，纏土體顆蠟粒流失粥，導致轎土壤發(fā)港生局部夜破壞，荒稱為滲較透變形件。滲透變床形及其胸發(fā)展過搶程與土敏料性質(zhì)宇、顆粒況級配及巧水流條橫件、防脹滲、排擾水措施栽等因素堡有關(guān)。常見男滲透兵變形稈的型群式：管涌太、流湯土、帥接觸層沖刷兩、剝研離、晨化學放管涌谷等。(1)管涌：在一曬定滲辭流作殘用下虛，土謙體中蒸的細堅顆粒帖沿骨悄架顆肆粒所碧形成道的孔病隙管襲道移些動或爆被滲士流帶娃走，泄發(fā)生精于無答粘性雄土中煌（沙甲礫料洲）。(2)流土：指在別滲流懷作用倡下，投粘性清土及評均勻椅無粘任性土菠體被鼻浮動集的現(xiàn)獅象。啄流土允常見槐于下叼游逸廉出處槳。(3)接觸沖樸刷：滲流沿綢著兩種裁不同介招質(zhì)的接鵲觸面流劈燕動時，射把其中蓮顆粒層豈的細粒徹帶走。(4感)接觸份流土刻：滲流妻垂直彈于兩留種不休同介搶質(zhì)的液接觸想面流材動時辮，把蹈其中脾一層顯的細已粒，凍移入御到另度一層必中去鉤。例士如反謠濾層旁的淤滑塞。(5視)化學管輩涌：指土體繁中的鹽耀類被滲筋流水溶簽解帶走鍋的現(xiàn)象飽。二、娃非粘盞性土勒管涌潮與流疤土判冬別產(chǎn)生鎖管涌舞或流摘土的罩細顆聞粒臨乞界含狂量與辦孔隙遞關(guān)系脅：（1）當行土體饞細顆霉粒含芽量大部于Pg時，可環(huán)能產(chǎn)生懸流土。（2）當解土體植細顆賄粒含伐量小榆于或織等于Pg時，映可能隱產(chǎn)生遭管涌漸。三、滲慮透變形翠的臨界壓坡降與皂允許坡掩降1.產(chǎn)生辣管涌果的臨侵界坡誘降Jc與允分許坡忘降臨界坡腎降計算嘴公式：允許墊滲透挖坡降計算擁公式宮：2.產(chǎn)生憐流土裂的臨芒界坡仗降JB和允許渣坡降太沙授基公資式:四、討防止紀滲透槳變形輪的工孕程措炸施措私施常用刪的工牌程措雪施:全面截家阻滲流曬，延長竭滲徑；宋設(shè)置排嗚水設(shè)施逼；設(shè)置擇反濾層厚；設(shè)排訊滲減壓蹈井。砂石剖反濾炕層的勤結(jié)構(gòu)肢、設(shè)抵計原明則、鳥材料屈。土石域壩在自重、績水荷載蒸、滲透貧壓力和廟地震荷青載作用估下，山若剖冠面尺庫寸不艙當或激壩體婦、壩牛基土主料的茂抗剪冰強度江不足果，壩財體或盼壩體綿連同杏部分奏地基拆發(fā)生滑動，造子成失聾穩(wěn)。磚壩基縱內(nèi)有殘軟弱傾夾層俘時，閃也可匙能發(fā)乞生塑性瓦流動。飽和辱細沙受迅地震作含用還可訴能發(fā)生液化失穩(wěn)。分析目論的：分析壩碰體及壩么基在各挽種不同津條件下亡可能產(chǎn)速生的失灰穩(wěn)形式遭，校驗柴其穩(wěn)定衰性，確拘定壩體亂經(jīng)濟剖病面。失穩(wěn)廟特點由：壩體百由散墊粒材億料組高成，燙不會營出現(xiàn)信整體壯滑動魯或傾稼覆失籍穩(wěn)，觀只可幕能發(fā)講生局短部失脆穩(wěn)破嘆壞。4.5土石壩律的穩(wěn)定旁分析4.壤5濁.1概述穩(wěn)定破竹壞形式滑動辱：壩或谷壩基浩材料境的抗恩剪強嬌度不變夠，界沿某滲一滑拜動面燈向下栽坍滑位。液化：飽和的族松砂受右振動或碌剪切而懇發(fā)生體姥積收縮炮，孔隙蒸水不能揭立即排革出，有追效應力跑轉(zhuǎn)化為震孔隙應昂力，砂傲土抗剪頂強度降鐵低，砂舊料隨水辣的流動浮而流散啦。影響是因素士：有悲效粒落徑小抽，孔買隙比殲大，氧砂料浪均勻鴨，受戴力體述大，袖受力即猛，揮透水唱性小習，易槳液化竹。美耽國福嶄特派櫻克壩38另0萬立拾方米勵的砂鬼體在10分鐘預內(nèi)流迅失；尤鐵路忙橋因坊火車飼振動豆而液痛化。塑性流緣瑞動：壩體或上壩基剪慎應力超之過了土虛料抗剪慎強度，蹈變形超控過彈性初極限值冷，壩坡獲或壩腳身地基土佛被壓出蹈或隆起哈，壩體畝產(chǎn)生裂視縫或沉改陷。軟栽粘土壩剃體容易糟發(fā)生。1、曲洪面滑典動面—滑動面地頂部陡備而底部切漸緩，急曲面近陪似圓弧仇，多發(fā)禾生于粘烤性土中草。2、折色線滑析動面—多發(fā)生壘于非粘姨性土坡送，如薄散心墻壩見、斜墻株壩；折挎點一般葡在水面程附近。3、復囑式滑鼻動面—厚心茄墻或臘粘土甘及非淺粘土融構(gòu)成撫的多備種土燈質(zhì)壩秘形成不復式插滑動世面。住當壩?；鶅?nèi)隱有軟供弱夾僑層時愧，滑施動面郵不再縫向下沙深切代，而笨沿夾秋層形鈴成曲患、直猛組合步的復宗式滑至動。4.5片.2土壤抗剪強度指標的選取4.5魯.3穩(wěn)定計趟算情況艱和安全皺系數(shù)的推采用一、鑼穩(wěn)定適計算勺情況1.正常姿運用騾情況:分三種工工況；2.非常運山用情況Ⅰ：分三晉種工況替；3.非常料運用娃情況Ⅱ：正冶常情霜況遇湖到地腔震。二、安湊全系數(shù)們的采用計入條簽塊間作收用力時，不弟小于表4—濫9規(guī)定從；不計父入條消塊作劇用力時，身另考源慮。4.5陷.4壩坡穩(wěn)鄙定分析壁方法一、爽圓弧賤滑動估面穩(wěn)輩定計領(lǐng)算1.瑞典圓征弧法基本原轉(zhuǎn)理:將滑動勢土體分槍為若干雞鉛直土庸條,不考梯慮條域塊間背的作董用力,求得涉各土熱條對相滑動壟圓心半的抗疊滑力龜矩和富滑動根力矩,并求其芝總和?？筛鶕?jù)芽下式求煎穩(wěn)定安赴全系數(shù)原：計算步關(guān)驟：（1）確定聞圓心、戚半徑，庸繪制圓毅弧。（2）將土拴體編號擺（3）計算冬土條重縮慧量（4）計算舊安全系焦數(shù)：2.簡化襲的畢犁肖普溪法該法計爪及條塊簽間作用扔力，故俊計算較起為復雜娘。二、語非圓賠弧滑瓜動穩(wěn)遷定計具算1.非粘震性土說壩坡跟部分卵浸水境的穩(wěn)葛定計蟲算用鉛睛直線DE將滑動儉土體分牙為兩塊,則土塊BC是DE沿CD滑動面代的力平掏衡式為:土塊ADE沿AD滑動貢面的盾力平芝衡式床為:=02.斜墻期壩壩倉坡的謹穩(wěn)定隙計算計算侮滑動趙面ab戒cd,將土段體分芬成三飲塊。三、復片合滑動冒面厚心墻蠻滑動面暢，通過突砂性土糊部分為井直線，均通過粘霉性土部渴分為圓伙弧。可將伯滑動絡土體擋分為3個區(qū)，BC面上的進抗滑力S=Gt庸anφ+CL四、最秘危險滑掏裂面確六定4.搶6土料選道擇與填確土標準觀確定筑壩材橫料選擇啄應遵循黎的原則茫：（1）具有嚴或經(jīng)加晶工后具借有與使懇用目的各相適應圈的工程貿(mào)性質(zhì)，艷并具有絕長期穩(wěn)爛定性；（2）就地返、就近攜取材，姥減少棄陪料（環(huán)黃境污染段），少步占或不圈占農(nóng)田嶄，并優(yōu)駁先考慮伯樞紐建伍筑物開甩挖料的刻利用；（3）便隨于開緩采、奮運輸蓋和壓考實近20年來嫌土石梨壩建驅(qū)設(shè)的談突出誼進步印之一鼠就是虧筑壩版材料攏應用肅范圍鞋越來盆越廣慎。風愚化料笛、軟懂巖、巡壽礫石產(chǎn)土等廢也可忙用于異筑壩趙。對艱不符店合要楊求的折材料洲進行湖處理監(jiān)后也并可采鬧用。4.早6.緊1壩體不晝同部位洞對土石傘料的要遣求1、防旬滲土麻料滲透系駕數(shù)：均質(zhì)壩≤1e-4夕cm/姐s，心墻芳和斜寨墻≤1e-帖5c你m/扛s。水溶鹽陳含量（指松易溶猶鹽和絮中溶意鹽，綿按質(zhì)關(guān)量計啄）≤3帝%有機片質(zhì)含繁量：均質(zhì)壩≤5表%，心證墻和擋斜墻≤2剝%，超肚出需戶論證朵；有較組好的妖塑性種和滲范透穩(wěn)逮定性帳；浸水與駐失水時膽體積變終化小。我國主袍要采用詠粘土、搶壤土等珠細粒土說。缺點們：天然侍含水量渴高，雨得天難施范工，造遍價高，頁壓縮性庫大，降栽低心墻擠抗水力批劈裂能著力。以下粘獎土不宜射作為防責滲體填理筑料，饑必須采掉用時應直采取適惑當措施將：塑性指座數(shù)＞20和液限隸＞40血%的沖積技粘土；膨脹議土;吸水井膨脹揀，失浮水收勞縮。開挖、課壓實困言難的干硬凳粘土；凍土；分散規(guī)性粘機土。土粒料間斥力梁大于引染力，遇呆低鹽水端會脫落塑隨滲水賞流走。繳經(jīng)處理露后開用盟于填筑3級低壩哈。2、壩殼陜土石料要求：津具有比接較高的獨強度。致水下部片分要求碰具有良鬧好的排渴水能力購。一般裹可根據(jù)孫材料性芳質(zhì)用于賄壩殼的綁不同部手位.。3、反陣濾料盼、過析渡料閘、排良水料要求聞：質(zhì)地致昏密，抗浪水性和嶺抗風化麗性能滿叨足工程廚運用條成件；具有要捎求的級引配；具有要西求的透研水性；反濾料淡和排水惡體料中粒粒徑＜0.畝07飛5mm的顆踏粒含謝量≤5%。4.6縣.2土料填筑標毯準的確鈴定填筑陷標準捉是指佩土料收的壓曠實程靜度。姿根據(jù)茄施工港條件鄙、材完料情謹況，固通過俯試驗述，合孤理確醋定填灶筑標遣準，刺達到違安全謝經(jīng)濟遍目的款。綜憤合考稠慮以臭下因圣素：壩的集級別耽、高兆度、捧壩型細和壩緒的不黨同部競位；土石料架的壓實么特性和芹采用的遠壓實機介具；壩料霜的填屆筑干眼密度遭和含炕水率禁與力球?qū)W性襪質(zhì)的寇關(guān)系在，以提及設(shè)狗計對宏土石闖料力估學性鴿質(zhì)的窩要求異；土料融的天該然干侄密度史、天聰然含饞水率凝，以擱及土扒料進進行干混燥或鍬濕潤宅處理撒的程避度；當?shù)厝夂蜾P條件享對施雜工的鼠影響墻；設(shè)計蚊地震賄烈度階及其丑它動晝荷載捆作用醫(yī)；壩基土伴的強度午和壓縮升性；不同嫂填筑粘標準法對造攪價和傭施工井難易礦度的寇影響匙。1.粘性土譜的壓實稿標準粘性扣土的才填筑諸標準失應以禍壓實結(jié)度和反最優(yōu)丑含水色率作比為設(shè)帥計控除制指偏標。壓實裕度＝后設(shè)計成干重犬度/最大快干重橫度或：最優(yōu)含辟水量：在一繳定壓唱實功朗能下跑達到向最佳繭壓實蘇效果腰的含惹水量得。2.非粘性嘩土料的械壓實標魔準非粘夾性土柔與壓誤實程姻度與匯含水張量關(guān)昂系不概大，爭主要讓與粒體徑級均配和也壓實宿作用抗力性壯質(zhì)與艦壓實分功能堤有關(guān)旅。砂礫信石和棍砂的促填筑艷標準演應以靜相對汽密度微為設(shè)姐計控破制指祥標:式中Dr－相對餅緊密戰(zhàn)度e－設(shè)計孔數(shù)隙比emax－最大偏孔隙圾比emi閱n－最小異孔隙孫比。堆石的臟填筑標惡準宜用吃孔隙率巖為設(shè)計寫控制指皺標。土石壩蜻底面積匠大，壩優(yōu)基應力延較小，暗壩身具頌有一定歲適應變僻形的能休力，壩泊身斷面肥分區(qū)和墓材料的最選擇也測具有靈潔活性，跳所以，保對天然拖壩基的撈要求低膽于混凝敬土壩。對壩基吉處理的唱要求也圈不能放就松。據(jù)僻統(tǒng)計，咐土石壩灶失事約敏有40%是由于移壩基問削題引起以的。壩基處艱理的范蹈圍包括牛河床和祝兩岸岸換坡。4.懇7土壩的創(chuàng)地基處遷理土石況壩地夾基處訪理的冊任務色是：1.控制宰滲流僚，減屈少滲裁流坡稅降，裁避免乒管涌劃等有椒害的箭滲流扎變形斷，控托制滲狠流量吳；2.保持側(cè)壩體雪和壩施基的稿靜力削和動判力穩(wěn)遲定，級不產(chǎn)煙生過株大的飲有害珠變形卸，不欠發(fā)生厲明顯宋的均程勻沉掠降，擺竣工哪后，隨壩基憑和壩伍體的屢總沉撒降量寄一般捷不宜延大于跪壩高臣的1%；3.在保證搬壩安全綿運行的拋條件下業(yè)節(jié)省投更資。4.中7.暫1砂卵貫石地劫基處滴理1.垂直防鹿?jié)B設(shè)施（1）粘土鑄截水墻適用于雨透水層殲深度較壩小的情響況。(2校)混凝土州防滲墻適用于智透水層萍深度大翠于50m的地基蒜。（3）帷幕闖灌漿采用高龜壓定向珍噴射灌些漿技術(shù)拍，通過騰噴嘴的去高壓氣緒流切割材地層成富縫槽，糊在縫槽臟中灌壓朽水泥砂謙漿，凝揮結(jié)后形缸成防滲鳴板墻?？商幊罄磔^男深的盒砂礫邪石地影基，民但對浸地層育的可諷灌性遍要求遇高?？晒嘈陨恚篗=D15/d85M大時，澇可灌性秋好。帷幕厚子度：T=框H