《土石壩第三節(jié)》ppt課件

1、水水 工工 建建 筑筑 物物第三節(jié)第三節(jié) 土石壩的滲流分析土石壩的滲流分析 一、滲流分析的目的和方法一、滲流分析的目的和方法 二、滲流分析的水利學(xué)方法二、滲流分析的水利學(xué)方法 三、滲流分析的手繪流網(wǎng)法三、滲流分析的手繪流網(wǎng)法 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水水 工工 建建 筑筑 物物滲流分析的目的和方法滲流分析的目的和方法 一滲流分析的目的一滲流分析的目的 ( (二二) )滲流分析的方法滲流分析的方法 (1)確定壩體浸潤(rùn)線和下游滲流出逸點(diǎn)的位置。2確定壩體與壩基的滲流量,以便估計(jì)水庫(kù)滲漏損失和確定壩體排水設(shè)備的尺寸。3確定壩坡出逸段和下游地基外表的出逸坡降,

2、,以判別該處的浸透穩(wěn)定性。4確定庫(kù)水位降落時(shí)上游壩殼內(nèi)自在水面的位置,估算由此產(chǎn)生的孔隙水壓力,供上游壩坡穩(wěn)定分析之用。解析法分為流膂力學(xué)法和水力學(xué)法。本節(jié)主要引見水力學(xué)法。手繪流網(wǎng)法是一種簡(jiǎn)單易行的方法,可以求滲流場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)滲流要素,并具有一定的精度,但在滲流場(chǎng)內(nèi)具有不同土質(zhì),且其浸透系數(shù)差別較大的情況下較難運(yùn)用。 水水 工工 建建 筑筑 物物滲流分析的水力學(xué)法滲流分析的水力學(xué)法 一計(jì)算情況一計(jì)算情況: 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)的最高水位； 上游校核洪水位與下游相應(yīng)的最高水位； 庫(kù)水位降落時(shí)上游壩坡穩(wěn)定最不利的情況。 1.滲流根本公式 對(duì)于不透水地基上矩

3、形土體內(nèi)的滲流,如下圖。滲流計(jì)算圖水水 工工 建建 筑筑 物物q = 即 LHHK2)(2221xyHKq2)(221xKqHy221 由式可知,浸潤(rùn)線是一個(gè)二次拋物線。式當(dāng)滲流量q知時(shí),即可繪制浸潤(rùn)線,假設(shè)邊境條件知,即可計(jì)算單寬滲流量。二不透水地基上均質(zhì)土石壩的滲流計(jì)算二不透水地基上均質(zhì)土石壩的滲流計(jì)算 1土石壩下游有水而無(wú)排水設(shè)備的情況。土石壩下游有水而無(wú)排水設(shè)備的情況。 當(dāng)下游無(wú)水時(shí),以上各式中的H2=O;當(dāng)下游有貼坡排水時(shí),因貼坡式排水根本上不影響壩體浸潤(rùn)線的位置,所以計(jì)算方法與下游不設(shè)排水時(shí)一樣。以下游有水而無(wú)排水設(shè)備的情況為例。計(jì)算時(shí)將土壩剖面分為上游楔形體,中間段和下游楔形體三

4、段,如下圖。水水 工工 建建 筑筑 物物l 等效矩形寬度：，值由下式計(jì)算: HL1211mm式中 上游壩面的邊坡系數(shù),如為變坡那么取平均值； 上游水深。1m1H l 計(jì)算對(duì)象：壩身段計(jì)算對(duì)象：壩身段(AMB)及下游楔形體段及下游楔形體段(BBN)。水水 工工 建建 筑筑 物物 l 壩身段的滲流量為壩身段的滲流量為: (4-15)LaHHKq2)(202211式中 浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)在下游水面以上高度； K 壩身土壤浸透系數(shù)； H1 上游水深； H2 下游水深； 見圖(4-6)。0aLl下游楔形體的滲流量：可分下游水位以上及以下兩部分計(jì)算。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)研討以為，下游水位以上的壩身段與楔形體段以1：0.5

5、的等勢(shì)線為分界面，下游水位以下部分以鉛直面作為分界面，與實(shí)踐情況更相近，那么經(jīng)過(guò)下游楔形體上部的滲流量 為：2q0020225 . 05 . 0amaKdyymyKq水水 工工 建建 筑筑 物物經(jīng)過(guò)下游楔形體下部的滲流量 為2q2220220221)5.0(mHmamHaKq經(jīng)過(guò)下游楔形體的總滲流量為 :2q 式中 )1 (5 . 020220222HaaHmaKqqqm2225.02mmaml水流延續(xù)條件： l 未知量的求解：兩個(gè)未知數(shù)滲流量 和逸出點(diǎn)高度 。 qqq21q0a浸潤(rùn)線由式(4-13)確定。上游壩面附近的浸潤(rùn)線需作適當(dāng)修正:自A點(diǎn)作與壩坡AM正交的平滑曲線,曲線下端與計(jì)算求得的

6、浸潤(rùn)線相切于A點(diǎn)。水水 工工 建建 筑筑 物物 當(dāng)下游無(wú)水時(shí),以上各式中的H2=O;當(dāng)下游有貼坡排水時(shí),因貼式排水根本上不影響壩體浸潤(rùn)線的位置,所以計(jì)算方法與下游不設(shè)排水時(shí)一樣。1有褥墊排水的均質(zhì)壩有褥墊排水的均質(zhì)壩 xkqHy221)(22021hHLhqLHLh2120水水 工工 建建 筑筑 物物2有棱體排水的均質(zhì)壩 xkqHy221)(220221hHHLhqLHHLh22120)(當(dāng)下游無(wú)水時(shí),按上述褥墊式排水情況計(jì)算。 水水 工工 建建 筑筑 物物三有限深透水地基上土石壩的滲流計(jì)算三有限深透水地基上土石壩的滲流計(jì)算 n滲流量：可先假定地基不透水滲流量：可先假定地基不透水, ,按上述方

7、法確定壩體的滲流量按上述方法確定壩體的滲流量 和和浸潤(rùn)線；然后再假定壩體不透水浸潤(rùn)線；然后再假定壩體不透水, ,計(jì)算壩基的滲流量計(jì)算壩基的滲流量 ；最后將；最后將 和和 相加相加, ,即可近似地得到壩體和壩基的滲流量。即可近似地得到壩體和壩基的滲流量。 n壩體浸潤(rùn)線：可不思索壩基浸透的影響壩體浸潤(rùn)線：可不思索壩基浸透的影響, ,仍用地基不透水情況下仍用地基不透水情況下的結(jié)果。的結(jié)果。 1均質(zhì)土石壩均質(zhì)土石壩 對(duì)于有褥墊排水的情況,因地基滲水而使浸潤(rùn)線稍有下降,可近似地假定浸潤(rùn)線與排水起點(diǎn)相交。由于滲流滲入地基時(shí)要轉(zhuǎn)一個(gè)90的彎,流線長(zhǎng)度比壩底長(zhǎng)度 要增大些。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和流膂力學(xué)分析,增大的長(zhǎng)度約

8、為0.44T。(T為地基透水層的厚度)。這時(shí),經(jīng)過(guò)壩體和壩基的滲流量可按下式計(jì)算: 1q2q1q2qLTLTHKLHKqqqT44. 0212121水水 工工 建建 筑筑 物物式中的q用壩身 的滲流量。1q2心墻土石壩心墻土石壩 心墻、截水墻段:其土料普通是均一的,可取平均厚度 進(jìn)展計(jì)算。假設(shè)心墻后的浸潤(rùn)線高度為h，那么經(jīng)過(guò)心墻、截水墻的滲流量 下游壩殼和壩基段:由于心墻后浸潤(rùn)線的位置較低,可近似地取浸潤(rùn)線末端與堆石棱體的上游端相交,然后分別計(jì)算壩體和壩基的滲流量。當(dāng)下游有水時(shí),可近似的假定浸潤(rùn)線逸出點(diǎn)在下游水面與堆石棱體內(nèi)坡的交點(diǎn)處,用上述同樣的方法進(jìn)展計(jì)算。1q3斜墻土石壩斜墻土石壩 有限

9、深透水地基上的斜墻土壩有限深透水地基上的斜墻土壩,普通同時(shí)設(shè)有普通同時(shí)設(shè)有 截水墻或鋪蓋。前者用以攔截透水地基截水墻或鋪蓋。前者用以攔截透水地基,后者用以延伸滲徑、減小后者用以延伸滲徑、減小 浸透坡降浸透坡降,防止浸透變形防止浸透變形,兩種構(gòu)造的布置如下圖。兩種構(gòu)造的布置如下圖。1)有截水墻的情況有截水墻的情況 它與心墻土壩的情況類似它與心墻土壩的情況類似, 當(dāng)下游無(wú)水時(shí)，當(dāng)下游無(wú)水時(shí)，H2=0，L1=L。當(dāng)。當(dāng)T=0時(shí)，也可得出不透水地時(shí)，也可得出不透水地基上斜墻壩的滲流計(jì)算公式。基上斜墻壩的滲流計(jì)算公式。2)有鋪蓋的情況有鋪蓋的情況 當(dāng)鋪蓋與斜墻的浸透系數(shù)比壩體和壩基的浸當(dāng)鋪蓋與斜墻的浸透

10、系數(shù)比壩體和壩基的浸透系數(shù)小很多時(shí)，可近似地以為鋪蓋與斜墻是不透水的，并以鋪透系數(shù)小很多時(shí)，可近似地以為鋪蓋與斜墻是不透水的，并以鋪蓋末端為分界限，將滲流區(qū)分為兩段進(jìn)展計(jì)算。蓋末端為分界限，將滲流區(qū)分為兩段進(jìn)展計(jì)算。水水 工工 建建 筑筑 物物(四四)總滲流量計(jì)算總滲流量計(jì)算 計(jì)算總流量時(shí)，應(yīng)根據(jù)地形及透水層厚度的變化情況，將土石壩沿壩軸線分為假設(shè)干段，如下圖，然后分別計(jì)算各段的平均單寬流量，那么全壩的總浸透流量Q可按下式計(jì)算： Q= nnnnnlqlqqlqqlq111222111)()(21式中 、 各段壩長(zhǎng)； 、 斷面1、斷面2處的單寬流量；1lnll21qnqq2滲流量計(jì)算圖 水水 工

11、工 建建 筑筑 物物滲流分析的手繪流網(wǎng)法滲流分析的手繪流網(wǎng)法一流網(wǎng)的特性一流網(wǎng)的特性1流線和等勢(shì)線都是圓滑的曲線。2流線和等勢(shì)線是相互正交的，即在相交點(diǎn)，二曲線的切線相互垂直。二流網(wǎng)的繪制二流網(wǎng)的繪制以不透水地基上均質(zhì)壩為例闡明手繪流網(wǎng)的方法，如下圖。水水 工工 建建 筑筑 物物l 首先確定滲流區(qū)的邊境：上、下游水下邊坡線AF和DE均為等勢(shì)線，初擬的浸潤(rùn)線AC及壩體與不透水地基接觸線FE均為流線。下游坡出逸段CD既不是等勢(shì)線，也不是流線，所以流線與等勢(shì)線均不與它垂直正交，但其上各點(diǎn)反映了該處逸出滲流的水面高度。nl 其次，將上、下游水頭差 分成n等分，每段為 如圖中分為10等分，每段為0.1

12、，然后引程度線與浸潤(rùn)線相交，從交點(diǎn)處按照等勢(shì)線與流線正交的原那么繪制等勢(shì)線，構(gòu)成初步的流網(wǎng)。nl 最后，不斷修正流線包括初擬浸潤(rùn)線與等勢(shì)線，必要時(shí)可插補(bǔ)流線和等勢(shì)線，直至使它們構(gòu)成的網(wǎng)格符合要求，通常使之成為扭曲正方形。HnHH三流網(wǎng)的運(yùn)用三流網(wǎng)的運(yùn)用浸透坡降與浸透流速：在圖中任取一網(wǎng)格i，兩等勢(shì)線相距為L(zhǎng)i，兩流線間相距為Mi,水頭差為 ，那么該網(wǎng)格的平均浸透坡降為： nHiiiLnLnJ水水 工工 建建 筑筑 物物經(jīng)過(guò)該網(wǎng)格兩流線間流帶的平均浸透流速為：由于K、 在同一流網(wǎng)中為常數(shù)， 及 大小與網(wǎng)格的中線長(zhǎng) 成反比，即網(wǎng)格小的地方坡降和流速大，反之那么小。因此，從流網(wǎng)中可以很清楚地看出流速

13、的分布情況和水力坡降的變化。iiiLnKKJViJiViL(2)滲流量滲流量 單寬滲流量單寬滲流量q為一切流帶流量的總和。網(wǎng)格為一切流帶流量的總和。網(wǎng)格i所在流帶中所在流帶中的滲流量為：的滲流量為： iiiiLnmHKmKJq假設(shè)繪制的網(wǎng)格是扭曲正方形 ，那么：iilmnHKq如整個(gè)流網(wǎng)分成m個(gè)流帶圖中分為3個(gè)，那么單寬總浸透流量為： miiqq1水水 工工 建建 筑筑 物物3浸透動(dòng)水壓力浸透動(dòng)水壓力 由于恣意兩相鄰等勢(shì)線的水頭差為由于恣意兩相鄰等勢(shì)線的水頭差為 ，所，所以任一網(wǎng)格以任一網(wǎng)格i范圍內(nèi)的土體所接受的浸透動(dòng)水壓力為：范圍內(nèi)的土體所接受的浸透動(dòng)水壓力為：WniiiiiAJllnlnW

14、112式中 Ai網(wǎng)格i的面積； 水的重度。水水 工工 建建 筑筑 物物土石壩的浸透變形及其防止措施土石壩的浸透變形及其防止措施n管涌管涌 在滲流作用下，壩體或壩基中的細(xì)小顆粒被滲流帶走逐漸在滲流作用下，壩體或壩基中的細(xì)小顆粒被滲流帶走逐漸構(gòu)成滲流通道的景象稱為管涌，常發(fā)生在壩的下游坡或閘壩下游構(gòu)成滲流通道的景象稱為管涌，常發(fā)生在壩的下游坡或閘壩下游地基面滲流逸出處。沒有凝聚力的無(wú)粘性砂土、礫石砂土中容易地基面滲流逸出處。沒有凝聚力的無(wú)粘性砂土、礫石砂土中容易出現(xiàn)管涌；粘性土的顆粒之間存在有凝聚力或稱粘結(jié)力，滲出現(xiàn)管涌；粘性土的顆粒之間存在有凝聚力或稱粘結(jié)力，滲流難以把其中的顆粒帶走，普通不易發(fā)

15、生管涌。流難以把其中的顆粒帶走，普通不易發(fā)生管涌。n流土流土 在滲流作用下，成塊土體被掀起浮動(dòng)的景象稱為流土。它在滲流作用下，成塊土體被掀起浮動(dòng)的景象稱為流土。它主要發(fā)生在粘性土及均勻非粘性土體的滲流出口處。發(fā)生流土?xí)r主要發(fā)生在粘性土及均勻非粘性土體的滲流出口處。發(fā)生流土?xí)r的水力坡降稱為流土的破壞坡降。的水力坡降稱為流土的破壞坡降。一浸透變形的型式一浸透變形的型式水水 工工 建建 筑筑 物物3接觸沖刷接觸沖刷 當(dāng)滲流沿兩種不同土壤的接觸面流動(dòng)時(shí)，把其中細(xì)當(dāng)滲流沿兩種不同土壤的接觸面流動(dòng)時(shí)，把其中細(xì)顆粒帶走的景象，稱為接觸沖刷。接觸沖刷能夠使臨近接觸面的不顆粒帶走的景象，稱為接觸沖刷。接觸沖刷能

16、夠使臨近接觸面的不同土層混合起來(lái)。同土層混合起來(lái)。4接觸流土和接觸管涌接觸流土和接觸管涌 滲流方向垂直于兩種不同土壤的接觸面滲流方向垂直于兩種不同土壤的接觸面時(shí)，例如在粘土心墻或斜墻與壩殼砂礫料之間，壩體或壩基與時(shí)，例如在粘土心墻或斜墻與壩殼砂礫料之間，壩體或壩基與排水設(shè)備之間，以及壩基內(nèi)不同土層之間的滲流，能夠把其中一層排水設(shè)備之間，以及壩基內(nèi)不同土層之間的滲流，能夠把其中一層的細(xì)顆粒帶到另一層的粗顆粒中去，稱為接觸管涌。當(dāng)其中一層為的細(xì)顆粒帶到另一層的粗顆粒中去，稱為接觸管涌。當(dāng)其中一層為粘性土，由于含水量增大凝聚力降低而成塊挪動(dòng)，甚至構(gòu)成剝蝕時(shí)，粘性土，由于含水量增大凝聚力降低而成塊挪動(dòng)

17、，甚至構(gòu)成剝蝕時(shí)，稱為接觸流土。稱為接觸流土。二浸透變形型式的判別二浸透變形型式的判別實(shí)驗(yàn)研討闡明，土壤中的細(xì)顆粒含量是影響土體浸透性能和浸實(shí)驗(yàn)研討闡明，土壤中的細(xì)顆粒含量是影響土體浸透性能和浸透變形的主要要素。透變形的主要要素。三浸透變形的臨界坡降三浸透變形的臨界坡降1管涌的臨界坡降管涌的臨界坡降 對(duì)中小型工程及初步設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)滲流方對(duì)中小型工程及初步設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)滲流方向?yàn)橛上孪蛏蠒r(shí)，可用南京水利科學(xué)研討院的閱歷公式推算：向?yàn)橛上孪蛏蠒r(shí)，可用南京水利科學(xué)研討院的閱歷公式推算：水水 工工 建建 筑筑 物物3342nKdJc式中 d3相應(yīng)于粒徑曲線上含量為3%的粒徑 K浸透系數(shù)，cm/s； n土壤孔

18、隙率。允許浸透坡降J，可根據(jù)建筑物的級(jí)別和土壤的類型選用平安系數(shù)23。J值還可參照不均勻系數(shù) 值選用：10 20的非粘性土，J=0.10。2 流土的臨界坡降 當(dāng)滲流自下向上作用時(shí)，常采用根據(jù)極限平衡得到的太沙基公式計(jì)算，即：)1)(1(nGJB 式中 G土粒比重； n土的孔隙率。 JB普通在0.81.2之間變化。南京水利科學(xué)研討院建議把上式乘以1.17。允許浸透坡降JB也要采用一定的平安系數(shù)，對(duì)用粘性土，可用1.5；對(duì)于非粘性土，可用2.02 .5水水 工工 建建 筑筑 物物四防止浸透變形的工程措施四防止浸透變形的工程措施(1) 反濾層的構(gòu)造反濾層的構(gòu)造 反濾層普通是由層不同粒徑的非粘性土、反濾層普通是由層不同粒徑的非粘性土、砂和砂礫石組成的。層次陳列應(yīng)盡量與滲流的方向垂直，各層砂和砂礫石組成的。層次陳列應(yīng)盡量與滲流的方向垂直，各層次的粒徑那么按滲流方向逐層添加，如下圖。次的粒徑那么按滲流方向逐層添加，如下圖。設(shè)置反濾層是提高抗?jié)B破壞才干、防止各類浸透變形特別是防止管涌的有效措施。在任何滲流流入排水設(shè)備處普通都要設(shè)置反濾層。水水 工工 建建 筑筑 物物反濾層的資料反濾層的資料 反濾層