土石壩滲流與穩(wěn)定講義

第四節(jié)土石壩的滲流分析

散粒體的滲流：水庫蓄水后，由于上下游水位差的關(guān)系，水流會通過壩體土粒之間的空隙從上游向下游流動。

圖6-13

滲流示意圖

第四節(jié)土石壩的滲流分析滲流計算目的：為確定經(jīng)濟可靠的壩型和合理的結(jié)構(gòu)尺寸提供重要依據(jù)滲流計算任務(wù)：確定壩體浸潤線及其下游逸出點的位置，繪制壩體積地基內(nèi)的等勢線分布或流網(wǎng)圖，提供壩體穩(wěn)定分析、應(yīng)力計算和排水設(shè)備選擇之用確定壩體與地基滲流量，以便估計水庫滲漏損失和確定壩體排水的尺寸確定壩坡出逸段與下游地基表面的出逸比降，以及不同土層之間的滲透坡降，以判斷該處的滲透穩(wěn)定性確定庫水位降落時上游壩殼內(nèi)自由水面的位置，估算由此產(chǎn)生的孔隙壓力，供上游壩坡穩(wěn)定分析之用常用的滲流分析方法：流體力學(xué)方法、水力學(xué)方法、流網(wǎng)法和試驗法。

一土石壩滲流的基本方程及其解法（一）滲流的基本方程土壩滲流為層流，滲流區(qū)內(nèi)任一點滿足拉普拉斯方程：式中：、為x、y方向的滲透系數(shù)（二）滲流問題的水力求解

假設(shè):均質(zhì),層流,穩(wěn)定漸變流.應(yīng)用達西定律(Darcy’sLaw)，假定任一鉛直過水?dāng)嗝鎯?nèi)各點的滲透坡降相等。如圖示為一不透水地基上的矩形土體，此時過流斷面上的平均流速為：

設(shè)單寬流量為q，則

(*)將上式自上游面（x=0,y=H1)至下游面（x=L,y=H2)積分，得：對（*)積分，可得浸潤線方程：不透水地基上矩形土體的滲流計算圖圖6-15

土壩浸潤線示意圖

二計算土石壩滲流的水力學(xué)方法

（一）不透水地基上土石壩的滲流計算

1.

均質(zhì)壩的滲流計算下游無排水：計算時把土石壩斷面分為上游三角形、中間段和下游三角形三段上游三角形滲流區(qū)域的等效寬度為：

將上游三角形和中間段合成一段通過這段滲流區(qū)域的滲流量為：

均質(zhì)壩計算簡圖

下游三角形段，以下游水面為界，分為水上部分和水下部分。和為等勢線，非等勢線也非流線。應(yīng)用達西定律可得其滲流量：根據(jù)水流連續(xù)條件聯(lián)立求解即可得浸潤線方程和逸出高度。

下游有褥墊排水：根據(jù)流體力學(xué)分析表明，浸潤線可由一通過E并以排水起點為焦點的拋物線來表示。B點高度為，則C點位置。由于浸潤線過和，浸潤線方程為：

浸潤線通過點:

有褥墊排水的滲流計算圖由此可得EODBA段的單寬流量：下游棱體排水：當(dāng)下游無水時和褥墊式相同；當(dāng)下游有水時，如下圖所示，可將下游水位以上部分按照無水情況處理。

單寬流量為：有棱體排水時滲流計算圖2.

心墻壩的滲流計算

心墻土料的滲透系數(shù)一般很小，比壩殼小倍以上，計算時可不考慮上游楔體降落水頭的作用。下游壩殼的浸潤線比較平緩，水頭主要集中在心墻部位損失。當(dāng)下游有排水時，近似的假定浸潤線的逸出點為下游水位和堆石內(nèi)坡的交點A，如下圖所示。心墻壩的滲流計算

將心墻簡化成等厚的矩形斷面:則通過心墻段的單寬流量為：心墻下游游壩殼的的單寬流流量為：：根據(jù)聯(lián)聯(lián)立求解解，可求求得心墻墻后浸潤潤線高度度和和滲滲流量。。下游壩壩殼的浸浸潤線仍按計計算。。3.斜墻壩的的滲流計計算斜墻壩滲滲流計算算將變厚度度的斜墻墻簡化成成為厚度度為的的等厚斜斜墻，這這樣通過過斜墻的的滲流量量為：斜墻后壩壩殼的滲滲流量為為：由聯(lián)聯(lián)立立求解可可得q和h。壩體的的浸潤線線方程仍仍為：三流流網(wǎng)網(wǎng)法適用：剖面、邊邊界條件件復(fù)雜，，用計算算方法比比較困難難時流網(wǎng)繪法法：根據(jù)經(jīng)驗驗確定浸浸潤線位位置及逸逸出點將上、下下游水位位差分為為n等分，等等分水平平線與浸浸潤線交交點即等等勢線與與浸潤線線的交點點，由這這些交點點繪制等等勢線繪制與等等勢線正正交的流流線。反反復(fù)修正正為相互互正交、、長寬相相等網(wǎng)格格，即流流網(wǎng)由流網(wǎng)求求滲流要要素流網(wǎng)的繪繪制（一）滲滲流流要素計計算滲流場內(nèi)內(nèi)任一點點i的流速，，可用i點所在網(wǎng)網(wǎng)格的平平均流速速來代表表：其中，k為土壤滲滲透系數(shù)數(shù)；為為i點所在網(wǎng)網(wǎng)格相鄰鄰兩根等等勢線之之間的平平均流線長長度；為為兩根等等勢線之之間的水水頭差，，H1、H2為上下游水頭；；n為等勢線線的數(shù)數(shù)目。因因而：流管的流流量為：：式式中中為為i點所在的的網(wǎng)格相鄰流流線之間間的距離離，即i網(wǎng)格的高高度，如如為正方方形,此時：根據(jù)流網(wǎng)網(wǎng)性質(zhì)，，在正交交曲線簇簇組成的的流網(wǎng)中中，個流流管的滲滲流量應(yīng)應(yīng)該相同：，，于于是單寬寬流量為為：單寬流量量為：作用在I處單位土土體的滲滲透力為為：式中：m為流管數(shù)數(shù)，其值值為流線線總數(shù)減減去1。(二）不不同土土層分界界處的流流網(wǎng)滲流通過過兩種不不同土壤壤的交界界面，其其流線和和等勢線線將發(fā)生生轉(zhuǎn)折，，按照連連續(xù)條件件，通過過相鄰兩兩流線的的流量不不變：AA1、BB1為等勢線線，假定定此時兩兩等勢線線之間的的水頭損損失為dh，則：不同土層層界面處處的流線線（三）各各向向異性土土體內(nèi)的的流網(wǎng)受施工與與沉積因因素影響響，壩身身、壩基基的水平平向滲透透系數(shù)一一般大于于豎直向向，若達達幾倍以以上則應(yīng)應(yīng)考慮土土體的各各向異性性。在繪繪制流網(wǎng)網(wǎng)時，先先變換實實際剖面面，水平平尺寸按按換換算，然然后在變變換的剖剖面上按按一般方方法繪制制成網(wǎng)，，最后將將該剖面面及流網(wǎng)網(wǎng)的水平平尺寸乘乘以，，即即可得實實際剖面面的流網(wǎng)網(wǎng)。幾種不同同類型土土石壩的的流網(wǎng)圖圖如下：：（a）（b）（c）不同類型型土石壩壩的流網(wǎng)網(wǎng)圖（a）均質(zhì)壩壩；（b）粘土心心墻壩；；（c）粘土斜斜心墻壩壩四滲滲透穩(wěn)定定的計算算（一）滲滲透變形形的形式式管涌多發(fā)生在在缺乏中中間粒徑徑的非粘粘性土中中，細顆顆粒先被被滲流帶帶走，土土的孔隙隙逐漸增增大，繼繼而較大顆顆粒相繼繼帶出，，形成挾挾沙滲流流集中通通道，導(dǎo)導(dǎo)致土體體結(jié)構(gòu)破破壞.流土在滲流作作用下，，土體同同時浮動動或流動動，多發(fā)發(fā)生于粘粘性土或或均勻的的非粘性性土中3.接觸流失失滲流垂直直于滲透透系數(shù)相相差較大大的兩相相鄰?fù)翆訉拥慕佑|觸面二流流動時，，將滲透透系數(shù)小小較小層中的細細顆粒帶帶入滲透透系數(shù)較較大的另另一土層層.4.接觸沖刷刷當(dāng)滲流沿沿著粗細細兩種土土層的接接觸面或或建筑物物與地基基的接觸觸面流動動時，沿沿層面帶帶走細顆顆粒的現(xiàn)象象.土層接觸觸面處的的滲透變變形1－滲流；；2－粘性土土；3－砂礫；；4－粘土（二）滲滲透透變形型型式判別別影響滲透透變形的的因素：：土體密實實度程度度、顆粒粒級配、、細粒含含量滲透變形形形式判判斷依據(jù)據(jù)：流土過渡型不均勻系系數(shù)管管涌涌>35%流土25~35%過渡型細顆粒含含量<25%管涌（三）滲滲透透破壞標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)土體在滲滲流作用用下是否否產(chǎn)生滲滲透破壞壞，主要要取決于于土體本本身的抗抗?jié)B強度度，以臨臨界坡降降作為判定定標(biāo)準(zhǔn)一般管涌涌按下式式計算：：其中：d——流失顆粒粒的粒徑徑，可取取為小于于這個粒粒徑土壤壤顆粒占占3％～5％，cm；k——滲透系數(shù)，cm/s；n——孔隙率。。對流土通通常采用用太沙基基公式：：其中：——土粒容重重；——水的容重重；n——土的孔隙隙率。（四）增增加加滲透穩(wěn)穩(wěn)定性的的工程措措施增大滲透透途徑，，降低滲滲透坡降降或截阻阻滲流增設(shè)排水水溝或減減壓井，，降低下下游滲流流出口處處的滲透透壓力，，將滲水水由計劃劃的排出出（五）反反濾層設(shè)設(shè)計作用：滲流出口或或進入排水水處，坡降降較大，流流速較快，，易產(chǎn)生滲滲透變形。。為防止土土體在滲流作用用下發(fā)生滲滲透變形，，防滲體與與壩殼或壩壩基透水層層之間、排排水與壩體體和土壤之之間必須設(shè)置反反濾層。型式：土反濾、土土工織物反反濾基本要求：：透水性大于于被保護土土，能通暢暢的排除滲滲透水流使被保護土土不發(fā)生滲滲透變形不致被細粒粒土淤塞失失效在防滲體出出現(xiàn)裂縫情情況下，土土顆粒不會會被帶出反反濾層，能能使裂縫自自行愈合反濾層的設(shè)設(shè)計：反濾料一般般采用比較較均勻的抗抗風(fēng)化砂、、礫卵石或或碎石。反反濾層的級級配和層數(shù)數(shù)通過計算比較確定定。一般要要求反濾料料的不均勻勻系數(shù)<5~8；相鄰兩層層間系數(shù)應(yīng)應(yīng)滿足：式中，——反濾料的粒粒徑小于該該粒徑的土土占總土重重的15％；——被保護土的的粒徑，小于于該粒徑的的土占總土土重的85％；——被保護土的的粒徑小于于該粒徑的的占總土重重的15％。對于被保護護土的第一一層反濾料料，建議：：第五節(jié)土土石壩的穩(wěn)穩(wěn)定分析一目的的分析壩體及及壩基在不不同工況下下可能的失失穩(wěn)型式，，驗算其穩(wěn)穩(wěn)定性，定定出經(jīng)濟剖剖面。二可能能失穩(wěn)型式式土體抗剪強強度不足——滑動壩基內(nèi)有軟軟弱夾層——塑性流動飽和細沙受受地震荷載載作用——液化三滑動動面型式曲面——粘土坡折線——非粘性土坡坡復(fù)式——厚心墻壩或或壩基內(nèi)存存在軟弱夾夾層四荷載1.壩體自重土石壩的主主要荷載，，應(yīng)根據(jù)其其位于水上上、水下情情況分別選選取濕容重重、浮容重重計算2.孔隙水壓力力機理土體可壓縮縮，水不可可壓縮，且且不能傳遞遞剪力，當(dāng)當(dāng)土體孔隙隙被飽和后后，其上所所加荷載將將全部由水水承擔(dān)，在在孔隙水因因受壓而排排出時逐漸漸轉(zhuǎn)移到土土體骨架上上。土體骨骨架承擔(dān)的的有效應(yīng)力力與孔隙水水壓力之和和為總壓力力需考慮工況況（對粘性土土）施工期期、庫水位位驟降時、、地震時考慮方法總應(yīng)力法與與有效應(yīng)力力法3.地震荷載地震慣性力力按擬靜力力法計算，，沿壩高作作用于質(zhì)點點i處的水平向向地震慣性性力PI為：式中：——水平向地震震系數(shù)，與與地震烈度度有關(guān)；——綜合影響系系數(shù)，常取取0.25；——地震加速度度分布系數(shù)數(shù)；——集中在i質(zhì)點的質(zhì)量量豎向地震力力也按水平平向地震慣慣性力公式式計算，其其中對設(shè)計烈度度是8、9度的Ⅰ、Ⅱ級壩，應(yīng)同同時考慮水水平向和豎豎向地震慣慣性力，此此時豎向地地震慣性力還應(yīng)應(yīng)乘以0.5的遇合系數(shù)數(shù)。五計算算工況水庫正常蓄蓄水位下下游坡坡正常運用時時水水位降落上上游坡最不利水位位時上上游坡水位驟降上上游坡坡非常運用時時施施工期上上下游坡校核水位下下游坡地震時上、、下游坡六抗滑滑穩(wěn)定分析析方法土石壩的壩壩坡穩(wěn)定分分析常采用用極限平衡理理論。依據(jù)不同同的滑坡形形式，分為為圓弧滑動動法、折線滑滑動法和復(fù)復(fù)式滑動法法。1.圓弧滑動法法（1）瑞典條分分法適用范圍：均質(zhì)壩、厚厚心墻和厚厚斜墻壩的可能滑動動面都近似似圓弧原理：假定壩體體或壩基有有一系列圓圓柱型破壞壞面，按平平面問題考考慮即為圓圓弧面。圓圓弧內(nèi)的土土體其繞圓圓心的抗滑滑力矩大于于滑動力矩矩則穩(wěn)定，，否則邊坡坡喪失穩(wěn)定定單個可能滑滑動體的方方法與步驟驟：首先確定壩壩體浸潤線線位置，在在不同區(qū)域域采用不同同的物理力力學(xué)性質(zhì)指指標(biāo)。壩體體浸潤線以上上采用濕容重。對浸潤線以下下的壩體，計計算滑動力矩時用飽和容重，計算抗滑力矩時則用浮容重。將圓弧內(nèi)土土體分成若若干條，為為方便計算算，土體寬寬度b取為半徑R的份數(shù)，即即b＝R/m，m常用10～20。以i土條為例，，其自重，，在在滑弧上上可分解為為切向分力力和法向力。。忽略條條塊剪相互互作用力，，邊坡的穩(wěn)穩(wěn)定安全系系數(shù)為：即：壩坡穩(wěn)定計計算示意圖圖土條編號方方法是以圓圓心正下方方的一條為為i＝0，并依次向向上游i＝1，2，3……，向下游為為i＝－1，－2，－3，……于是有：因此：對于高壩，，用有效應(yīng)應(yīng)力法更符符合實際，，采用有效效應(yīng)力指標(biāo)標(biāo)，，壩壩坡安全系系數(shù)如下：：×最危險滑弧弧位置的確確定：按照照一定方式式，取一系系列的滑動動面驗算，，即可求出出最小安全全系數(shù)，相應(yīng)應(yīng)的滑動面面即為最危危險或具有有最小安全全系數(shù)的滑滑動面（2）畢肖普法法畢肖普法考考慮了土條條兩側(cè)的作作用力條塊間作用用力為任意意向的滑弧弧數(shù)值分析析（a）滑動土塊塊；（b）條塊的力力平衡圖設(shè)ABCD為一末浸水水的圓弧滑滑動面。假假定條塊兩兩側(cè)的作用用力為，G為條塊重量量；N為條塊底面面上的法向向力；為為條條塊底面的的有效法向向力；u為條塊底面面的孔隙水壓力力；S為條塊底面面上有效剪剪力；為為土體體的有效抗抗剪強度指指標(biāo)?；瑒用鍮C上產(chǎn)生的剪剪力為：根據(jù)滑動平平衡條件：：則：（*)根據(jù)（b）一個條塊塊的力平衡衡圖，求得得N、ul，代入式式（*)，化簡得：：（1）式中是是未知知量，需先先按試算法法求出：土條間的的Xn、Vn為內(nèi)力，，其平衡衡方程為為：（2）條塊的力力平衡圖圖（b）為：（3）計算時先先假定各各土條間間的，，檢檢查是否否滿足（（2）、（3），若滿滿足則用用（1）計算安全全系數(shù)Kc2.折線滑動動法（1）非粘粘性土坡坡計算非粘性土土壩坡的的滑動面面近似折折線，折折點高程程常在水水位附近近滑動面上上的抗剪剪強度利利用充分分程度應(yīng)應(yīng)該是一一樣的。。其安全全系數(shù)的的表達方方式為：式中Kc即為安全全系數(shù)，，為為試驗得得到的抗抗剪強度度指標(biāo)。。計算中把把滑動土土體ABCEA分成兩個個滑塊，，滑塊間間的滑面面為BD，與鉛直直線成角角。在該面上上，土塊塊間相互互作用力力與BD面法線成成摩擦角角。。計算算時假設(shè)設(shè)不同的的安全系系數(shù)Kc，從滑塊塊BCED的平衡條條件中求求出P，然后將將其作用用在ABD上，看他他是否與與G2、R2等平衡；如如不平衡衡則重新新假定安安全系數(shù)數(shù)，重復(fù)復(fù)上述步步驟，直直到平衡衡為止，，此時的的Kc即為該滑動面的的安全系系數(shù)非粘性土土坡穩(wěn)定定計算圖圖從滑動土土體BCED平衡可得得：（4）從滑動土土體ABD平衡可得得（5）聯(lián)立（4）（5）可得：：（6）在上述計計算中，，都都是是任意假假定的。。最危險險水位及及其滑動動面位置置及相應(yīng)應(yīng)的安全全系數(shù)，，需通過過試算才才能決定定。（2）斜墻及及其保護護層的計計算斜墻和保保護層及及斜墻與與壩體，，由兩種種不同的的土料填填筑，在在接觸面面處往往強度度較低，，保護層層或連同同斜墻可可能沿這這類接觸觸面產(chǎn)生生滑動。。斜墻連同同保護層層一起滑滑動的穩(wěn)穩(wěn)定計算算斜墻連同同保護層層的穩(wěn)定定計算，，一般呈