土石壩設(shè)計-土石壩滲流分析

均質(zhì)壩滲流計算

六六莊水庫為V等，水庫設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇設(shè)計，200年一遇校核。校核洪水位210.50m，設(shè)計洪水位208.5m，興利水位207.50m；死水位199.5m。（河谷處壩基面高程為197.61m。根據(jù)地質(zhì)勘測成果可知：193.00m以下為巖石地基。）該大壩上游壩坡為1：2.0,下游壩坡為1：2.0，壩頂寬3.0m，最大壩高13.5m。問題：利用水力學(xué)法繪制浸潤線、計算滲流量

一、工程案例不透水地基上矩形土體的滲流，如圖所示。不透水地基上矩形土體的滲流計算v=KJ注：滲流流量是連續(xù)的，q與x的位置無關(guān)浸潤線：

根據(jù)達西定律，滲流流速等于滲透系數(shù)乘以水力坡降①②③④⑤⑥二、滲流基本公式1.求解a0，q

根據(jù)水流連續(xù)條件2.浸潤線方程及繪制備注：A點浸潤線與壩面垂直，A’點與浸潤線相切B’點浸潤線與下游壩面相切。則三、不透水地基上均質(zhì)壩，無排水設(shè)備四、有限深透水地基上均質(zhì)壩的滲流計算先假定地基不透水，按上述方法確定壩體的滲流量q1和浸潤線；然后再假定壩體不透水，計算壩基的滲流量q2；最后將q1和q2相加，即可近似地得到壩體和壩基的滲流量。五、案例訓(xùn)練六六莊水庫為V等，水庫設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇設(shè)計，200年一遇校核。校核洪水位210.50m，設(shè)計洪水位208.5m，興利水位207.50m；死水位199.5m。（河谷處壩基面高程為197.61m。根據(jù)地質(zhì)勘測成果可知：193.00m以下為巖石地基。）該大壩上游壩坡為1：2.0,下游壩坡為1：2.0，壩頂寬3.0m，最大壩高13.5m。六六莊水庫大壩剖面圖如下利用水力學(xué)法進行滲流分析？大壩滲流計算主要取以下兩種情況：工況I：正常工作條件，正常蓄水位207.50m穩(wěn)定滲流計算。工況II：非常工作條件，校核洪水位210.41m驟降至正常蓄水位207.50m時非穩(wěn)定滲流計算。大壩滲流計算成果表答案六、作業(yè)

某不透水地基上均質(zhì)壩(1)壩坡:壩高約30m，故采用三級變坡。①上游壩坡：1:3.0;1:3.25;1:3.5。②

下游壩坡：1:2.5;1:2.75;1:3.0。③

馬道：第一級馬道高程為343m，第二級馬道高程為353m。(2)壩頂寬度取B=6m。(3)壩頂高程:365.20m。在繪制的典型斷面圖上完成以下任務(wù):1用水力學(xué)計算滲流單寬流量，繪制壩體內(nèi)浸潤線。

水工建筑物項目化實訓(xùn)

土石壩滲流計算天生橋一級水利樞紐魯布革水電站小浪底水利樞紐陸渾水庫水布埡水電站西霞院反調(diào)節(jié)水庫1.滲流分析的目的與方法2.滲流分析的水力學(xué)法3.穩(wěn)定分析方法4.滲透變形及其防止任務(wù)3教學(xué)任務(wù)5.案例訓(xùn)練6.綜合訓(xùn)練任務(wù)3土石壩滲流分析小浪底大壩為壤土斜心墻堆石壩，最大壩高154m，壩頂長度1667m，壩頂寬15m，最大壩底寬度864m。由工程案例引導(dǎo)本節(jié)課內(nèi)容由上節(jié)課得到六六莊水庫大壩剖面圖如下：提問：這樣的尺寸是否合適？安全與經(jīng)濟

六六莊水庫為V等，水庫設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇設(shè)計，200年一遇校核。校核洪水位210.50m，設(shè)計洪水位208.5m，興利水位207.50m；死水位199.5m。（河谷處壩基面高程為197.61m。根據(jù)地質(zhì)勘測成果可知：193.00m以下為巖石地基。）該大壩上游壩坡為1：2.0,下游壩坡為1：2.0，壩頂寬3.0m，最大壩高13.5m。任務(wù)（一）利用水力學(xué)法進行滲流分析？（二）繪制壩體滲流流網(wǎng)圖（三）如果產(chǎn)生滲流變形，可能產(chǎn)生哪一類？工程案例：一、滲流分析的目的和方法（一）滲流分析的目的1.確定壩體浸潤線的位置，繪制浸潤線；2.確定壩體與壩基的滲流量（Q）；3.確定壩坡的滲透坡降及出逸坡降(J)。解析法流體力學(xué)法（理論性強，但對復(fù)雜邊界適應(yīng)差）水力學(xué)法（計算簡單，精度差，但能滿足工程要求、常用方法）手繪流網(wǎng)法簡單易行，可求個點滲流要素，要求土石壩滲透系數(shù)均勻，只適應(yīng)于均質(zhì)壩。流網(wǎng)法有限元法，適應(yīng)強，計算過程復(fù)雜數(shù)值法(二)滲流分析的方法1.▽正與▽下min；2.▽設(shè)與▽下max；3.▽校與▽下max；4.反滲問題。二、滲流分析的水力學(xué)法基本假定：1.流場中各點各向同性。不同點，不同方向k值相同；2.近似層流、漸變流，滿足達棲定律v=kj；3.滿足杜平假設(shè)。計算工況：這3種情況上游水位高，滲透壓力指向下游，對下游邊坡穩(wěn)定不利。第4種情況，對上游坡穩(wěn)定不利。（一）滲流基本公式不透水地基上矩形土體的滲流，如圖4-5所示。圖4-5不透水地基上矩形土體的滲流計算v=KJ注：滲流流量是連續(xù)的，q與x的位置無關(guān)浸潤線：

浸潤線方程推導(dǎo)過程如下：①②③④⑤⑥（二）不透水地基上均質(zhì)土石壩的滲流計算以下游無排水設(shè)備或有貼坡排水的均質(zhì)壩情況為例計算時將土壩剖面分為上游楔形體、中間段和下游楔形體三段。上游段:△AFM

矩形壩身段:下游段:1.簡化簡化壩身段:下游段:B"B'N2.通過壩身段的滲流量為：介紹計算方法。3.通過下游楔形體滲流量為：（1）通過楔形體上部滲流量為：（2）通過楔形體下部滲流量為：（3）通過楔形體總滲流量為：4.求解a0，q

根據(jù)水流連續(xù)條件5.浸潤線方程及繪制備注：A點浸潤線與壩面垂直，A’點與浸潤線相切B’點浸潤線與下游壩面相切。則，

a0

，q

Y6.歸納總結(jié)：（2）聯(lián)立方程:（3）注意：1）當(dāng)下游無水時；2）當(dāng)下游設(shè)貼坡排水時，結(jié)論同上；（1）已知（H1、H2、m1、m2、K）3）浸潤線與入滲面正交，與出逸面相交。（三）有限深透水地基上土石壩的滲流計算1.均質(zhì)土壩先假定地基不透水，按上述方法確定壩體的滲流量q1和浸潤線；然后再假定壩體不透水，計算壩基的滲流量q2；最后將q1和q2相加，即可近似地得到壩體和壩基的滲流量。2.心墻土石壩墻土料的滲透系數(shù)常比壩殼土料的小得多，故可近似地認為上游壩殼中無水頭損失，心墻前的水位仍為水庫的水位。計算時一般分為心墻與截水墻段、下游壩殼與壩基段分別計算滲流量。由于心墻后浸潤線的位置較低,可近似地取浸潤線末端與堆石棱體的上游端相交。利用滲流的連續(xù)性，聯(lián)立求得q和h。壩基類型壩型計算簡圖計算公式浸潤線方程q不透水地基均質(zhì)壩帶排水棱體帶褥墊排水心墻壩表4-6各種不同類型地基土壩滲流計算公式壩基類型壩型計算簡圖計算公式浸潤線方程q不透水地基斜墻壩透水地基均質(zhì)壩心墻壩續(xù)表4-6圖4-7總滲流量計算示意圖(四)滲流總量計算計算總流量時，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若干段，如圖4-7所示：分段求和法：1.分段、求各斷面的qi；2.各段滲流量平均化：3.求總的Q：三、滲流分析的手繪流網(wǎng)法（一）流網(wǎng)的特性1.基本概念在穩(wěn)定滲流的層流中，水質(zhì)點的運動軌跡即為流線；各條流線上測壓管水頭相同點的連線稱為等水位線或等勢線；流線與等勢線組成的網(wǎng)狀圖形叫做流網(wǎng)。在滲流場中，水質(zhì)點的運動軌跡即為跡線；在滲流場中，t時刻空間曲線上任意一點的切線與質(zhì)點該時刻流速方向相同，則這條空間曲線即為t時刻跡線；2.流網(wǎng)特性（1）連續(xù)性：流線和等勢線都是圓滑的曲線。（2）正交性：流線和等勢線是互相的，即在相交點，二曲線的切線互相垂直。（3）曲線正方形：各相鄰等勢線間的水頭差相等。（二）流網(wǎng)的繪制以不透水地基上的均質(zhì)壩為例說明手繪流網(wǎng)的方法。繪制流網(wǎng)步驟：（1）確定滲流區(qū)的邊界；等勢線：AF和DE，流線：AC及FE。

下游坡出逸段CD既不是等勢線，也不是流線，所以流線與等勢線均不與它垂直正交，但其上各點反映了該處逸出滲流的水面高度。（2）等分水頭差：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

）

（3）引水平線與浸潤線相交.

從交點處按照等勢線與流線正交的原則繪制等勢線，形成流網(wǎng)。（4）不斷修改流線（包括初擬浸潤線）與等勢線，直至使它們構(gòu)成的網(wǎng)格符合要求，成為扭曲正方形。平均滲透流速為：（三）流網(wǎng)的應(yīng)用（1）滲透坡降與滲透流速在圖4-8中任取一網(wǎng)格i，兩等勢線相距為ΔLi，兩流線間相距為ΔMi,水頭差為，則該網(wǎng)格的平均滲透坡降為：如果網(wǎng)格是扭曲正方形（）如整個流網(wǎng)分成m個流帶（圖中分為3個），則單寬總滲透（2）滲流量單寬滲流量q為所有流帶流量的總和。流量為：判斷哪些部位容易發(fā)生滲透破壞？四、土石壩的滲透變形及其防止措施土石壩及地基中的滲流，由于機械或化學(xué)作用，可能使土體產(chǎn)生局部破壞，稱為滲透變形。嚴(yán)重時會導(dǎo)致工程失事。管涌

流土接觸沖刷接觸流土和接觸管涌四、土石壩的滲透變形及其防止措施1.管涌

在滲流作用下，壩體或壩基中的細小顆粒被滲流帶走逐步形成滲流通道的現(xiàn)象稱為管涌。2.流土在滲流作用下，成塊土體被掀起浮動的現(xiàn)象稱為流土。3.接觸沖刷滲流沿兩種不同土壤的接觸面流動時，把其中細顆粒帶走的現(xiàn)象，稱為接觸沖刷。4.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時，可能把其中一層的細顆粒帶到另一層的粗顆粒中去，稱為接觸管涌。（二）滲透變形型式的判別砂性土，易發(fā)生管涌；

d≦2mm細顆粒粘性土，易發(fā)生流土；

可能發(fā)生管涌、流土。Pz—粒徑等于或小于2mm的細顆粒臨界含量（%）；—修正系數(shù)，取0.95～1.0；n—土壤孔隙率。m—滲透坡降安全系數(shù)，一般為2-3。當(dāng)可能發(fā)生管涌，此外[J]值還可參照不均勻系數(shù)：（三）滲透變形的臨界坡降當(dāng)可能發(fā)生流土，式中G—土粒比重；i

—土的孔隙率；m—粘性土取1.5，非粘性土取2.0-2.5。2.流土的臨界坡降

（四）防止?jié)B透變形的工程措施

土體發(fā)生滲透變形的主要原因：滲透坡降、土的顆粒組成和孔隙率等。

防止?jié)B透變形方案：降低滲透坡降和增加滲流出口處土體抵抗?jié)B透變形的能力。

常采用的工程措施有：全面截阻滲流、延長滲徑、設(shè)置排水設(shè)施、反濾層或排滲減壓井等。

設(shè)置反濾層是提高抗?jié)B破壞能力、防止各類滲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)施處一般都要設(shè)置反濾層。圖4-10反濾層的布置示意圖1.反濾層的結(jié)構(gòu)反濾層一般是由２～３層不同粒徑的非粘性土、砂和砂礫石組成的。層次排列應(yīng)盡量與滲流的方向垂直，各層次的粒徑則按滲流方向逐層增加。２.反濾層的材料（1）被保護土壤的顆粒不得穿過反濾層。（2）各層的顆粒不得發(fā)生移動。（3）相臨兩層間，較小的一層顆粒不得穿過較粗一層的孔隙。（4）反濾層不能被堵塞，而且應(yīng)具有足夠的透水性，以保證排水暢通。五、案例訓(xùn)練六六莊水庫為V等，水庫設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇設(shè)計，200年一遇校核。校核洪水位210.50m，設(shè)計洪水位208.5m，興利水