土石壩第2部分

1、4-1一、土石壩滲流分析的目的（任務(wù)）：一、土石壩滲流分析的目的（任務(wù)）：1、確定壩體浸潤線及其下游逸出點的位置，、確定壩體浸潤線及其下游逸出點的位置，繪制壩體和壩基內(nèi)的流網(wǎng)圖，為穩(wěn)定分析、應(yīng)繪制壩體和壩基內(nèi)的流網(wǎng)圖，為穩(wěn)定分析、應(yīng)力應(yīng)變分析及排水設(shè)備選擇提供依據(jù)；力應(yīng)變分析及排水設(shè)備選擇提供依據(jù)；2、確定壩體與地基滲流量，以便估計水庫滲、確定壩體與地基滲流量，以便估計水庫滲漏損失并校核壩的排水尺寸；漏損失并校核壩的排水尺寸；3、確定滲在下游壩坡或地基出逸處的滲透坡、確定滲在下游壩坡或地基出逸處的滲透坡降以及滲流場內(nèi)不同土層之間的滲透坡降，以降以及滲流場內(nèi)不同土層之間的滲透坡降，以便驗算抗?jié)B穩(wěn)

2、定性；便驗算抗?jié)B穩(wěn)定性；4、確定庫水位驟降時上游壩殼內(nèi)自由水面位、確定庫水位驟降時上游壩殼內(nèi)自由水面位置，以便計算孔隙水壓力，供上游壩坡穩(wěn)定分置，以便計算孔隙水壓力，供上游壩坡穩(wěn)定分析用。析用。第四節(jié)第四節(jié) 滲流分析滲流分析4-2二、土石壩滲流計算的方法：二、土石壩滲流計算的方法：流網(wǎng)法；流網(wǎng)法；有限單元法；有限單元法；電擬試驗法：電擬試驗法：用電流場模擬滲流場，通過試驗測定滲用電流場模擬滲流場，通過試驗測定滲流流網(wǎng)。流流網(wǎng)。水力學(xué)方法：水力學(xué)方法： 在平面滲流條件下的一種近似方法，它用達(dá)在平面滲流條件下的一種近似方法，它用達(dá)西定律，并假定沿任一鉛直過水?dāng)嗝鎯?nèi)各點西定律，并假定沿任一鉛直過水?dāng)?/p>

3、面內(nèi)各點的滲透坡降相等。的滲透坡降相等。4-3不透水地基上矩形土體滲流問題的水力學(xué)不透水地基上矩形土體滲流問題的水力學(xué)解：解：假設(shè)滲流緩慢，沿任一鉛直過水?dāng)嗝鎯?nèi)各點的滲假設(shè)滲流緩慢，沿任一鉛直過水?dāng)嗝鎯?nèi)各點的滲透坡降透坡降J相等相等，k為滲流系數(shù)，則dxdyJLH1H2Oxyyi=04-4不透水地基上矩形土體滲流問題的水力學(xué)解：不透水地基上矩形土體滲流問題的水力學(xué)解：由達(dá)西定理得 （1） dxdykvydxdykyvqLkqHH22221LHHkq2)(2221xkqyH2221移項后得單寬流量表達(dá)式將（1）式從上游面（x=0，y=H1）到下游面（x=x，y=y）積分得浸潤線方程將（1）式從上

4、游面（x=0，y=H1）到下游面（x=L，y=H2）積分得：4-5（一）不透水地基上土石壩的滲流計算（一）不透水地基上土石壩的滲流計算簡化為平面問題分若干區(qū)，對每個區(qū)按連簡化為平面問題分若干區(qū)，對每個區(qū)按連續(xù)條件求解。續(xù)條件求解。均質(zhì)壩均質(zhì)壩(1)下游無排水或設(shè)貼坡排水；下游無排水或設(shè)貼坡排水；(2)下游設(shè)有褥墊排水的情況或下游設(shè)有棱體下游設(shè)有褥墊排水的情況或下游設(shè)有棱體排水且下游無水的情況；排水且下游無水的情況；(3)下游設(shè)有棱體排水且下游有水的情況。下游設(shè)有棱體排水且下游有水的情況。心墻壩心墻壩斜墻壩斜墻壩4-6 (1) (1)均質(zhì)壩下游無排水或設(shè)貼坡排水均質(zhì)壩下游無排水或設(shè)貼坡排水情況：

5、情況：不透水地基上不設(shè)排水或有貼坡排水的均質(zhì)壩OxyMAEAH1bHnBBNF1:m11:m2Lt0LLBC4-7計算時將土壩斷面分為三段：上游三角形段計算時將土壩斷面分為三段：上游三角形段AFM（用高為（用高為H1，寬為，寬為L的矩形的矩形EOFA代替）、代替）、中間段中間段AFBB、下游三角形段、下游三角形段BBN，對每個，對每個區(qū)按連續(xù)條件求解。區(qū)按連續(xù)條件求解。將上游矩形將上游矩形EOFA和中間段和中間段AFBB合成一段合成一段EOBB，利用和矩形土體類似的方法（從，利用和矩形土體類似的方法（從（x=0,y=H1）到）到(x=L,y=a0+t)）積分，可得通過）積分，可得通過該區(qū)的滲流

6、量：該區(qū)的滲流量： (1)LtaHkq2)20211（)2/()(1221qyHkx浸潤線方程為浸潤線方程為 (2)4-8下游三角形段下游三角形段BBN屬急變流，以下游水面為準(zhǔn)屬急變流，以下游水面為準(zhǔn)作水平線，將其分為三角形作水平線，將其分為三角形BBC和梯形和梯形BNBC兩部分，將流線近似視為水平線，按漸變滲流兩部分，將流線近似視為水平線，按漸變滲流可得其單寬流量可得其單寬流量 (3)根據(jù)滲流連續(xù)性條件：根據(jù)滲流連續(xù)性條件：q=q1=q2，聯(lián)立求解式，聯(lián)立求解式(1)和和(3)，可求得，可求得a0及及q ，將，將q代入式（代入式（3）則可得浸）則可得浸潤線方程并繪制浸潤線。潤線方程并繪制浸潤

7、線。上游段上游段EA是不符合實際情況的應(yīng)加以適當(dāng)修正，是不符合實際情況的應(yīng)加以適當(dāng)修正，使浸潤線上端在使浸潤線上端在A處與壩面正交，在處與壩面正交，在A點與浸潤點與浸潤線相切，線相切，AAB曲線即為壩體浸潤線。曲線即為壩體浸潤線。 )ln1 (00202atamkaq4-9( (一一) )不透水地基上土石壩的滲流計算不透水地基上土石壩的滲流計算: :1(2)1(2)均質(zhì)壩均質(zhì)壩下游設(shè)有褥墊排水的情況或下下游設(shè)有褥墊排水的情況或下游設(shè)有棱體排水且下游無水的情況游設(shè)有棱體排水且下游無水的情況:不透水地基上設(shè)褥墊排水或棱體排水且下游無水的均質(zhì)壩OxyMAEAH1bF1:m11:m2LCDBLl l1

8、=he/24-10計算時將浸潤線近似看作是以排水起點計算時將浸潤線近似看作是以排水起點D為焦點且通過為焦點且通過E點的拋物線；由于排水設(shè)點的拋物線；由于排水設(shè)施中滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于壩體滲透系數(shù)，可施中滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于壩體滲透系數(shù)，可認(rèn)為排水體內(nèi)無滲流水頭損失。認(rèn)為排水體內(nèi)無滲流水頭損失。設(shè)設(shè)C點的坐標(biāo)為（點的坐標(biāo)為（L+he/2,0）,利用拋物線利用拋物線上各點到焦點上各點到焦點D（L，0）的距離與到準(zhǔn)）的距離與到準(zhǔn)線（線（x=L+ he/2+ he/2）的距離相等的原）的距離相等的原則，可得浸潤線方程（則，可得浸潤線方程（1） (1)xhhyLee2224-11(2)(2)均質(zhì)壩均質(zhì)壩下游設(shè)有褥墊

9、排水的情況或下游設(shè)下游設(shè)有褥墊排水的情況或下游設(shè)有棱體排水且下游無水的情況有棱體排水且下游無水的情況:由于浸潤線過由于浸潤線過E點（點（0，H1），代入式（），代入式（1）可得）可得he：LHLhe212LhHkqe2)(221xkqyH2221上游段應(yīng)加以適當(dāng)修正（同無排水情況）。上游段應(yīng)加以適當(dāng)修正（同無排水情況）。將將B點坐標(biāo)點坐標(biāo)(L ,he )代入式代入式 可得可得EODBA段的單寬流量段的單寬流量q：4-12 (3)下游設(shè)有棱體排水且下游有水的情況。下游設(shè)有棱體排水且下游有水的情況。不透水地基上設(shè)棱體排水且下游有水的均質(zhì)壩OxyAEAH1DF1:m11:m2LtBCH1-tLl l

10、1=he/2he4-13計算時將下游水面以上部分按照無水情況計算時將下游水面以上部分按照無水情況處理，浸潤線近似看作是以排水上游坡與處理，浸潤線近似看作是以排水上游坡與在下游水面的交點為焦點在下游水面的交點為焦點D（L，t）且通）且通過過E點的拋物線。點的拋物線。 可得浸潤線方程為：可得浸潤線方程為： (1) (2)xhhtyLee2)(22LtHLhe212)(xkqyH2221LthHkqe2)(221由于浸潤線過由于浸潤線過E點點(0，H1)，代入，代入(1)式可得：式可得：將將B點坐標(biāo)點坐標(biāo)(L ,t+he )代入式代入式 可得可得EODBA段的單寬流量段的單寬流量q：4-14 2 2

11、、心墻壩心墻壩不透水地基上心墻壩OxyH1D1:m11:m2A21thL4-15計算時忽略上游壩殼段的水頭損失，并計算時忽略上游壩殼段的水頭損失，并將心墻簡化為等厚的矩形斷面，下游壩將心墻簡化為等厚的矩形斷面，下游壩殼段與均質(zhì)壩同樣處理。殼段與均質(zhì)壩同樣處理。心墻簡化為矩形，心墻段的單寬滲流量心墻簡化為矩形，心墻段的單寬滲流量為：為： (1) (2)Lthkq2/222）（)2/()(2211hHkqc假定下游壩殼逸出點位于下游水位與假定下游壩殼逸出點位于下游水位與堆石內(nèi)坡的交點堆石內(nèi)坡的交點A，則壩殼內(nèi)單寬流量，則壩殼內(nèi)單寬流量表達(dá)式為：表達(dá)式為：4-16由由 q1=q2，聯(lián)立方程（，聯(lián)立方

12、程（1）和（）和（2），），可求出可求出q和和h。下游壩殼的浸潤線方程為：下游壩殼的浸潤線方程為： )2/(22qyhkx）（4-173 3、斜墻壩、斜墻壩不透水地基上斜墻壩OxyEH11:m1:m2tLhBDAz04-18計算時忽略上游壩殼段的水頭損失，計算時忽略上游壩殼段的水頭損失，分兩段計算，即斜墻段及斜墻后的壩分兩段計算，即斜墻段及斜墻后的壩殼段并將斜墻簡化為等厚的斜墻，下殼段并將斜墻簡化為等厚的斜墻，下游壩殼段與心墻壩同樣處理。游壩殼段與心墻壩同樣處理。)sin2/()(2211hHkqcLthkq2/222）（)2/(22qyhkx）（斜墻段的單寬滲流量簡化為斜墻段的單寬滲流量簡化

13、為： 由滲流連續(xù)原則由滲流連續(xù)原則 q1=q2，聯(lián)立求解以上兩方程得出聯(lián)立求解以上兩方程得出q和和h，并可以得到下游壩殼內(nèi)的浸潤線方程：，并可以得到下游壩殼內(nèi)的浸潤線方程：4-19注意：在注意：在h 以上的斜墻部分的滲流在下以上的斜墻部分的滲流在下游壩體以非飽和狀態(tài)垂直下落并匯入下游壩體以非飽和狀態(tài)垂直下落并匯入下游壩殼的滲水，以上計算中計算斜墻段游壩殼的滲水，以上計算中計算斜墻段的單寬滲流量和斜墻后壩殼內(nèi)的單寬滲的單寬滲流量和斜墻后壩殼內(nèi)的單寬滲流量時均未考慮這部分滲水。流量時均未考慮這部分滲水。 4-20( (二二) )有透水地基土壩的滲流計算有透水地基土壩的滲流計算為簡化計算，壩體內(nèi)滲流

14、仍可用上述為簡化計算，壩體內(nèi)滲流仍可用上述不透水地基上土石壩的滲流計算方法不透水地基上土石壩的滲流計算方法確定滲流量及浸潤線，壩基滲流則按確定滲流量及浸潤線，壩基滲流則按有壓滲流計算。壩體滲流量與壩基滲有壓滲流計算。壩體滲流量與壩基滲流量之和即為總滲流量。流量之和即為總滲流量。4-211、均質(zhì)壩、均質(zhì)壩假設(shè)壩體的單寬流量為假設(shè)壩體的單寬流量為q1，壩基的滲，壩基的滲透系數(shù)為透系數(shù)為kT，透水地基深度為，透水地基深度為T，單寬，單寬流量為流量為q，上下游水頭分別為，上下游水頭分別為H1和和t。H1TL0t4-22由達(dá)西定理可得地基內(nèi)單寬流量由達(dá)西定理可得地基內(nèi)單寬流量q：dxdykTTvq Lt

15、HTkqT)(1將上式從上游面（將上式從上游面（x=0，勢，勢y=H1）到）到下游面（下游面（x=L，勢，勢y=t）積分得：）積分得： 4-23L L實際上是指流線長度，所以考慮進(jìn)實際上是指流線長度，所以考慮進(jìn)出口流線彎曲的影響及滲流區(qū)的幾何出口流線彎曲的影響及滲流區(qū)的幾何形狀，形狀，L L可表示為可表示為L= LL= L0 0+0.88T+0.88T，式中式中0.88T0.88T為考慮進(jìn)出口流線彎曲的影響為考慮進(jìn)出口流線彎曲的影響的修正系數(shù)。的修正系數(shù)。則通過壩體與壩基的總單寬流量為：則通過壩體與壩基的總單寬流量為： TLtHTkqqqqT88. 0)(01114-242、心墻壩、心墻壩(1

16、)地基上有混凝土防滲墻的心墻壩地基上有混凝土防滲墻的心墻壩H1TL1L2ht通過防滲心墻后的壩殼和地基防滲墻后通過防滲心墻后的壩殼和地基防滲墻后的地基的滲流量為的地基的滲流量為: 4-25(1)地基上有混凝土防滲墻的心墻壩地基上有混凝土防滲墻的心墻壩設(shè)心墻、砼防滲墻、下游壩殼、透水地設(shè)心墻、砼防滲墻、下游壩殼、透水地基的滲透系數(shù)分別為基的滲透系數(shù)分別為kc、kD、k、kT 。 通過防滲心墻和地基砼防滲墻的滲流量通過防滲心墻和地基砼防滲墻的滲流量為：為： DThHkhHkqDc)(2(1)2211TLTthkLthkqTc44. 0)(2(21)222由由q=q1=q2，聯(lián)立求解式，聯(lián)立求解式(

17、1)和和(2)即可得即可得q和和h 。 4-26(2)地基上有截水槽的心墻壩，截水墻與地基上有截水槽的心墻壩，截水墻與心墻材料相同心墻材料相同 。通過防滲心墻和地基截水墻的滲流量為：通過防滲心墻和地基截水墻的滲流量為： 2)()(2211ThTHkqc通過防滲心墻后的壩殼和地基截水墻后通過防滲心墻后的壩殼和地基截水墻后的地基的滲流量與地基中有混凝土防滲墻的地基的滲流量與地基中有混凝土防滲墻的心墻壩相同。的心墻壩相同。4-27三、土石壩的抗?jié)B穩(wěn)定驗算三、土石壩的抗?jié)B穩(wěn)定驗算1、滲透變形的形式及其判別、滲透變形的形式及其判別* *滲透變形：土石壩及其地基在滲流的物滲透變形：土石壩及其地基在滲流的物

18、理作用和化學(xué)作用下發(fā)生土體顆粒流失理作用和化學(xué)作用下發(fā)生土體顆粒流失的局部破壞現(xiàn)象稱滲透變形。的局部破壞現(xiàn)象稱滲透變形。管涌：滲流作用下不均勻無粘性土中管涌：滲流作用下不均勻無粘性土中細(xì)顆粒從孔隙通道中的連續(xù)移動和帶出。細(xì)顆粒從孔隙通道中的連續(xù)移動和帶出。管涌可能發(fā)生的部位：非粘性土的滲流管涌可能發(fā)生的部位：非粘性土的滲流逸出點和進(jìn)入排水處。逸出點和進(jìn)入排水處。管涌管涌判別：級配連續(xù)時不均勻系數(shù)判別：級配連續(xù)時不均勻系數(shù)2020，級配不連續(xù)時細(xì)粒含量小于級配不連續(xù)時細(xì)粒含量小于25%25%。4-28流土：滲流作用下，土體的同時浮起流土：滲流作用下，土體的同時浮起或流失?；蛄魇АＡ魍涟l(fā)生的部位：

19、多發(fā)生粘性土坡和顆流土發(fā)生的部位：多發(fā)生粘性土坡和顆粒較均勻的非粘性土坡中。粒較均勻的非粘性土坡中。判別：級配連續(xù)時不均勻系數(shù)判別：級配連續(xù)時不均勻系數(shù)103m/d），形），形成反向滲流成反向滲流驗算上游坡的穩(wěn)定驗算上游坡的穩(wěn)定 ；正常蓄水位正常蓄水位+地震地震驗算上、下游坡的穩(wěn)驗算上、下游坡的穩(wěn)定；定；校核洪水位時校核洪水位時驗算下游坡的穩(wěn)定驗算下游坡的穩(wěn)定 ；施工期考慮孔隙水壓力時施工期考慮孔隙水壓力時驗算上、下游驗算上、下游坡的穩(wěn)定坡的穩(wěn)定 。4-55三、穩(wěn)定分析的計算情況和安全系數(shù)三、穩(wěn)定分析的計算情況和安全系數(shù) ：2、安全系數(shù)：、安全系數(shù)：按按碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范

20、，對于均質(zhì)壩、，對于均質(zhì)壩、厚斜墻壩和厚心墻壩，可采用不計條塊間作厚斜墻壩和厚心墻壩，可采用不計條塊間作用力的瑞典圓弧法進(jìn)行穩(wěn)定分析；對于由薄用力的瑞典圓弧法進(jìn)行穩(wěn)定分析；對于由薄軟土夾層的情況，以及薄斜墻、薄心墻壩，軟土夾層的情況，以及薄斜墻、薄心墻壩，可采用滑楔法進(jìn)行穩(wěn)定分析。可采用滑楔法進(jìn)行穩(wěn)定分析。壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)，應(yīng)不小于規(guī)范規(guī)壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)，應(yīng)不小于規(guī)范規(guī)定的數(shù)值。定的數(shù)值。4-56四、土石壩抗剪強度指標(biāo)四、土石壩抗剪強度指標(biāo) ：確定抗剪強度指標(biāo)的方法有有效應(yīng)力法和確定抗剪強度指標(biāo)的方法有有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法兩種，規(guī)范規(guī)定對總應(yīng)力法兩種，規(guī)范規(guī)定對I、II級工程必級工

21、程必須兩者兼用，并以其中較小的安全因素作須兩者兼用，并以其中較小的安全因素作為依據(jù)。為依據(jù)。不同情況下土的抗剪強度應(yīng)按規(guī)范要求加不同情況下土的抗剪強度應(yīng)按規(guī)范要求加以選擇。以選擇。4-57四、土石壩抗剪強度指標(biāo)四、土石壩抗剪強度指標(biāo) ： 計算計算工況工況計算計算方法方法土的種類土的種類使用使用儀器儀器 試驗方法試驗方法 強度強度指標(biāo)指標(biāo) 試樣試樣起始起始狀態(tài)狀態(tài) 施施工工期期有有效效應(yīng)應(yīng)力力法法無粘性土無粘性土直剪儀直剪儀 慢剪慢剪C 填土填土用填用填筑含筑含水量水量和填和填筑密筑密度的度的土，土，地基地基用原用原狀土狀土 三軸儀三軸儀 排水剪排水剪 粘粘性性土土St80%直剪儀直剪儀 慢剪慢剪三軸儀三軸儀 固結(jié)不排固結(jié)不排水剪測孔水剪測孔隙壓力隙壓力 總應(yīng)力總應(yīng)力法法K10-7cm/s 直剪儀直剪儀 慢剪慢剪Cuu 任何滲透系數(shù)任何滲透系數(shù) 三軸儀三軸儀 排水剪排水剪 4-58四、土石壩抗剪強度指標(biāo)四、土石壩抗剪強度指標(biāo) ： 計算計算工況工況計算計算