水工建筑物基礎(chǔ)培訓(xùn)57頁

1、 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

2、析法：包括流體力學(xué)法和水力學(xué)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(yīng)的最低水位；上游設(shè)計洪水位與下游相應(yīng)的水位；上游校核洪水位與下游相應(yīng)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(xué)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

3、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(xué)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L: 上式根據(jù)流體力學(xué)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

4、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: qq1q2 聯(lián)立以上兩式，可求得a0和q。浸潤線方程可以用式(48）求得，求出后還應(yīng)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(xué)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

5、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

6、。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、總滲流量計算 將土石壩沿壩軸線分為若干段，然后分別計算選取斷面的單寬滲流量，再計算總滲流量。4.4.3 滲透變形及防止措施 一、滲透變形分類與特點 定義：土石壩及地基中的滲流，由于物理和化學(xué)作用，土體顆粒流失，導(dǎo)致土壤發(fā)生局部破壞，稱為滲透變形。 滲透變形及其發(fā)展過程與土料性質(zhì)、顆粒級配及水流條件、防滲、排水措施等因

7、素有關(guān)。 常見滲透變形的型式： 管涌、流土、接觸沖刷、剝離、化學(xué)管涌等。 (1)管涌：在一定滲流作用下，土體中的細顆粒沿骨架顆粒所形成的孔隙管道移動或被滲流帶走，發(fā)生于無粘性土中（沙礫料）。 (2)流土：指在滲流作用下，粘性土及均勻無粘性土體被浮動的現(xiàn)象。流土常見于下游逸出處。 (3)接觸沖刷：滲流沿著兩種不同介質(zhì)的接觸面流動時，把其中顆粒層的細粒帶走。 (4)接觸流土：滲流垂直于兩種不同介質(zhì)的接觸面流動時，把其中一層的細粒，移入到另一層中去。例如反濾層的淤塞。 (5)化學(xué)管涌：指土體中的鹽類被滲流水溶解帶走的現(xiàn)象。 二、非粘性土管涌與流土判別 產(chǎn)生管涌或流土的細顆粒臨界含量與孔隙關(guān)系： （1

8、）當土體細顆粒含量大于Pg時，可能產(chǎn)生流土。 （2）當土體細顆粒含量小于或等于Pg時，可能產(chǎn)生管涌。三、滲透變形的臨界坡降與允許坡降1.產(chǎn)生管涌的臨界坡降Jc與允許坡降 臨界坡降計算公式： 允許滲透坡降 計算公式： 2.產(chǎn)生流土的臨界坡降JB和允許坡降太沙基公式: 四、防止?jié)B透變形的工程措施措施 常用的工程措施:全面截阻滲流，延長滲徑；設(shè)置排水設(shè)施；設(shè)置反濾層；設(shè)排滲減壓井。 砂石反濾層的結(jié)構(gòu)、設(shè)計原則、材料。 土石壩在自重、水荷載、滲透壓力和地震荷載作用下，若剖面尺寸不當或壩體、壩基土料的抗剪強度不足，壩體或壩體連同部分地基發(fā)生滑動，造成失穩(wěn)。壩基內(nèi)有軟弱夾層時，也可能發(fā)生塑性流動。飽和細沙

9、受地震作用還可能發(fā)生液化失穩(wěn)。 分析目的： 分析壩體及壩基在各種不同條件下可能產(chǎn)生的失穩(wěn)形式，校驗其穩(wěn)定性，確定壩體經(jīng)濟剖面。 失穩(wěn)特點： 壩體由散粒材料組成，不會出現(xiàn)整體滑動或傾覆失穩(wěn)，只可能發(fā)生局部失穩(wěn)破壞。 4.5 土石壩的穩(wěn)定分析 4.5 .1 概述穩(wěn)定破壞形式滑動： 壩或壩基材料的抗剪強度不夠，沿某一滑動面向下坍滑。液化： 飽和的松砂受振動或剪切而發(fā)生體積收縮，孔隙水不能立即排出，有效應(yīng)力轉(zhuǎn)化為孔隙應(yīng)力，砂土抗剪強度降低，砂料隨水的流動而流散。 影響因素：有效粒徑小，孔隙比大，砂料均勻，受力體大，受力猛，透水性小，易液化。美國福特派克壩380萬立方米的砂體在10分鐘內(nèi)流失；鐵路橋因火

10、車振動而液化。塑性流動： 壩體或壩基剪應(yīng)力超過了土料抗剪強度，變形超過彈性極限值，壩坡或壩腳地基土被壓出或隆起，壩體產(chǎn)生裂縫或沉陷。軟粘土壩體容易發(fā)生。 1、曲面滑動面滑動面頂部陡而底部漸緩，曲面近似圓弧，多發(fā)生于粘性土中。 2、折線滑動面多發(fā)生于非粘性土坡，如薄心墻壩、斜墻壩；折點一般在水面附近。 3、復(fù)式滑動面厚心墻或粘土及非粘土構(gòu)成的多種土質(zhì)壩形成復(fù)式滑動面。當壩基內(nèi)有軟弱夾層時，滑動面不再向下深切，而沿夾層形成曲、直組合的復(fù)式滑動。4.5.2 土 壤 抗 剪 強 度 指 標 的 選 取4.5.3 穩(wěn)定計算情況和安全系數(shù)的采用 一、穩(wěn)定計算情況 1.正常運用情況: 分三種工況； 2.非常

11、運用情況：分三種工況； 3.非常運用情況：正常情況遇到地震。 二、安全系數(shù)的采用 計入條塊間作用力時，不小于表49規(guī)定； 不計入條塊作用力時，另考慮。 4.5.4 壩坡穩(wěn)定分析方法 一、圓弧滑動面穩(wěn)定計算 1.瑞典圓弧法 基本原理:將滑動土體分為若干鉛直土條,不考慮條塊間的作用力,求得各土條對滑動圓心的抗滑力矩和滑動力矩,并求其總和。 可根據(jù)下式求穩(wěn)定安全系數(shù)：計算步驟：（1）確定圓心、半徑，繪制圓弧。（2）將土體編號 （3）計算土條重量（4）計算安全系數(shù)：2.簡化的畢肖普法該法計及條塊間作用力，故計算較為復(fù)雜。 二、非圓弧滑動穩(wěn)定計算 1.非粘性土壩坡部分浸水的穩(wěn)定計算 用鉛直線DE將滑動土

12、體分為兩塊,則土塊BCDE沿CD滑動面的力平衡式為:土塊ADE沿AD滑動面的力平衡式為:=0 2.斜墻壩壩坡的穩(wěn)定計算計算滑動面abcd,將土體分成三塊。三、復(fù)合滑動面 厚心墻滑動面，通過砂性土部分為直線，通過粘性土部分為圓弧。 可將滑動土體分為3個區(qū)，BC 面上的抗滑力 S=Gtan+CL 四、最危險滑裂面確定 4.6 土料選擇與填土標準確定 筑壩材料選擇應(yīng)遵循的原則： （1）具有或經(jīng)加工后具有與使用目的相適應(yīng)的工程性質(zhì)，并具有長期穩(wěn)定性； （2）就地、就近取材，減少棄料（環(huán)境污染），少占或不占農(nóng)田，并優(yōu)先考慮樞紐建筑物開挖料的利用； （3）便于開采、運輸和壓實 近20年來土石壩建設(shè)的突出進

13、步之一就是筑壩材料應(yīng)用范圍越來越廣。風化料、軟巖、礫石土等也可用于筑壩。對不符合要求的材料進行處理后也可采用。4.6.1 壩體不同部位對土石料的要求 1、防滲土料 滲透系數(shù)：均質(zhì)壩1e-4cm/s，心墻和斜墻 1e-5cm/s。 水溶鹽含量（指易溶鹽和中溶鹽，按質(zhì)量計）3% 有機質(zhì)含量：均質(zhì)壩5%，心墻和斜墻2%，超出需論證； 有較好的塑性和滲透穩(wěn)定性； 浸水與失水時體積變化小。 我國主要采用粘土、壤土等細粒土。缺點：天然含水量高，雨天難施工，造價高，壓縮性大，降低心墻抗水力劈裂能力。 以下粘土不宜作為防滲體填筑料，必須采用時應(yīng)采取適當措施： 塑性指數(shù)20和液限40%的沖積粘土； 膨脹土;吸水

14、膨脹，失水收縮。 開挖、壓實困難的干硬粘土； 凍土； 分散性粘土。土粒間斥力大于引力，遇低鹽水會脫落隨滲水流走。經(jīng)處理后開用于填筑3級低壩。 2、壩殼土石料 要求：具有比較高的強度。水下部分要求具有良好的排水能力。一般可根據(jù)材料性質(zhì)用于壩殼的不同部位.。 3、反濾料、過渡料、排水料 要求： 質(zhì)地致密，抗水性和抗風化性能滿足工程運用條件； 具有要求的級配； 具有要求的透水性； 反濾料和排水體料中粒徑0.075mm的顆粒含量5%。4.6.2 土料填筑標準的確定 填筑標準是指土料的壓實程度。根據(jù)施工條件、材料情況，通過試驗，合理確定填筑標準，達到安全經(jīng)濟目的。綜合考慮以下因素： 壩的級別、高度、壩型

15、和壩的不同部位； 土石料的壓實特性和采用的壓實機具； 壩料的填筑干密度和含水率與力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，以及設(shè)計對土石料力學(xué)性質(zhì)的要求； 土料的天然干密度、天然含水率，以及土料進行干燥或濕潤處理的程度； 當?shù)貧夂驐l件對施工的影響； 設(shè)計地震烈度及其它動荷載作用； 壩基土的強度和壓縮性； 不同填筑標準對造價和施工難易度的影響。 1.粘性土的壓實標準 粘性土的填筑標準應(yīng)以壓實度和最優(yōu)含水率作為設(shè)計控制指標。 壓實度設(shè)計干重度/最大干重度或： 最優(yōu)含水量：在一定壓實功能下達到最佳壓實效果的含水量。 2.非粘性土料的壓實標準 非粘性土與壓實程度與含水量關(guān)系不大，主要與粒徑級配和壓實作用力性質(zhì)與壓實功能有關(guān)。

16、砂礫石和砂的填筑標準應(yīng)以相對密度為設(shè)計控制指標:式中 Dr相對緊密度 e設(shè)計孔隙比 emax最大孔隙比 emin最小孔隙比。 堆石的填筑標準宜用孔隙率為設(shè)計控制指標。 土石壩底面積大，壩基應(yīng)力較小，壩身具有一定適應(yīng)變形的能力，壩身斷面分區(qū)和材料的選擇也具有靈活性，所以，對天然壩基的要求低于混凝土壩。 對壩基處理的要求也不能放松。據(jù)統(tǒng)計，土石壩失事約有40%是由于壩基問題引起的。 壩基處理的范圍包括河床和兩岸岸坡。 4.7 土壩的地基處理 土石壩地基處理的任務(wù)是： 1.控制滲流，減少滲流坡降，避免管涌等有害的滲流變形，控制滲流量； 2.保持壩體和壩基的靜力和動力穩(wěn)定，不產(chǎn)生過大的有害變形，不發(fā)生

17、明顯的均勻沉降，竣工后，壩基和壩體的總沉降量一般不宜大于壩高的1%； 3.在保證壩安全運行的條件下節(jié)省投資。 4.7.1 砂卵石地基處理1.垂直防滲設(shè)施（1）粘土截水墻適用于透水層深度較小的情況。(2)混凝土防滲墻適用于透水層深度大于50m的地基。 （3）帷幕灌漿 采用高壓定向噴射灌漿技術(shù)，通過噴嘴的高壓氣流切割地層成縫槽，在縫槽中灌壓水泥砂漿，凝結(jié)后形成防滲板墻。 可處理較深的砂礫石地基，但對地層的可灌性要求高。 可灌性： M=D15/d85 M大時，可灌性好。 帷幕厚度： T=H/J 2.上游水平防滲鋪蓋 由粘土做成，不能阻截滲流，能延長滲徑。 3.下游排水措施 常用的減壓排水措施有:排水溝、減壓井、透水蓋重等。 4.7.2 細砂與淤泥地基處理 1.細砂地基 常用的處理措施:打板樁封閉、表面振動加密、震沖、強夯等。 2.淤泥地基 處理措施:挖除、設(shè)置砂井加速排水、壩腳壓重。 4.7.3 軟粘土和黃土地基處理 一般盡可能將其挖除。 4.7.4 巖石地基的防滲處理 方法同重力壩地