4(2).土石坝(第三节：渗流分析)

第三节

土石坝的渗流计算

在初步拟定土石坝的断面尺寸和主要构造形式及 尺寸(如防渗、排水)以后，为了进一步校核其合 理性，还必须进行渗流计算及稳定分析。 土石坝渗流计算的目的和内容 确定坝体浸润线及下游逸出点的位置，为 坝体稳定计算提供依据 计算坝体和坝基的渗流量，估算水库的渗 漏损失； 求坝体和坝基局部的渗透坡降，验算该处 是否会发生渗透破坏。

一、渗流分析方法流体力学法 解析法 流网法 水力学法

试验法

有限单元法

水力学法求解土石坝的渗流问题的基本假定

坝体土是均质的，坝内各点在各方向上的渗透系数相同； 渗透水流为二元稳定流，属于层流运 动，符合达西定律； 渗透水流是渐变流，过水断面上各点 的坡降和流速是常数。

二、渗流计算类型1. 不透水地基上土石坝的渗流计算 均质坝的渗流计算 下游无排水设施 下游为褥垫式排水 下游为堆石棱体排水 心墙坝的渗流计算 斜墙坝的渗流计算 2. 有限深透水地基土石坝的渗流计算 均质坝 有截水槽的心墙坝渗流计算 有截水槽的斜墙坝渗流计算 有水平铺盖的斜墙坝渗流计算 3. 总渗流量的计算 next

1、不透水地基上土石坝的渗流计算 均质坝的渗流计算 下游无排水设施y

E

A dx dy B’

m1 H 1 L 2m1 1

H1

a0H2

M

o △LL

B” N

x

坝身段：dy u k J k dxdy q k y dx

qdx kydy

分别对x和y积分，即从EO断面到任意断面有： k x y 2 qx H 1 y 2 0 qdx H kydy 2

1

2qx k(H1 y )2 2

浸润线方程

代入边界条件可得坝身渗流量：

k H1 (a0 H 2 )2 q 2 L m2 a0 H 2 2

下游楔形体渗流量计算 下游水位以上q1 下游水位以下q2y dq1 k dy m2yq1 a0 0

x dy a0 H2 y

x dy a0 H2 y

dy k m2

a0 q1 k m2

a0 dq 2 k dy m2y

q2 a0 q q1 q2

a0 H 2

a0 k dy m2y

a0 a0 H 2 q2 k ln m2 a0

联立坝身段和下游段求解q及a0,浸润线由浸润线方程确定 并做修正。

下游为褥垫排水

y

E

A

H1 h0 M2 2

B o L D h0/2 C N x

y h0 2Lh0 2h0xh 0 L2 H 1 2L2

浸润线方程

H1 h 0 q k 2L2

2

下游为棱体排水y

E H1

A

h0 M o L D2 2

B C h0/2 x

h 0 L2 ( H1 H 2 ) L

H 1 (h 0 H 2 ) 2 q k 2L2

返回

1、不透水地基上土石坝的渗流计算 心墙坝的渗流计算H1 M2

yA

k

ke δ2

heL

Bx

H1 h e 通过心墙的渗流量为：q K e 2 2

he H 2 通过下游坝壳的渗流量为： q k 2L

2

联立心墙段和下游段求解q及he 浸润线方程： 2qx k(he y 2 )2

1、不透水地基上土石坝的渗流计算 斜墙坝的

渗流计算dξdz y

A

H1 M

ke he L2 2 2

k

B x

H1 h e z 0 q 通过斜墙的渗流量为： K e 2 sin 2

he H 2 通过下游坝壳的渗流量为： q k 2L

2

联立心墙段和下游段求解q及he 浸润线方程： 2qx k(he y 2 )2

返回

2. 有限深透水地基土石坝的渗流计算

均质坝坝体与坝基分开考虑，即先假设地基为不透水的， 计算坝体的渗流量; 然后再假定坝体为不透水，计算坝基渗流量。坝体 和坝基的流量。2 H1 H 2 ( H1 H 2 )T 2 q k kT 2L L 0.44T

2. 有限深透水地基土石坝的渗流计算

有截水槽的心墙坝渗流计算通过心墙和截水墙渗流量：( H 1 T ) 2 (h e T ) 2 q ke 2

通过下游坝壳和透水地基的渗流量：2 he H 2 he H 2 2 q k kT T 2L L 0.44T

联立求解q及he

2. 有限深透水地基土石坝的渗流计算

有截水槽的斜墙坝渗流计算通过斜墙和截水墙渗流量：2 2 H1 he z 0 H1 he q ke ke T 2 e sin 2

通过下游坝壳和透水地基的渗流量：he H 2 he H 2 2 q k kT T 2L L 0.44T2

联立求解q及he

2. 有限深透水地基土石坝的渗流计算

有水平铺盖的斜墙坝渗流计算以坝体浸润线起始为界分为上、下游两段分析。A H1 ke

k he

BT

Ln

L

H1 h e q KT T n (Ln m1he )

联立求解q及he 返回

2 he H 2 he H 2 2 q k kT T 2(L m1he ) n (L m1he )

3. 总渗流量的计算根据坝址地形和透水层厚度情况以及坝体结构， 沿坝轴线方向将坝体分成若干坝段，计算通过坝 体和坝基的总渗流量。l1 l2 l3 q2 q3 ln

q1

1 Q q1l 1 q1 q 2 l 2 q n 2 q n 1 l n 1 q n l n 2

三、土石坝的渗透变形及其防止措施土料在渗透水流的作用下，由于机械或化学作用，使土体产 生渗透变形，产生渗透破坏。 最常见的渗透变形有三种，分别是管涌和流土和接触冲刷。

1.管涌坝体或坝基内的土壤颗粒被渗流带走的现象。管涌多发生在非粘性土中。 管涌的发生和土体的临界坡降有关。 临界坡降

J cr 土料的容许渗透坡降为 [ J ] K

42d 3 J cr k 3 n