水工建筑物第四章(2)电子版本.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,水工建筑物第四章(2),一、渗流分析内容：,确定坝体浸润线及下游出逸点的位置，绘制坝体及坝基内的等势线分布图或流网图。,确定坝体与坝基的渗流量。,确定坝体出逸段与下游坝基表面的出逸坡降，以及不同土层间的渗透比降。,确定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置或孔隙压力。,确定坝肩的等势线、渗流量或渗透比降。,二、渗流分析方法,（1）解析法：包括流体力学法和水力学法；,（2）手绘流网法：一种图解方法，绘制方便；,（3）实验法：采用电模拟实验解决三维问题；,（4）数值法：采用有限元分析。,三、渗流分析的计算情况,上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；,上游设计洪水位与下游相应的水位；,上游校核洪水位与下游相应的水位；,库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。,4.4.2 渗流分析的水力学法,一、基本假定：,坝体土是均质的，坝内各点在各个方向的渗透系数相同；,渗流属稳定流，看作平面问题；,渗流是层流，符合达西定律：v=KJ,渗流是渐变流，过水断面上各点的坡降和流速是相等的。,二、渗流基本公式,假定：任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等。,平均,流速：,单宽,流量：,自上游向下游积分：,自上游向区域中,某点积分：,vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv,三、不透水地基上的渗流计算,1、均质坝的渗流计算,20世纪20年代前苏联学者提出，以浸润线两端为分界线，将均质土坝分为3段：上游楔形体、中间段和下游楔形体，分别列出计算公式，再根据水流连续原理求解，称为“三段法”。,(1)下游无排水,用一个等效矩形体代替上游楔形体，把此矩形体与原三段法的中间段和而为一，成为第一段，下游楔形体为第二段。虚拟上游面为铅直的，距原坝坡与设计水位交点A的水平距离为L:,上式根据流体力学和电拟试验得到，式中m,1,为上游坝坡坡度；H,1,为上游水深。,1)上游坝段计算,通过上游段的渗流量:,2)下游坝段计算,下游水位以上单宽渗流量:,下游水位以下单宽渗流量:,通过下游坝体,总单宽流量:,根据水流连续条件:qq,1,q,2,联立以上两式，可求得a,0,和q。,浸润线方程可以用,式(48）,求得，求出后还应对浸润线进口进行修正：自A点引与坝坡AM正交的平滑曲线，曲线下端与计算所得的浸润线相切于A。,当下游无水时，各式中的H,2,=0。,坝体为贴坡排水对坝身浸润线位置没有影响，计算方法与下游无排水相同。,(2)下游有褥垫排水,根据流体力学计算表面，浸润线可由一通过,E点并以排水起点为焦点的抛物线来表示。可得,抛物线的公式为：,(3)下游棱体排水,当下游无水时和褥垫式相同，下游有水时，可将下游水面以上部分按照无水情况处理。即:,2.心墙坝的渗流计算,心墙土料的渗透系数很小，比坝壳小10E4倍以上，可不考虑上游楔形体降落水头的作用。下游坝壳的浸润线也较平缓，水头损失主要在心墙部位。下游有排水时，可假定浸润线的出逸点为下游水位与堆石内坡的交点A。将心墙简化为等厚的矩形.,联立求解h、q,3.斜墙坝的渗流计算,将斜墙简化为等厚的矩形，则可求通过斜墙的单宽流量q,1,和斜墙坝壳的单宽流量q,2,，联立求得h和q。,四、有限深透水地基上的渗流计算,1、均质坝,均质坝透水地基深度为T，渗透系数为K,T,，坝体渗透系数为k，可将坝体和坝基分开计算。坝体部分按不透水地基计算；再假定坝体不透水，计算坝基的渗流量；两者相加。,下游无水时，通过坝体和坝基的单宽流量：,下游有水时，通过坝体和坝基的单宽流量：,2、心墙坝,联立求得q和h。浸润线方程：,近似认为上游坝壳中无水头损失，渗流计算分防渗体段和墙后段两部分。,（1）有截水墙的情况,计算方法与,心墙坝类似：,（2）有铺盖情况,近似认为铺盖与斜墙是不透水的。,五、总渗流量计算,将土石坝沿,坝轴线分为若干段，,然后分别计算选取,断面的单宽渗流量，,再计算总渗流量。,4.4.3 渗透变形及防止措施,一、渗透变形分类与特点,定义：,土石坝及地基中的渗流，由于物理和化学作用，土体颗粒流失，导致土壤发生局部破坏，称为渗透变形。,渗透变形及其发展过程与土料性质、颗粒级配及水流条件、防渗、排水措施等因素有关。,常见渗透变形的型式：,管涌、流土、接触冲刷、剥离、化学管涌等。,(1)管涌：,在一定渗流作用下，土体中的细颗粒沿骨架颗粒所形成的孔隙管道移动或被渗流带走，发生于无粘性土中（沙砾料）。,(2)流土：,指在渗流作用下，粘性土及均匀无粘性土体被浮动的现象。流土常见于下游逸出处。,(3)接触冲刷：,渗流沿着两种不同介质的接触面流动时，把其中颗粒层的细粒带走。,(4)接触流土：,渗流垂直于两种不同介质的接触面流动时，把其中一层的细粒，移入到另一层中去。例如反滤层的淤塞。,(5)化学管涌：,指土体中的盐类被渗流水溶解带走的现象。,二、非粘性土管涌与流土判别,产生管涌或流土的细颗粒临界含量与孔隙关系：,（1）当土体细颗粒含量大于P,g,时，可能产生流土。,（2）当土体细颗粒含量小于或等于P,g,时，可能产生管涌。,三、滲透变形的临界坡降与允许坡降,1.产生管涌的临界坡降J,c,与允许坡降,临界坡降计算公式：,允许渗透坡降,计算公式：,2.产生流土的临界坡降JB和允许坡降,太沙基公式:,四、防止渗透变形的工程措施措施,常用的工程措施:全面截阻渗流，延长渗径；设置排水设施；设置反滤层；设排渗减压井。,砂石反滤层的结构、设计原则、材料。,土石坝在,自重、水荷载、渗透压力和地震荷载,作用下，若剖面尺寸不当或坝体、坝基土料的抗剪强度不足，坝体或坝体连同部分地基发生,滑动,，造成失稳。坝基内有软弱夹层时，也可能发生,塑性流动,。饱和细沙受地震作用还可能发生,液化,失稳。,分析目的：,分析坝体及坝基在各种不同条件下可能产生的失稳形式，校验其稳定性，确定坝体经济剖面。,失稳特点：,坝体由散粒材料组成，不会出现整体滑动或倾覆失稳，只可能发生局部失稳破坏。,4.5 土石坝的稳定分析,4.5.1,概述,稳定破坏形式,滑动：,坝或坝基材料的抗剪强度不够，沿某一滑动面向下坍滑。,液化：,饱和的松砂受振动或剪切而发生体积收缩，孔隙水不能立即排出，有效应力转化为孔隙应力，砂土抗剪强度降低，砂料随水的流动而流散。,影响因素：有效粒径小，孔隙比大，砂料均匀，受力体大，受力猛，透水性小，易液化。美国福特派克坝380万立方米的砂体在10分钟内流失；铁路桥因火车振动而液化。,塑性流动：,坝体或坝基剪应力超过了土料抗剪强度，变形超过弹性极限值，坝坡或坝脚地基土被压出或隆起，坝体产生裂缝或沉陷。软粘土坝体容易发生。,1、曲面滑动面,滑动面顶部陡而底部渐缓，曲面近似圆弧，多发生于粘性土中。,2、折线滑动面,多发生于非粘性土坡，如薄心墙坝、斜墙坝；折点一般在水面附近。,3、复式滑动面,厚心墙或粘土及非粘土构成的多种土质坝形成复式滑动面。当坝基内有软弱夹层时，滑动面不再向下深切，而沿夹层形成曲、直组合的复式滑动。,4.5.2,土,壤,抗,剪,强,度,指,标,的,选,取,4.5.3 稳定计算情况和安全系数的采用,一、稳定计算情况,1.正常运用情况:分三种工况；,2.非常运用情况：分三种工况；,3.非常运用情况：正常情况遇到地震。,二、安全系数的采用,计入条块间作用力,时，不小于表49规定；,不计入条块作用力,时，另考虑。,4.5.4 坝坡稳定分析方法,一、圆弧滑动面稳定计算,1.瑞典圆弧法,基本原理:将滑动土体分为若干铅直土条,不考虑条块间的作用力,求得各土条对滑动圆心的抗滑力矩和滑动力矩,并求其总和。,可根据下式求稳定安全系数：,计算步骤：,（1）确定圆心、半径，绘制圆弧。,（2）将土体编号 （3）计算土条重量,（4）计算安全系数：,2.简化的毕肖普法,该法计及条块间作用力，故计算较为复杂。,二、非圆弧滑动稳定计算,1.非粘性土坝坡部分浸水的稳定计算,用铅直线DE将滑动土体分为两块,则土块BCDE沿CD滑动面的力平衡式为:,土块ADE沿AD滑动面的力平衡式为:,=0,2.斜墙坝坝坡的稳定计算,计算滑动面abcd,将土体分成三块。,三、复合滑动面,厚心墙滑动面，通过砂性土部分为直线，通过粘性土部分为圆弧。,可将滑动土体分为3个区，BC,面上的抗滑力 S=Gtan,+CL,四、最危险滑裂面确定,4.6 土料选择与填土标准确定,筑坝材料选择应遵循的原则：,（1）具有或经加工后具有与使用目的相适应的工程性质，并具有长期稳定性；,（2）就地、就近取材，减少弃料（环境污染），少占或不占农田，并优先考虑枢纽建筑物开挖料的利用；,（3）便于开采、运输和压实,近20年来土石坝建设的突出进步之一就是筑坝材料应用范围越来越广。风化料、软岩、砾石土等也可用于筑坝。对不符合要求的材料进行处理后也可采用。,4.6.1 坝体不同部位对土石料的要求,1、防渗土料,渗透系数：,均质坝1e-4cm/s，心墙和斜墙 1e-5cm/s。,水溶盐含量,（指易溶盐和中溶盐，按质量计）3%,有机质含量：,均质坝5%，心墙和斜墙2%，超出需论证；,有较好的塑性和渗透稳定性；,浸水与失水时体积变化小。,我国主要采用粘土、壤土等细粒土。缺点：天然含水量高，雨天难施工，造价高，压缩性大，降低心墙抗水力劈裂能力。,以下粘土不宜作为防渗体填筑料，必须采用时应采取适当措施：,塑性指数20和液限40%的,冲积粘土,；,膨胀土,;吸水膨胀，失水收缩。,开挖、压实困难的,干硬粘土,；,冻土,；,分散性粘土,。土粒间斥力大于引力，遇低盐水会脱落随渗水流走。经处理后开用于填筑3级低坝。,2、坝壳土石料,要求：具有比较高的强度。水下部分要求具有良好的排水能力。一般可根据材料性质用于坝壳的不同部位.。,3、反滤料、过渡料、排水料,要求：,质地致密，抗水性和抗风化性能满足工程运用条件；,具有要求的级配；,具有要求的透水性；,反滤料和排水体料中粒径0.075mm的颗粒含量5%。,4.6.2 土料,填筑标准的确定,填筑标准是指土料的压实程度。根据施工条件、材料情况，通过试验，合理确定填筑标准，达到安全经济目的。综合考虑以下因素：,坝的级别、高度、坝型和坝的不同部位；,土石料的压实特性和采用的压实机具；,坝料的填筑干密度和含水率与力学性质的关系，以及设计对土石料力学性质的要求；,土料的天然干密度、天然含水率，以及土料进行干燥或湿润处理的程度；,当地气候条件对施工的影响；,设计地震烈度及其它动荷载作用；,坝基土的强度和压缩性；,不同填筑标准对造价和施工难易度的影响。,1.粘性土的压实标准,粘性土的填筑标准应以压实度和最优含水率作为设计控制指标。,压实度设计干重度/最大干重度,或：,最优含水量：,在一定压实功能下达到最佳压实效果的含水量。,2.非粘性土料的压实标准,非粘性土与压实程度与含水量关系不大，主要与粒径级配和压实作用力性质与压实功能有关。,砂砾石和砂的填筑标准应以相对密度为设计控制指标:,式中,Dr相对紧密度 e设计孔隙比,e,max,最大孔隙比 e,min,最小孔隙比。,堆石的填筑标准宜用孔隙率为设计控制指标。,土石坝底面积大，坝基应力较小，坝身具有一定适应变形的能力，坝身断面分区和材料的选择也具有灵活性，所以，对天然坝基的要求低于混凝土坝。,对坝基处理的要求也不能放松。据统计，土石坝失事约有40%是由于坝基问题引起的。,坝基处理的范围包括河床和两岸岸坡。,4.7 土坝的地基处理,土石坝地基处理的任务是：,1.控制渗流，减少渗流坡降，避免管涌等有害的渗流变形，控制渗流量；,2.保持坝体和坝基的静力和动力稳定，不产生过大的有害变形，不发生明显的均匀沉降，竣工后，坝基和坝体的总沉降量一般不宜大于坝高的1%；,3.在保证坝安全运行的条件下节省投资。,4.7.1 砂卵石地基处理,1.垂直防渗设施,（1）粘土截水墙,适用于透水层深度较小的情况。,(2)混凝土防渗墙,适用于透水层深度大于50m的地基。,（3）帷幕灌浆,采用高压定向喷射灌浆技术，通过喷嘴的高压气流切割地层成缝槽，在缝槽中灌压水泥砂浆，凝结后形成防渗板墙。,可处理较深的砂砾石地基，但对地层的可灌性要求高。,可灌性：,M=D,15,/d,85,M大时，可灌性好。,帷幕厚度：,T=H/J,2.上游水平防渗铺盖,由粘土做成，不能阻截渗流，能延长渗径。,3.下游排水措施,常用的减压排水措施有:排水沟、减压井、透水盖重等。,4.7.2 细砂与淤泥地基处理,1.细砂地基,常用的处理措施:打板桩封闭、表面振动加密、震冲、强夯等。,2.淤泥地基,处理措施:挖除、设置砂井加速排水、坝脚压重。,4.7.3 软粘土和黄土地基处理,一般尽可能将其挖除。,4.7.4 岩石地基的防渗处理,方法同重力坝地基处理。,4.7土石坝与坝基、岸坡及其它建筑物的连接,应重视防渗体与坝基、岸坡等相接触的结合面的妥善处理，使其结合紧密，避免产生集中渗流；保证坝体与河床及岸坡结合面的质量，不使其形成影响坝体稳定的软弱夹层，不引起裂缝。,4.8.1 坝体与土质地基及岸坡的连接,必须遵守的规定（4条）,4.8.2 坝体与岩石地基及岸坡的连接,必须遵守的原则（4条）,必须防止接触面的集中渗流，因不均匀沉降而产生裂缝，以及水流对上、下游坝坡和坡脚的冲刷等因素的有害影响。,4.8.2 坝体与岩石地基及岸坡的连接,土坝体与混凝土坝的连接，可采用侧墙式、插入式或经过论证的其他形式。,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,