土石坝第2部分.ppt

4-1一、土石坝渗流分析的目的（任务）：一、土石坝渗流分析的目的（任务）：1、确确定定坝坝体体浸浸润润线线及及其其下下游游逸逸出出点点的的位位置置，绘绘制制坝坝体体和和坝坝基基内内的的流流网网图图，为为稳稳定定分分析析、应应力应变分析及排水设备选择提供依据；力应变分析及排水设备选择提供依据；2、确确定定坝坝体体与与地地基基渗渗流流量量，以以便便估估计计水水库库渗渗漏损失并校核坝的排水尺寸；漏损失并校核坝的排水尺寸；3、确确定定渗渗在在下下游游坝坝坡坡或或地地基基出出逸逸处处的的渗渗透透坡坡降降以以及及渗渗流流场场内内不不同同土土层层之之间间的的渗渗透透坡坡降降，以以便验算抗渗稳定性；便验算抗渗稳定性；4、确确定定库库水水位位骤骤降降时时上上游游坝坝壳壳内内自自由由水水面面位位置置，以以便便计计算算孔孔隙隙水水压压力力，供供上上游游坝坝坡坡稳稳定定分分析用。析用。第四节第四节 渗流分析渗流分析4-2二、土石坝渗流计算的方法：二、土石坝渗流计算的方法：流网法；流网法；有限单元法；有限单元法；电拟试验法：电拟试验法：用电流场模拟渗流场，通过试验测定渗用电流场模拟渗流场，通过试验测定渗流流网。流流网。水力学方法：水力学方法：在平面渗流条件下的一种近似方法，它用达在平面渗流条件下的一种近似方法，它用达西定律，并假定沿任一铅直过水断面内各点西定律，并假定沿任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等。的渗透坡降相等。4-3不透水地基上矩形土体渗流问题的水力学不透水地基上矩形土体渗流问题的水力学解：解：假假设设渗渗流流缓缓慢慢，沿沿任任一一铅铅直直过过水水断断面面内内各各点点的的渗渗透坡降透坡降J相等相等，k为渗流系数，则4-4不透水地基上矩形土体渗流问题的水力学解：不透水地基上矩形土体渗流问题的水力学解：由达西定理得 （1）移项后得单宽流量表达式将（1）式从上游面（x=0，y=H1）到下游面（x=x，y=y）积分得浸润线方程将（1）式从上游面（x=0，y=H1）到下游面（x=L，y=H2）积分得：4-5（一）不透水地基上土石坝的渗流计算（一）不透水地基上土石坝的渗流计算简化为平面问题分若干区，对每个区按连简化为平面问题分若干区，对每个区按连续条件求解。续条件求解。均质坝均质坝(1)下游无排水或设贴坡排水；下游无排水或设贴坡排水；(2)下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体排水且下游无水的情况；排水且下游无水的情况；(3)下游设有棱体排水且下游有水的情况。下游设有棱体排水且下游有水的情况。心墙坝心墙坝斜墙坝斜墙坝4-6 (1)(1)均质坝下游无排水或设贴坡排水均质坝下游无排水或设贴坡排水情况：情况：4-7计算时将土坝断面分为三段：上游三角形段计算时将土坝断面分为三段：上游三角形段AFM（用高为（用高为H1，宽为，宽为L的矩形的矩形EOFA代替）、代替）、中间段中间段AFBB、下游三角形段、下游三角形段BBN，对每个，对每个区按连续条件求解。区按连续条件求解。将上游矩形将上游矩形EOFA和中间段和中间段AFBB合成一段合成一段EOBB，利用和矩形土体类似的方法（从，利用和矩形土体类似的方法（从（x=0,y=H1）到）到(x=L,y=a0+t)）积分，可得通过）积分，可得通过该区的渗流量：该区的渗流量：(1)浸润线方程为浸润线方程为 (2)4-8下下游游三三角角形形段段BBN属属急急变变流流，以以下下游游水水面面为为准准作作水水平平线线，将将其其分分为为三三角角形形BBC和和梯梯形形BNBC两两部部分分，将将流流线线近近似似视视为为水水平平线线，按按渐渐变变渗渗流流可可得其单宽流量得其单宽流量 (3)根根据据渗渗流流连连续续性性条条件件：q=q1=q2，联联立立求求解解式式(1)和和(3)，可可求求得得a0及及q，将将q代代入入式式（3）则则可可得得浸浸润线方程并绘制浸润线。润线方程并绘制浸润线。上上游游段段EA是是不不符符合合实实际际情情况况的的应应加加以以适适当当修修正正，使使浸浸润润线线上上端端在在A处处与与坝坝面面正正交交，在在A点点与与浸浸润润线相切，线相切，AAB曲线即为坝体浸润线。曲线即为坝体浸润线。4-9(一一)不透水地基上土石坝的渗流计算不透水地基上土石坝的渗流计算:1(2)1(2)均均质质坝坝下下游游设设有有褥褥垫垫排排水水的的情情况况或或下下游设有棱体排水且下游无水的情况游设有棱体排水且下游无水的情况:4-10计算时将浸润线近似看作是以排水起点计算时将浸润线近似看作是以排水起点D为焦点且通过为焦点且通过E点的抛物线；由于排水设点的抛物线；由于排水设施中渗透系数远大于坝体渗透系数，可施中渗透系数远大于坝体渗透系数，可认为排水体内无渗流水头损失。认为排水体内无渗流水头损失。设设C点的坐标为（点的坐标为（L+he/2,0）,利用抛物线利用抛物线上各点到焦点上各点到焦点D（L，0）的距离与到准）的距离与到准线（线（x=L+he/2+he/2）的距离相等的原）的距离相等的原则，可得浸润线方程（则，可得浸润线方程（1）(1)4-11(2)(2)均质坝均质坝下游设有褥垫排水的情况或下游设下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体排水且下游无水的情况有棱体排水且下游无水的情况:由于浸润线过由于浸润线过E点（点（0，H1），代入式（），代入式（1）可得）可得he：上游段应加以适当修正（同无排水情况）。上游段应加以适当修正（同无排水情况）。将将B点坐标点坐标(L,he)代入式代入式 可得可得EODBA段的单宽流量段的单宽流量q：4-12 (3)下游设有棱体排水且下游有水的情况。下游设有棱体排水且下游有水的情况。4-13计算时将下游水面以上部分按照无水情况处计算时将下游水面以上部分按照无水情况处理，浸润线近似看作是以排水上游坡与在理，浸润线近似看作是以排水上游坡与在下游水面的交点为焦点下游水面的交点为焦点D（L，t）且通过）且通过E点的抛物线。点的抛物线。可得浸润线方程为：可得浸润线方程为：(1)(2)由于浸润线过由于浸润线过E点点(0，H1)，代入，代入(1)式可得：式可得：将将B点坐标点坐标(L,t+he)代入式代入式 可得可得EODBA段的单宽流量段的单宽流量q：4-14 2 2、心墙坝心墙坝4-15计算时忽略上游坝壳段的水头损失，并计算时忽略上游坝壳段的水头损失，并将心墙简化为等厚的矩形断面，下游坝将心墙简化为等厚的矩形断面，下游坝壳段与均质坝同样处理。壳段与均质坝同样处理。心心墙墙简简化化为为矩矩形形，心心墙墙段段的的单单宽宽渗渗流流量量为：为：(1)(2)假假定定下下游游坝坝壳壳逸逸出出点点位位于于下下游游水水位位与与堆堆石石内内坡坡的的交交点点A，则则坝坝壳壳内内单单宽宽流流量量表达式为：表达式为：4-16由由 q1=q2，联立方程（，联立方程（1）和（）和（2），），可求出可求出q和和h。下游坝壳的浸润线方程为：下游坝壳的浸润线方程为：4-173 3、斜墙坝、斜墙坝4-18计计算算时时忽忽略略上上游游坝坝壳壳段段的的水水头头损损失失，分分两两段段计计算算，即即斜斜墙墙段段及及斜斜墙墙后后的的坝坝壳壳段段并并将将斜斜墙墙简简化化为为等等厚厚的的斜斜墙墙，下下游坝壳段与心墙坝同样处理。游坝壳段与心墙坝同样处理。斜墙段的单宽渗流量简化为斜墙段的单宽渗流量简化为：由由渗渗流流连连续续原原则则 q1=q2，联联立立求求解解以以上上两两方方程程得得出出q和和h，并可以得到下游坝壳内的浸润线方程：，并可以得到下游坝壳内的浸润线方程：4-19注意：在注意：在h 以上的斜墙部分的渗流在下以上的斜墙部分的渗流在下游坝体以非饱和状态垂直下落并汇入下游坝体以非饱和状态垂直下落并汇入下游坝壳的渗水，以上计算中计算斜墙段游坝壳的渗水，以上计算中计算斜墙段的单宽渗流量和斜墙后坝壳内的单宽渗的单宽渗流量和斜墙后坝壳内的单宽渗流量时均未考虑这部分渗水。流量时均未考虑这部分渗水。4-20(二二)有透水地基土坝的渗流计算有透水地基土坝的渗流计算为简化计算，坝体内渗流仍可用上述为简化计算，坝体内渗流仍可用上述不透水地基上土石坝的渗流计算方法不透水地基上土石坝的渗流计算方法确定渗流量及浸润线，坝基渗流则按确定渗流量及浸润线，坝基渗流则按有压渗流计算。坝体渗流量与坝基渗有压渗流计算。坝体渗流量与坝基渗流量之和即为总渗流量。流量之和即为总渗流量。4-211、均质坝、均质坝假假设设坝坝体体的的单单宽宽流流量量为为q1，坝坝基基的的渗渗透透系系数数为为kT，透透水水地地基基深深度度为为T，单单宽宽流流量为量为q，上下游水头分别为，上下游水头分别为H1和和t。4-22由达西定理可得地基内单宽流量由达西定理可得地基内单宽流量q：将将上上式式从从上上游游面面（x=0，势势y=H1）到到下游面（下游面（x=L，势，势y=t）积分得：）积分得：4-23L L实实际际上上是是指指流流线线长长度度，所所以以考考虑虑进进出出口口流流线线弯弯曲曲的的影影响响及及渗渗流流区区的的几几何何形形状状，L L可可表表示示为为L=L=L L0 0+0.88T+0.88T，式式中中0.88T0.88T为为考考虑虑进进出出口口流流线线弯弯曲曲的的影影响响的的修正系数。修正系数。则通过坝体与坝基的总单宽流量为：则通过坝体与坝基的总单宽流量为：4-242、心墙坝、心墙坝(1)地基上有混凝土防渗墙的心墙坝地基上有混凝土防渗墙的心墙坝通通过过防防渗渗心心墙墙后后的的坝坝壳壳和和地地基基防防渗渗墙墙后后的地基的渗流量为的地基的渗流量为:4-25(1)地基上有混凝土防渗墙的心墙坝地基上有混凝土防渗墙的心墙坝设设心心墙墙、砼砼防防渗渗墙墙、下下游游坝坝壳壳、透透水水地地基的渗透系数分别为基的渗透系数分别为kc、kD、k、kT。通通过过防防渗渗心心墙墙和和地地基基砼砼防防渗渗墙墙的的渗渗流流量量为：为：由由q=q1=q2，联立求解式，联立求解式(1)和和(2)即可得即可得q和和h。4-26(2)地地基基上上有有截截水水槽槽的的心心墙墙坝坝，截截水水墙墙与与心墙材料相同心墙材料相同。通过防渗心墙和地基截水墙的渗流量为：通过防渗心墙和地基截水墙的渗流量为：通通过过防防渗渗心心墙墙后后的的坝坝壳壳和和地地基基截截水水墙墙后后的的地地基基的的渗渗流流量量与与地地基基中中有有混混凝凝土土防防渗渗墙墙的心墙坝相同。的心墙坝相同。4-27三、土石坝的抗渗稳定验算三、土石坝的抗渗稳定验算1、渗透变形的形式及其判别、渗透变形的形式及其判别*渗渗透透变变形形：土土石石坝坝及及其其地地基基在在渗渗流流的的物物理理作作用用和和化化学学作作用用下下发发生生土土体体颗颗粒粒流流失失的局部破坏现象称渗透变形。的局部破坏现象称渗透变形。管管涌涌：渗渗流流作作用用下下不不均均匀匀无无粘粘性性土土中中细颗粒从孔隙通道中的连续移动和带出。细颗粒从孔隙通道中的连续移动和带出。管管涌涌可可能能发发生生的的部部位位：非非粘粘性性土土的的渗渗流流逸出点和进入排水处。逸出点和进入排水处。管管涌涌判判别别：级级配配连连续续时时不不均均匀匀系系数数2020，级配不连续时细粒含量小于，级配不连续时细粒含量小于25%25%。4-28流流土土：渗渗流流作作用用下下，土土体体的的同同时时浮浮起起或流失。或流失。流流土土发发生生的的部部位位：多多发发生生粘粘性性土土坡坡和和颗颗粒较均匀的非粘性土坡中。粒较均匀的非粘性土坡中。判判别别：级级配配连连续续时时不不均均匀匀系系数数103m/d），形形成反向渗流成反向渗流验算上游坡的稳定验算上游坡的稳定；正正常常蓄蓄水水位位+地地震震验验算算上上、下下游游坡坡的的稳稳定；定；校核洪水位时校核洪水位时验算下游坡的稳定验算下游坡的稳定；施施工工期期考考虑虑孔孔隙隙水水压压力力时时验验算算上上、下下游游坡的稳定坡的稳定。4-55三、稳定分析的计算情况和安全系数三、稳定分析的计算情况和安全系数：2、安全系数：、安全系数：按按碾碾压压式式土土石石坝坝设设计计规规范范，对对于于均均质质坝坝、厚厚斜斜墙墙坝坝和和厚厚心心墙墙坝坝，可可采采用用不不计计条条块块间间作作用用力力的的瑞瑞典典圆圆弧弧法法进进行行稳稳定定分分析析；对对于于由由薄薄软软土土夹夹层层的的情情况况，以以及及薄薄斜斜墙墙、薄薄心心墙墙坝坝，可采用滑楔法进行稳定分析。可采用滑楔法进行稳定分析。坝坝坡坡抗抗滑滑稳稳定定的的安安全全系系数数，应应不不小小于于规规范范规规定的数值。定的数值。4-56四、土石坝抗剪强度指标四、土石坝抗剪强度指标：确定抗剪强度指标的方法有有效应力法和确定抗剪强度指标的方法有有效应力法和总应力法两种，规范规定对总应力法两种，规范规定对I、II级工程必级工程必须两者兼用，并以其中较小的安全因素作须两者兼用，并以其中较小的安全因素作为依据。为依据。不不同同情情况况下下土土的的抗抗剪剪强强度度应应按按规规范范要要求求加加以选择。以选择。4-57四、土石坝抗剪强度指标四、土石坝抗剪强度指标：计算计算工况工况计算计算方法方法土的种类土的种类使用使用仪器仪器 试验方法试验方法 强度指强度指标标 试样起始试样起始状态状态 施施工工期期有有效效应应力力法法无粘性土无粘性土直剪仪直剪仪 慢剪慢剪C 填土用填土用填筑含填筑含水量和水量和填筑密填筑密度的土，度的土，地基用地基用原状土原状土 三轴仪三轴仪 排水剪排水剪 粘粘性性土土St80%直剪仪直剪仪 慢剪慢剪三轴仪三轴仪 固结不排水剪固结不排水剪测孔隙压力测孔隙压力 总应力法总应力法K10-7cm/s 直剪仪直剪仪 慢剪慢剪Cu u 任何渗透系数任何渗透系数 三轴仪三轴仪 排水剪排水剪 4-58四、土石坝抗剪强度指标四、土石坝抗剪强度指标：计算计算工况工况计算计算方法方法土的种类土的种类使用使用仪器仪器 试验试验方法方法 强度指强度指标标 试样起始状试样起始状态态 稳定渗流期稳定渗流期和库水位降和库水位降落期落期有有效效应应力力法法无粘性土无粘性土直剪仪直剪仪 慢剪慢剪 Cu u填土用填填土用填筑含水量筑含水量和填筑密和填筑密度的土，度的土，地基用原地基用原状土状土，但，但要预先饱要预先饱和和 三轴仪三轴仪 排水剪排水剪 粘性土粘性土直剪仪直剪仪 慢剪慢剪 三轴仪三轴仪 固结不排固结不排水剪测孔水剪测孔隙压力隙压力 库水位降落库水位降落期期总应力法总应力法粘性土粘性土Ccu cu4-59五、提高坝坡抗滑稳定的工程措施五、提高坝坡抗滑稳定的工程措施：1、加大断面，放缓边坡；、加大断面，放缓边坡；2、提高坝体填筑标准；、提高坝体填筑标准；3、合理减压、合理减压减小下滑力和滑动力矩；减小下滑力和滑动力矩；设加压重设加压重增加抗滑力和抗滑力矩；增加抗滑力和抗滑力矩；4、提高导渗、排水。、提高导渗、排水。4-60六、沉降计算六、沉降计算：坝坝体体和和坝坝基基的的沉沉降降量量可可根根据据侧侧限限压压缩缩仪仪测测得得得得ep曲曲线线，采采用用分分层层总总和和法法计计算算。t时时刻刻得得沉降量沉降量St可按下式计算：可按下式计算：式中：式中：ei为第为第i计算层施加附加应力前的孔隙比；计算层施加附加应力前的孔隙比；eit为第为第i计算层相应于计算层相应于 it作用下的孔隙比；作用下的孔隙比；it为第为第i计算层土在计算层土在t 时刻的竖向有效应力；时刻的竖向有效应力；n为分层数目；为分层数目；hi为第为第i分层土层厚度。分层土层厚度。