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各位同学

本节课我们学习土石坝的渗流

包括土石坝的渗流计算分析以及渗透变形

土石坝渗流计算的内容主要有三个方面

确定坝体内的浸润线以及下游逸出点

用以核算坝坡稳定

计算局部的渗透坡降

验算关键部位的渗透稳定

以及估算坝体和坝基的渗漏量

渗流属于水力学问题

所用的计算参数仅有渗透系数k

土石料的渗透系数与级配

密实度、孔隙率相关

而且随着土体的固结变形发生变化

对于分层压实的土层

其渗透性还存在各向异性

水平向渗透系数通常大于竖直向

但工程计算中有时并未考虑各项异性的影响

因此

土石坝渗流计算的结果通常存在较大误差

其计算结果和规律多是

作为坝体渗流场特性的定性评价

常用的渗流分析方法有水力学法

流网法

有限元法

三种方法都是基于土石坝渗流

属于层流、满足达西定律这一特征

采用不同的方式求解

如图所示的渗流场偏微分方程

以下对三种计算方法进行简要介绍

1、水力学法

水力学法进行了部分近似假定

可用来大致确定浸润线

计算渗流量及水力坡降

如图所示为某均质土坝

已知坝体轮廓尺寸及上下游水位

土料渗透系数为k

假设浸润线为曲线OE

下游逸出点为E

逸出高度为a0

以E点为分界

将渗流区分为EF上游侧和下游侧两部分

上游侧包括三角形棱体ABO渗流区

和中间浸润线以下的红色阴影渗流区OBFE

下游侧部分为蓝色阴影渗流区EFG

为便于计算

将上游三角形棱体ABO用图示中

绿色阴影矩形OBCD等效替代

等效替代的条件为

通过矩形的渗流量等于通过三角形的渗流量

矩形宽度ΔL的计算采用公式（1）

根据流量连续性条件

通过EF上游侧和下游侧渗流区的渗流量相等

分别列式计算q1、q2如公式（2）所示

令q1=q2

即可求得下游逸出高度a0

经回代后求出渗流量q=q1=q2

已知渗流量q后

即可按照公式（3）

求取对应于不同横坐标x的浸润线高度y

将一系列y点相连即得初始浸润线

然后需对进口段浸润线如图中

黑色虚线进行调整

使其起点移动至O点

浸润线在O点与上游坝面垂直

并与下游侧浸润线平滑连接

如此即可得到最终的浸润线OE曲线

对于心墙堆石坝

采用水力学法进行渗流计算如图所示

计算思路与上述均质土坝相似

将心墙等效成

具有平均厚度tc的矩形断面渗流区

假设心墙下游逸出点处水深为H

分别列出流经心墙区的渗流量q1

以及流经下游堆石区的渗流量q2

根据流量相等条件

令q1=q2

即可求得下游逸出点的水深H

回代后求得流量q

此后根据公式求解心墙中

不同的x对应的浸润线高度y即可

值得强调的是

心墙堆石坝由于心墙土料的渗透系数

相对坝壳堆石料来说要小得多

其差距常达到十的五次方倍以上

坝体上、下游水头差的损失

绝大部分发生在心墙中

坝壳堆石料由于渗透系数较大

水头损失微乎其微

所以

采用上述方法计算时

所得下游逸出高度基本接近于0

即逸出点水深H约等于下游水深H2

且由于梯形的心墙被简化为矩形

上游堆石体中的微小水头损失也未计入

这些简化使得最终计算

所得心墙内的浸润线将存在明显误差

甚至出现部分浸润线逸出

至心墙下游面外侧的奇异情况

需进行部分修正调整

这是值得同学们注意的

渗流计算的第二种方法是流网法

关于流网法的原理

结合如图所示土基内的

不透水板桩进行简要介绍

板桩上下游水头差为△H

在水头差作用下发生下部地基内的渗流

根据渗流理论

如图所示在地基内大致画出

蓝色线条的流线和红色线条的等势线

等势线和流线的分布需满足以下几点

1、等势线和流线在相交处互相垂直

2、沿板桩的壁面线作为第一条流线

上、下游侧水体底部分别作为

第一根和最后一根等势线

3、每两根相邻的等势线间

水头差相等

每两根相邻流线形成的流道内

渗流量相等

4、若土体渗透系数各向同性

则等势线和流线相交所得的

每个正交网格的两向尺寸相当

类似于正方形网格

即图中绿色阴影网格

其长度s=L

若考虑渗透性的各向异性

则正交网格变为扁平形状

经过试画及逐步调整

得到满足上述特点的等势线和流线后

即可进行渗流场的分析

当等势线有n条时

水头差△H被分割成n-1等份

则每两条相邻等势线间的

水头差△h=△H/（n-1）

由此可计算任一网格内

沿流线方向的水力梯度i

例如绿色阴影网格

其水力梯度i=△h/L

进而

根据达西定律

可以计算通过绿色阴影网格的流速v=k×i

以及单个流道的流量q=k×i×s

当流线有m条时

流道个数为m-1个

则地基总的渗流量

Q=（m-1）q=（m-1）k×i×s

根据上述过程

地基总的渗流量、地基内各处的水力梯度

流速等均可求出

以上即是流网法的计算原理

将流网法用于土石坝的渗流分析

其原理相同

如图所示为均质土坝的流网图

根据流网可大致估算通过坝体的

渗流量及各处的水力梯度

为加快排水

均质土坝以及下游坝壳料渗透性较弱的土石坝

一般在下游底部设置排水措施

如图所示分别为设置棱体排水

和褥垫排水时的流网图

可以看出

排水的设置有效降低了浸润线

可使得下游坝坡的稳定性提高

计算土石坝渗流的第三种方法为有限元法

如图所示

该方法的优点是可以模拟

多种不同渗透性的土石料分区

考虑坝基的帷幕灌浆

以及坝基内的不良地质条件

如透水性较大的断层、破碎带等

可以得到相对精确的计算结果

但其建模过程较为复杂、耗时

一般用于大型重要工程的

三维渗流场计算分析

上述渗流分析除了计算浸润线

渗漏量、水力梯度外

还需核算关键部位的渗透稳定性

这就是土石坝的渗透变形问题

土石坝渗透变形的型式主要有4种

管涌、流土、接触流土、接触冲刷

管涌是指在渗流作用下

土中的细颗粒由骨架形成的孔隙通道中

被水流带走而流失的现象

流土是指在向上的渗流作用下

表层的局部土体被顶起

或是粒团发生浮动而流失的现象

如图所示的土石坝或堤防

在上下游水头差的作用下

在坝基内发生渗流

若下游出口处向上的渗透力分量较大

且出口处无保护措施

则在出口处易形成流土

出现如图所示的喷砂冒水等现象

伴随着土颗粒的流失

这种流失逐步向上游方向发展

水力梯度和流速进一步加大

更多的土颗粒被水流带走

逐渐形成较大的集中渗漏通道

即成为管涌破坏

有的管涌通道直径可高达m级

如图所示

管涌通道的存在易造成土石坝

或堤防的坍塌跨坝

危害极大

管涌和流土都是发生在单一土层中

而接触流土和接触冲刷发生在两层土层中

如图所示

接触流土为渗透系数相差悬殊的

两层土层交界面上

在垂直于层面的渗流作用下

将渗透系数较小的细颗粒

带入渗透系数较大的粗颗粒土层中的现象

接触冲刷为渗流沿着

两个不同渗透系数土层的接触面流动时

将细颗粒沿接触面带走的现象

那么

如何判别某种土体容易发生

何种型式的渗透变形呢

这主要取决于土体中细颗粒的含量

密实程度和孔隙率

对于管涌和流土的判别

通过细粒含量Pc与临界含量Pk大小的

对比来判别管涌或流土

其中临界含量Pk的计算公式如图所示

当Pc

一般发生管涌型破坏

当Pc>Pk时

一般发生流土型破坏

对于不均匀系数Cu>5的不连续级配土

也可以按Pc的大小判别

当Pc<25%时为管涌型

Pc>35%时为流土型

Pc介于25%~35%时为过渡型

上述仅为容易发生的渗透变形型式的判别

至于某种土层的渗透变形是否会发生

关键因素在于水力梯度

当土层承受的水力梯度大于临界水力梯度时

将发生渗透变形

关于不同渗透变形型式所对应的临界水力梯度

常用的计算公式如图所示

多为经验公式

与土体的孔隙率、粒径大小等密切相关

工程实际中

一般还需设置渗透稳定安全系数k

保证土体承受的最大水力梯度不大于

临界水力梯度Jcr除以k

使得土体的抗渗能力有一定的安全裕度

以避免渗透变形的发生