（精）第三节 土石坝的渗流分析.ppt

第三节 土石坝渗流分析 Seepage Flow Analysis of Earth-Rock Dam 第五章 土石坝 概述 土石坝剖面的基本尺寸 土石坝渗流分析 土石坝的稳定计算 土料选择与填土标准确定 土石坝构造 土石坝的地基处理 土石坝与地基、岸坡及其它建筑物连接 渗流分析的主要任务 1)确定浸润线位置: 为坝坡稳定计算和布置坝内观测管提供依据，根据浸润线的高低，选择排水设施型式和尺寸。 2）确定渗透比降（坡降）： 确定坝坡渗流逸出点和下游地基表面的渗透比降和不同土层的渗透比降，评判该处的渗透稳定性，以便确定是否应采取有效的防渗反滤保护措施。 3）确定坝体与坝基的渗流量： 估算水库的渗漏损失，以便加强防渗措施，把渗流量控制在允许的范围内。 一．渗流分析方法概述 渗流分析：解析法、流网法、电模拟法和数值法。 (1)流体力学法 流体力学法是根据已知的定解条件，如初始条件和边界条件，求解渗流的基本微分方程（拉普拉斯微分方程），从中得到精确的渗流要素（包括流速、比降和渗透压力）。此法立论严谨，计算成果精确，但只能求解边界条件简单的渗流问题，不便应用于边界条件复杂的实际工程。然而，利用它对某些简单边界问题的解析成果与水力学方法结合起来，可提高水力学法的计算精度。 （2）水力学法 这是近似的解析法，但必须基于以下基本假设： 1）假设渗透系数K在同一或相近的土料中各向同性； 2）假设坝体内部渗流为层流，认为坝内渗流符合达西定律； 3）假设坝体内部渗流为渐变流（杜平假定），认为渗流场中任意过水断面各点的水平流速和比降都是相等的。 这种方法不完全符合拉普拉斯方程，因而不能精确求出任一点的水力要素。但其所确定的浸润线、平均流速、平均比降和渗流量，已能满足（Ⅲ—Ⅴ级）土石坝工程的精度要求。 渗流分析方法 （3）数值解法 渗流计算的数值解法一般采用有限单元法。有限单元法是目前解决复杂渗流问题的最有效方法，对I、II级坝和高坝应采用数值法计算渗流场的要素。 （4）流网法 用手工绘制流网，利用流网求解平面渗流问题的水力要素，也可用来解决较复杂的边界问题。 二、渗流分析的水力学法 水力学法土石坝渗流分析的基本思路是： ①把坝内渗流区域划分为若干段（一般为两段），②建立各段水流的运动方程式，并根据渗流的连续性原理求解渗流要素和浸润线。 另外，考虑到工程实际情况的坝体和坝基渗透系数的各向异性，而在采用水力学法进行渗流分析时又需把渗透系数K视为常量。 《碾压式土石坝设计规范》规定：渗透系数K: 计算渗流量时，宜采用大值平均值； 计算水位降落时的浸润线宜采用小值平均值。 K相差5倍以内的土层可视为同一种土层，其渗透系数由加权平均计算。 水力学法计算以下渗流类型 矩形渗流区无压渗流分析 不透水地基均质坝的渗流计算 下游无排水（贴坡排水）设施情况 下游有褥垫式排水设施情况 下游有堆石棱体排水设施情况 有限深度透水地基土石坝的渗流计算 均质坝 有截水墙的心墙坝渗流计算 设有截水墙的斜墙坝渗流计算 设有水平铺盖的斜墙坝渗流计算 4.总渗流量的计算 (一)矩形渗流区无压渗流分析 (二)不透水地基均质坝的渗流计算 虚拟等效的矩形代替上游坝体三角形 （图5-3(a)）虚拟矩形宽度按式（5-5）计算: （5-5） 式中:m1 —上游坝面坡度系数，变坡时平均值 H1 —上游水深。 图5-3 不透水地基均质土坝渗流计算图 无排水设施均质坝 无排水设施均质坝 同理，积分区间从EO断面至逸出点CC断面可得: （5-7） 下游段分析 水面以下坝体渗流量 水面以下坝体渗流量为: 第三节 土石坝的渗流分析 根据流量连续性原理，对式（5-7）和（5-8）联解就可求出未知量和〔联解时可把代入式（5-7）〕，浸润线按式5-6计算。 3）讨论分析 （2）下游设有水平排水设施情况 下游有褥垫式排水设施情况 下游设有水平排水设施情况 把边界条件 、 代入(5-11)式，即可求得: (5-12) （3）下游有堆石棱体排水设施情况: (三)有限深度透水地基土石坝的渗流计算 当有棱体排水时（图5-5），因地基产生渗流使得浸润线有所下降，可假设浸润线在下游水面与排水体上游面的交点进入排水体（即h0=H2 a0=0），则通过坝体的渗流量 可表达为： 第三节 土石坝的渗流分析 第三节 土石坝