土石坝渗流与稳定

土体在渗流作用下是否产生渗透破坏，主要取决于土体本身的抗渗强度，以临界坡降
作为判定标准
一般管涌按下式计算：
Jc 42d /
k n3
其中：d——流失颗粒的粒径，可取为小于这个粒径土壤颗粒占3％～5％，cm；k——渗透 系数，cm/s；n——孔隙率。
对流土通常采用太沙基公式：
J c s/0 1 1 n
2. 流土
在渗流作用下，土体同时浮动或流动，多发生于粘性土或均匀的非粘性土中
3. 接触流失
渗流垂直于渗透系数相差较大的两相邻土层的接触面二流动时，将渗透系数小较小 层中的细颗粒带入渗透系数较大的另一土层.
4. 接触冲刷
当渗流沿着粗细两种土层的接触面或建筑物与地基的接触面流动时，沿层面带走细颗 粒的现象.
x k h2 y2 2q
三 流网法
适用：剖面、边界条件复杂，用计算方法比较困难时 流网绘法： 根据经验确定浸润线位置及逸出点 将上、下游水位差分为n等分，等分水平线与浸润线交点即等势线与浸润线的
交点，由这些交点绘制等势线 绘制与等势线正交的流线。反复修正为相互正交、长宽相等网格，即流网 由流网求渗流要素
单宽流量为：
qm•qk•H1H2m n
式中：m为流管数，其值为流线总数减去1。
作用在I 处单位土体的渗透力为：
fi •J
(二） 不同土层分界处的流网
渗流通过两种不同土壤的交界面，其流线和等势线将发生转折，按 照连续条件，通过相邻两流线的流量不变：
d q k1J1 d1 sk2J2d2s
vi
kH1 H2 n
1 •
li
流 格管 相的 邻流流量 线为 之： 间 的q距离vi ，ci即i网kH 格1的 n高H度2 ，cli如i 为正式方中形
c
为i点所在的网
i
li ci,此时：
根据流网性质，在正交曲线簇组成的流网中，个流管的渗流量应该相
同： qkH1 H2 ， 于是单宽流量为： n
的15％。
第五节 土石坝的稳定分析
一 目的
分析坝体及坝基在不同工况下可能的失稳型式，验算其稳定性，定出经济剖面。
二 可能失稳型式
土体抗剪强度不足——滑动 坝基内有软弱夹层——塑性流动 饱和细沙受地震荷载作用——液化
三 滑动面型式
曲面——粘土坡 折线——非粘性土坡 复式——厚心墙坝或坝基内存在软弱夹层
L y2 he2 x 2he
浸润线通过 E(x0,yH 1)点:
L

H
2 1
he2
2he
he L2H12 L
有褥垫排水的渗流计算图
由此可得EODBA段的单宽流量：
k
q
H12
he2
2L
下游棱体排水：当下游无水时和褥垫式相同；当下游有水时，如下图所示，可将下游水位 以上部分按照无水情况处理。
一 土石坝渗流的基本方程及其解法
（一）渗流的基本方程
土坝渗流为层流，渗流区内任一点满足拉普拉斯方程：
kx
2H x2
ky
2H y2
0
式中：k x
、k
为
y
x、y
方向的渗透系数
（二） 渗流问题的水力求解
假设: 均质, 层流, 稳定渐变流. 应用达西定律(Darcy’s Law)，假定任一铅直过水断 面内各点的渗透坡降相等。如图示为一不透水地基上的矩形土体，此时过流断面上的平 均流速为：
图6-15 土坝浸润线示意图
二 计算土石坝渗流的水力学方法
（一）不透水地基上土石坝的渗流计算
1. 均质坝的渗流计算
下游无排水：计算时把土石坝断面分为上游三角形、中间段和下游三角形三段 上游三角形渗流区域的等效宽度为：
L
m1 12m1
H1
将上游三角形和中间段合成一段
通过 EO BB 这段渗流区域的渗流
土层接触面处的渗透变形
1－渗流；2－粘性土；3－砂砾；4－粘土
（二） 渗透变形型式判别
影响渗透变形的因素：土体密实度程度、颗粒级配、细粒含量
渗透变形形式判断依据：
不均匀系数
10 流土
1020
过渡型 管涌
20
Βιβλιοθήκη Baidu
细颗粒含量
>35% 25~35%
<25%
流土 过渡型 管涌
（三） 渗透破坏标准
内的土体其绕圆心的抗滑力矩大于滑动力矩则稳定，否则边坡丧失稳定 单个可能滑动体的方法与步骤：
首先确定坝体浸润线位置，在不同区域采用不同的物理力学性质指标。坝体浸 润线以上采用湿容重。对浸润线以下的坝体，计算滑动力矩时用饱和容重，计算抗 滑力矩时则用浮容重。
将圆弧内土体分成若干条，为方便计算，土体宽度b取为半径R的份数，即 b ＝R/m，m常用10～20。
型式：土反滤、土工织物反滤
基本要求： 透水性大于被保护土，能通畅的排除渗透水流 使被保护土不发生渗透变形 不致被细粒土淤塞失效 在防渗体出现裂缝情况下，土颗粒不会被带出反滤层，能使裂缝自行愈合
反滤层的设计： 反滤料一般采用比较均匀的抗风化砂、砾卵石或碎石。反滤层的级配和层数通过计
算比较确定。一般要求反滤料的不均匀系数 <5~8；相邻两层间系数应满足：
确定坝体与地基渗流量，以便估计水库渗漏损失和确定坝体排水的尺寸 确定坝坡出逸段与下游地基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透坡降，
以判断该处的渗透稳定性 确定库水位降落时上游坝壳内自由水面的位置，估算由此产生的孔隙压力，
供上游坝坡稳定分析之用
常用的渗流分析方法：流体力学方法、水力学方法、流网法和试验法。
D40~60 8~10
d40~60
对于被保护土的第一层反滤料，建议：
D15 / d85 4 ~ 5 D15 / d15 5
式中，D15 ——反滤料的粒径小于该粒径的土占总土重的15％； d 85 ——被保护土的 粒径，小于该粒径的土占总土重的85％；d 15 ——被保护土的粒径小于该粒径的占总土重
根据水流连续条件 qq1 q2
联立求解即可得浸润线方程和逸出高度。
下游有褥垫排水： 根据流体力学分析表明，浸润线可由一通过E并以排水起点
为焦点的抛物线来表 示。 B点高度为 h e ，则C点位置l1 he /2 。由于浸润
线过 B(xL,yhe) 和 C (xLh e/2 ,y0 )， 浸润线方程为：
竖向地震力也按水平向地震惯性力公式计算，其中
KV

2 3 KH
Pi KVCzaiWi
对设计烈度是8、9度的Ⅰ、Ⅱ级坝，应同时考虑水平向和竖向地震惯性力，此时竖向地震 惯性力还应乘以0.5的遇合系数。
五 计算工况
正常运用时
水库正常蓄水位 水位降落 最不利水位时
下游坡 上游坡 上游坡
非常运用时
水位骤降 k 1 3 c 0 /s m ,v 3 m /d上游坡
几种不同类型土石坝的流网图如下：
（a）
（b）
（c）
不同类型土石坝的流网图
（a）均质坝；（b）粘土心墙坝；（c）粘土斜心墙坝
四 渗透稳定的计算
（一）渗透变形的形式 1. 管涌
多发生在缺乏中间粒径的非粘性土中，细颗粒先被渗流带走，土的孔隙逐渐增大，继 而较大颗粒相继带出，形成挟沙渗流集中通道，导致土体结构破坏.
需考虑工况 （对粘性土）施工期、库水位骤降时、地震时 考虑方法 总应力法与有效应力法
3. 地震荷载
地震惯性力按拟静力法计算，沿坝高作用于质点i处的水平向地震惯性力PI为：
Pi KHCzaiWi
式a中i —：K—H地震—加—速水度平分向布地系震数系；数W，i 与—地—震集烈中度在有i质关点；的C质z 量——综合影响系数，常取0.25；
其中： s ——土粒容重； 0 ——水的容重；n——土的孔隙率。
（四） 增加渗透稳定性的工程措施
增大渗透途径，降低渗透坡降或截阻渗流 增设排水沟或减压井，降低下游渗流出口处的渗透压力，将渗水由计划的排出
（五） 反滤层设计
作用：渗流出口或进入排水处，坡降较大，流速较快，易产生渗透变形。为防止土体 在渗流作用下发生渗透变形，防渗体与坝壳或坝基透水层之间、排水与坝体和土壤之间 必须设置反滤层。
AA1、BB1为等势线，假定此时两等势线之间的水头损失为dh，则：
dh
dh
k1d1tsg 1d1sk2d2st g 2d2s
tg1 k1 tg 2 k2
A1B=ds1tg1 AB1=ds2tg2 不同土层界面处的流线
（三） 各向异性土体内的流网
受施工与沉积因素影响，坝身、坝基的水平向渗透系数一 般大于竖直向，若达几倍以上则应考虑土体的各向异性。在绘 制流网时，先变换实际剖面，水平尺寸按 x1 ky /kx •x 换算， 然后在变换的剖面上按一般方法绘制成网，最后将该剖面及流 网的水平尺寸乘以 ky / kx ，即可得实际剖面的流网。
坝坡稳定计算示意图
以i土条为例，其自重 G i1 h i 2 h i 3 h i b ，G i 在滑弧上可分解为切向分力
第四节 土石坝的渗流分析
散粒体的渗流：水库蓄水后，由于上下游水位差的关系，水流会通过坝体土
。 粒之间的空隙从上游向下游流动
图6-13 渗流示意图
第四节 土石坝的渗流分析
渗流计算目的：为确定经济可靠的坝型和合理的结构尺寸提供重要依据 渗流计算任务：
确定坝体浸润线及其下游逸出点的位置，绘制坝体积地基内的等势线分布或 流网图，提供坝体稳定分析、应力计算和排水设备选择之用
流网的绘制
（一） 渗流要素计算
渗流场内任一点i的流速，可用i点所在网格的平均流速来代表：
h
vi
k•Jk• li
其中，k为土壤渗透系数； l i 为i点所在网格相邻两根等势线之间的平
均流线长度；h为两根等势线之间的水头差 H1 H 2 ，H1、H2为上下
n
游水头；n为等势线的 数目。因而：
将心墙简化成等 厚的矩形断面:
121 2
则通过心墙段的单宽 流量为：
q1
kc
H12 h2
2
心墙坝的渗流计算
心墙下游坝壳的单宽流量为：
q2
k
h2 t2 2L
根据 qq1 q2联立求解，可求得心墙后浸润线高度h 和渗流量 q 。下游坝壳的浸润线
仍按
H12
四 荷载
1. 坝体自重
土石坝的主要荷载，应根据其位于水上、水下情况分别选取湿容重、浮容重计算
2. 孔隙水压力
机理 土体可压缩，水不可压缩，且不能传递剪力，当土体孔隙被饱和后，其上
所加荷载将全部由水承担，在孔隙水因受压而排出时逐渐转移到土体骨架上。土体 骨架承担的有效应力与孔隙水压力之和为总压力
施工期上下游坡 校核水位下游坡 地震时上、下游坡
六 抗滑稳定分析方法
土石坝的坝坡稳定分析常采用极限平衡理论。依据不同的滑坡形式，分为圆弧滑动 法、折线滑动法和复式滑动法。
1. 圆弧滑动法
（1）瑞典条分法 适用范围：均质坝、厚心墙和厚斜墙坝的可能滑动面都近似圆弧 原理：假定坝体或坝基有一系列圆柱型破坏面，按平面问题考虑即为圆弧面。圆弧
y2
2q x k
计算
。
3. 斜墙坝的渗流计算
斜墙坝渗流计算
将变厚度的斜墙简化成为厚度为 的等厚斜墙， 121 2 这样
通过斜墙的渗流量为：
q1
kc H12 h2
2sin
斜墙后坝壳的渗流量为：
q2
k
h2 t2 2L
由 qq1 q2 联立求解可得q和h。坝体的浸润线方程仍为：
v k dy dx
设单宽流量为q，则
qv•yk•y•dy dx
(*)
将上式自上游面（x=0,y=H1)至下游 面（x=L, y=H2)积分，得：
H
2 1

H
2 2

2q k
L
q

k
H
2 1

H
2 2
2L
对（*)积分，可得浸润线方程：
H12
y2

2qx k
不透水地基上矩形土体的渗流计算图
2
heL2H 1t L
单宽流量为：
q2kLH12het2
有棱体排水时渗流计算图
2. 心墙坝的渗流计算
心墙土料的渗透系数一般很小，比坝壳10小4 倍以上，计算时可不考虑上游楔体降 落水头的作用。下游坝壳的浸润线比较平缓，水头主要集中在心墙部位损失。当下 游有排水时，近似的假定浸润线的逸出点为下游水位和堆石内坡的交点A，如下图 所示。
量为：
q1kH122L a0t2
均质坝计算简图
下游三角形 BBN 段，以下游
水面为界，分为水上部分 BBC和
水下部分 NBBC 。 BB 和 BN
为等势线，BB 非等势线也非流线。
应用达西定律可得其渗流量：
q2
ka0 m2
1lna0a0 t