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第三节 土石坝的渗流分析

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第 1 页 共 7 页 第三节 土石坝的渗流分析

一、渗流分析的目的

1) 确定浸润线的位置；

2) 确定坝体和坝基的渗流量；

3) 确定渗流逸出区的渗透坡降。

二、渗流分析方法

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。

三、水力学方法

水力学方法基本假定: 均质, 层流, 稳定渐变流。

1）渗流计算的基本公式

图4－19表示一不透水地基上的矩形土体，土体渗透系数为k，应用达西定律和假定，全断面内的平均流速

v等于：

dxdykv （4-8）

设单宽渗流量为q，则：

dxdykyvyq （4-9）

将上式分离变量后，从上游面（x=0，y=H1）至下游面（x=L，y=H2）积分，得：

LkqHH22221

即： LHHkq2)(2221 （4-10）

若将式（5-9）积分限改为：x由0至x，y由H1至y，则得浸润线方程：

xyHkq2)(221

即： xkqHy221 （4-11）

2）水力学法渗流计算

用水力学法进行土坝渗流分析时，关键是掌握两点：一是分段，根据筑坝材

第 2 页 共 7 页 料、坝体结构及渗流特征，把复杂的土坝形状通过分段，划分为几段简单的形状。二是连续，渗流经上游面渗入、下游面渗出，通过坝体各段渗流量相等。以此建立各段渗流之间的联系。

一、不透水地基上土坝的渗流计算

（一）均质土坝的渗流计算

1．下游有水而无排水设备或有贴坡排水的情况

如图4－20所示，可将土石坝剖面分为三段，即：上游三角形段AMF、中间段AFB″B′以及下游三角形B″B′N。根据流体力学原理和电模拟试验结果，可将上游三角形段AMF用宽度为△L的矩形来代替，这一矩形EAFO和三角形AMF渗过同样的流量q，消耗同样的水头。△L值可用下式计算：

11121HmmL （4-12）

式中：m1为上游边坡系数，如为变坡可采用平均值。

于是可将上游三角形和中间段合成一段EO B″B′,根据式(4-10），可求出通过坝身段的渗流量为：

LHaHkq2])([220211 （4-13）

式中：a0 为浸润线逸出点距离下游水面的高度；H2 为下游水深；L为EO

B″B′的底宽，见图5-20。

通过下游段三角形B′B″N的渗流量，可以分为水上和水下两部分计算。应用达西定律其渗流量可表示为： 图4－20 不透水地基上均质坝渗流计算图

第 3 页 共 7 页 )1(020202aHanmkaq （4-14）

然后，根据水流连续条件q=q1=q2，联立方程（4-13）、（4-15）即可求得a0和q值，浸润线方程可由式（4-11）求得。

求出浸润线后，还应对渗流进口部分进行修正：过A点作与坝坡正交的平滑曲线，其下端与计算求得的浸润线相切于点A′。

2、下游有褥垫排水

根据流体力学的分析，图4-21所示的浸润线可用通过E点并以排水起点D为焦点的抛物线表示。若B点高度为h0，则C点距D点的距离为201hl。由于浸润线过点B（x=L′，y=h0）和C（x=20hL，y=0），故浸润线方程可表示为：

xhhyL02022 （4-15）

又因浸润线通过点E（x=0，y=H1）,故：

LHLh2120 （4-16）

再根据式（4-10），得通过坝身单宽渗流量q为：

LhHkq2)(2021 （4-17）

当下游为堆石棱体排水且下游无水时，仍按上述褥垫排水情况计算。当下游有水时，可将下游水面以上部分按照褥垫式下游无水情况处理，即：

LHHLh22120)( （4-18）

单宽渗流量可按下式求得：

])([220221hHHLkq

（4-19）

浸润线仍按式（4-11）计算。

图4－21 有褥垫排水时渗流计算图

第 4 页 共 7 页 3、 有棱体排水

})({(220221hHHLhq

LHHLh22120)(

xkqHy221

当下游无水时,按上述褥垫式排水情况计算。

4、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，水头主要在心墙部位损失。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，δ＝（δ1+δ2)/2,则可求通过心墙段的单宽流量q1和心墙下游坝壳的单宽流量q2，联立求得心墙后浸润线高度h和q

2][2211hHkqcLthkq2][222

第 5 页 共 7 页 二、有限深透水地基上土坝渗流计算

1、均质坝渗流计算

首先按不透水地基上均质坝的计算方法，确定坝体的渗流量；再假定坝体不透水，根据渗流的达西定律，按式下式计算地基的渗流量q；然后取总单宽流量q为两者之和。

式中n为流线弯曲对渗径的影响，可查表。

L0/T 20 5 4 3 2 1

1.05 1.18 1.23 1.3 1.44 1.87

2、带截水槽的心墙坝渗流计算

如图4-23为一带截水槽的心墙坝。设心墙和截水槽的渗透系数为k0，忽略心墙前坝壳内的水位降落，可将渗流计算分为防渗体段和墙后段两部分，计算时取心墙平均厚度δ。

01nLTHkqT图4-23 透水地基上带截水槽的心墙坝的渗流计算图

第 6 页 共 7 页 通过防渗心墙和地基截水槽的单宽渗流量为：

2)()(22101ThTHKq （4-22）

墙后段的流量为：

TTLHhkHmLHhkqT44.0)()(2)(2222222 （4-23）

上式中： 0.44T是对流线弯曲渗径的修正，其余各符号意义见图4-23。

根据水流连续条件，qqq21，联立式（4-22）和（4-23），可求得墙后水深h和q。心墙内的浸润线按式（4-11）计算，墙后浸润线可按式（4-21）计算。当T=0时，可得不透水地基上心墙坝的渗流计算公式。

（二）带截水槽的斜墙坝渗流计算

如图4-24所示为有截水墙的斜墙坝，计算分为斜墙截水槽和其后坝体及地基段，并分别用平均厚度δ和δ1代替变厚度的斜墙和截水槽。

通过斜墙及截水槽的渗流量为：

ThHKhHKq11022101)(sin2)( （4-24）

式中：h— 斜墙后的水深。

斜墙及截水槽后的渗流量为：

TTLHhKHmLHhKqT44.0)()(2)(2222222 （4-25）

根据水流连续条件，qqq21，联立等式（4-25）和（4-25），可求得墙后水图5-24 透水地基上带截水槽的斜墙坝的渗流计算图

第 7 页 共 7 页 深h和q。心墙后的浸润线仍可按式（4-21）计算。当T=0时，可得不透水地基上斜墙坝的渗流计算公式。

三、总渗流量的计算

前面计算的是通过坝体和坝基的单宽渗流量。由于沿坝轴线的各断面形状及地基地质条件并不相同，因此计算通过坝体的总渗流量时，可根据具体情况将坝体沿坝轴线划分为若干段（图4-25所示），分别计算出每个断面的单宽流量，然后按下式计算全坝的总渗流量。

1122111)()21nnnnnlqlqqlqqlqQ（ （4-26）

式中：1q、2q、…、nq为断面1、2、…、n的单宽渗流量；

1l 、2l、…、nl、1nl为相邻两断面之间的距离。

防止渗透变形的工程措施：

（1）设置防渗设施，拦截渗透水流，延长渗径，降低渗透坡降。

（2）设置排水沟或减压井，降低下游渗流出口处的渗透压力。

（3）对可能发生管涌的部位，需设置反滤层，拦截可能被渗流带走的细颗粒；对下游可能产生流土的部位，可以设置盖重以增加土体抵抗渗透变形的能力。

图4-25 土坝总渗透流量计算示意图

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土坝的渗流问题分析

土坝的渗流问题分析

1 土坝的渗流问题分析

及其控制措施和监测技术

前言：渗透破坏是土石坝坝体的常见病害,设计一套可靠的渗流监测系统是保证土石坝坝体安全运行的必备措施。土石坝浸润线位置的高低是影响坝体渗透稳定和抗滑稳定的最重要的因素之一。对于土石坝渗透水溢出点的渗透坡降较陡时,坝坡就会发生流土、管涌,甚至滑坡、垮坝。科学地对土石坝进行渗透监测,为水库安全运行、坝体安全稳定提供科学依据。

摘要: 土坝破坏来源于水和其它外力的侵袭以及土体强度的不足,其中渗流产生的坝体破坏占有较大比例,且造成的后果极为严重。通过土石坝产生渗流破坏的现象分析,掌握其发展规律,利用地质勘探合理确定的边界条件,有针对性地选择土石坝的渗流控制设计方案。

关键词:土坝渗流破坏 基本内容 控制措施 渗流问题的重要性 防渗加固 渗透破坏

渗流监测 渗流监测布设技术

在水利工程中,地表水的冲刷破坏常会引人注意,也比较容易发现和挽救，而地下水的冲刷目不能见,常被忽视,有时问题一经发现,会立即导致工程的破坏,难以补救。因此，一般水利工程受地下水渗流冲刷破坏者常比地表水冲刷破坏者为多,而堤坝渗流的问题更为严重。据米德布鲁克斯调查统计美国206座破坏的土坝中,由于渗漏管涌破坏者占39%,由于漫顶破坏者占27%,由于滑动及沉陷裂缝者占18%,由于反滤料流失、块石护坡下没有滤层、坝端处理不好、波浪和地震等原因破坏者占17%,由此可见渗流破坏作用的严重性。我国在20世纪90年代初的统计资料,全国存在渗漏问题比较严重的大型水库有132座,遍及各省,其中土石坝渗漏的就有106座,约占80%。

1.土坝的渗流破坏

土石坝破坏来源于水和其它外力的侵袭以及土体强度的不足。原因不同,发生的现象也有不同，除去坝端三向浇渗破坏和漫顶溢流垮坝者外,从土坝剖面上看，问题主要如图1：

图1所示几种状况,并且分别说明如下:

①图a是砂层地基的承压水顶穿表层弱透水粉质壤土或淤泥的薄弱环节,发生局部集中渗流形成流土泉涌现象,并继而向地基的上游发展成连通的管道。此时如果大管涌道失去拱的作用,堤坝即裂缝下沉而破坏,严重者还会在临水侧坝脚附近引起水流旋涡。对于土坝上游黏土铺盖的裂缝失效以及河堤临水侧的河水淘刷等不利因素,均能加速破坏。

土石坝渗流分析范文

土石坝渗流分析范文

土石坝渗流分析范文

土石坝是一种以土石材料为主要构建材料的坝体结构。在水库工程中，土石坝是常见且重要的一种坝型。为了确保土石坝的安全运行，需要对其渗流特性进行研究和分析。本文将介绍土石坝的渗流分析方法和关键因素，并提出一些改进建议。

渗流是流体通过孔隙介质的过程，土石坝的渗流问题是指水从坝底或坝体渗透、穿透到坝体下游的行为。对这种渗流行为进行分析，可以帮助我们了解土石坝内部水流的路径、速度和压力变化等重要参数，从而为工程设计提供依据。

需要注意的是，土石坝的渗流行为与坝体的材料性质、坝体结构、坝中水流条件以及渗透压力等多个因素有关。因此，在进行渗流分析时需要考虑以下几个关键因素：

1.材料性质：土石坝的渗透性主要取决于其材料的孔隙性质和渗透系数。通常情况下，通过实验测定的材料渗透系数可用于渗流模型分析。

2.坝体结构：土石坝的结构类型可以分为心墙坝、重力坝和填料坝等。不同结构类型的渗流行为有所不同。在渗流分析中需要对坝体结构进行合理的几何划分和边界条件设定。

3.坝中水流条件：坝中水流条件是指坝体内部的水流强度和流动路径。一般来说，坝底渗流和坝体侧面渗流是土石坝内渗流的两个重要方面。

基于以上关键因素，我们可以采用一些常见的渗流分析方法进行土石坝的渗流分析。其中，渗流模型和数值模拟是两种常用的方法。 渗流模型是一种基于物理实验的方法，通过构建一个与土石坝实际情况相似的实验模型，来观察和分析渗流行为。这种方法可以控制实验条件、减小模型尺寸和保持模型的相似比，从而提供直观的渗流过程和参数变化。但是，渗流模型方法的缺点是成本较高且实验周期较长。

数值模拟方法是一种基于计算机软件的数值计算方法，通过建立数值模型和模拟土石坝渗流过程来研究和分析渗流行为。这种方法可以模拟复杂的物理现象，通过不同的数值模型和参数设定，准确的预测渗流过程和关键参数变化。这种方法的优点是计算速度快且成本低廉，可以方便地进行不同条件下的敏感性分析和优化设计。

土石坝工程渗流原因和控制策略分析

土石坝工程渗流原因和控制策略分析

土石坝工程渗流原因和控制策略分析

土石坝是一种常用的挡水建筑物，既然挡水则必然伴随着渗流。根据国内外的大量资料显示，由于渗流破坏而造成土石坝失事的比例占到35%左右。因此，在土石坝设计中进行渗流分析是有效降低土石坝渗漏破坏、布设防渗措施的重要前提。

1、引言

水库是水利产业的重要措施，建国后我国已兴建了各类水库。因为水库受修建时间较长、当时的技术等因素所限制，现在大部分水库带病工作，事故较多，对人民生产和国民经济产生了一定影响。由于当时历史条件及技术、经验不足等原因，很多水库工程存在着不同程度的质量和防洪标准问题，使水库事故不断增加，给国家和人民生命财产造成了重大损失。土坝存在问题，除防洪标准偏低外，主要是工程质量问题，具体表现在渗漏、滑坡和裂缝。概括起来，是一个防渗加固问题，一般处理防渗的原则是“上堵下排”。上堵的措施有垂直防渗和水平防渗。垂直防渗有混凝土防渗墙、高压喷射灌浆防渗、劈裂灌浆防渗、冲抓套井回填防渗、倒挂井防渗、土工合成材料防渗、射水造孔混凝土墙防渗和岩溶帷幕灌浆防渗等。水平防渗有人工粘土铺盖和利用天然铺盖等，并结合下排的措施有：在坝体背水坡脚附近开挖导渗沟、减压井和盖重压渗等。

2 土石坝渗流破坏的主要形式

2.1 坝体渗漏

土石坝产生坝体渗漏的表现形式有两种：

（1） 在下游坝面出现渗水或散渗。

（2） 在下游坝面出现集中渗漏。

渗水或散渗的产生是由于坝体渗透水量超过了允许范围或渗流溢出点太高，

这种情况会导致下游坝面产生沼泽化，坝体浸润面抬高，坝坡土体的抗剪强度减小，坝体产生滑坡或滑塌的可能性大大增加。集中渗漏的产生是由于在坝体内有裂缝等薄弱层的存在，导致水库蓄水后在坝体内形成渗漏通道。施工时坝体分层碾压不充分，将比较容易导致坝体裂缝的产生。

2.2 坝基渗漏 土石坝勘测时若遇坝基地质条件不佳， 设计和施工时应采取必要的工程处理措施，如清基、换填、灌浆等。若设计、施工处理不当，清基不彻底或未采取必要的防渗措施，水库蓄水后，土石坝坝后地面及坝基容易产生膨胀、断裂和泡泉等渗漏现象，严重影响坝体的稳定性。

土石坝渗流

土石坝渗流

土石坝渗流

土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝、以石渣、卵石、爆破石料为主时，称堆石坝；当两类当地材料均占相当比例时，称土石混合坝。土石坝是历史最为悠久的一种坝型。

土石坝渗流基本概况：

渗透变形是指在坝体及坝基中的渗流作用下，由于其机械或化学作用，使土体颗粒流失、产生局部破坏的变形(如管涌或流土等)。

渗透变形的形式与土料性质、土粒级配、水流条件以及防渗、排渗措施等多个因素有关；管涌和流土的发生与散粒土渗透变形破坏坡降的大小有关。诸多学者根据力学平衡原理，通过理论推导，得出一些管涌和流土的临界水力坡降模型公式。如太沙基模型公式、伊斯托明娜管涌型土的抗渗坡降公式、扎马林模型公式等，遗憾的是这些公式都未考虑与级配特征有关的参数，导致这些理论公式与实测值之间尚存在一些差距。

土石坝渗流基本目的：

土石坝渗流分析的目的是：①确定坝体浸润线和下游逸出点位置，绘制坝体及地基内的等势线或流网图；②计算坝体和坝基渗流量，以便估算水库的渗漏损失和确定坝体排水设备的尺寸；③确定坝坡出逸段和下游地基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透比降，以判断该处的渗透稳定性；④确定库水位降落时上游坝壳内自由水面的位置，估算孔隙压力，供上游坝坡稳定分析之用。

土石坝渗流基本形式：

渗透变形的型式及其发生发展过程，与土料性质、土粒级配、水流条件以及防渗、排水措施等因素有关，一般有管涌、流土、接触冲刷和接触流失等类型。工程中以管涌和流土最为常见。

(1)管涌

坝体或坝基中的无黏性土细颗粒被渗透水流带走并逐步形成渗流通道的现象称为管涌，多发生在坝的下游坡或闸坝下游地基面渗流逸出处。黏性土因颗粒之间存在凝聚力且渗透系数较小，所以一般不易发生管涌破坏，而在缺乏中间粒径的非黏性土中极易发生。

(2)流土

在渗流作用下，产生的土体浮动或流失现象。发生流土时土体表面发生隆起、断裂或剥落。它主要发生在黏性土及均匀非黏性土体的渗流出口处。