大坝渗流逸出高度计算

科技情报开发与经济　ＳＣＩ—ＴＥＣＨ　ＩＮＦ０ＲＭＡＴｌＯＮ　ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ＆ＥＣＯＮＯＭＹ　２０１　１年第２１卷第１Ｏ期　

文章编号：１００５—６０３３（２０１１）１０—０１９９—０３　

西丰水库大坝渗流稳定性分析　

上官丽霞　

（晋城市水利局水产技术推广站，山西晋城，０４８０００）　

摘要：根据现实测资料对阳城县西丰水库大坝进行了渗流计算，得出了大坝在不同　

水位下的逸出点高程和渗流量，做出了大坝在各种不同：ｒ－￣－Ｆ的浸润线，分析了大坝　

在不同工况下可能发生的渗透破坏，并提出了相应的建议。　

关键词：水库大坝；渗流稳定分析；渗透破坏；西丰水库　

中图分类号：ＴＶ６４　文献标识码：Ａ　

１工程概况　

西丰水库位于阳城县西河乡西丰村，属黄河流域沁河水系获　

泽河支流西小河。西丰水库始建于１９５９年１１月，于１９６０年８月　

竣工蓄水，１９７９年续建，总库容７１．４万ｍ３属小（Ⅱ）型水库。水库　

坝址以上控制流域面积４．３　ｋｍ２，主河道长２．９５　ｋｍ，平均宽度１．４６　

ｋｍ，平均纵坡５．７４％。枢纽工程由大坝、溢洪道、卧管输水洞组成。　

坝体为碾压式均质土坝，坝长１６５　ｍ，最大坝高２１．２　ｉｎ，坝顶高程　

在８０９．Ｏ１　ｍ～８０９．７０　ｍ之间，上游坝坡１：２．７，采用干砌毛块石护　

坡，下游坝坡在ｌ：１．３３—１：２．０之间，坝顶宽４．５　ｍ～５．５　ｍ不等。２００　

年一遇校核水位为８０８．４５　Ｆｎ，２０年一遇设计水位为８０７．７３　ＩＴＩ。下　

面将对大坝渗流稳定性进行分析，对大坝安全作出综合评价。　

２土料参数的选取及渗流计算　

２．１渗流计算的目的　

渗流计算的目的在于：确定不同水位下坝体浸润线及下游　

逸出点位置以供坝坡稳定分析用；确定不同水位下坝体渗流量，　

以便估计水库渗漏损失及进行渗透稳定分析。　

由于溢洪道下游出水口无回水影响坝脚，而坝后又常年无　

水，故大坝下游水深按０　ＩＩ１考虑，下游底高程取河底高程７８８．５０　

第４９卷第３期　２０１３年３月　甘肃水利水电技术　ＧＡ】　ＳＵ　ＷＡⅡ　ＲＥｓ０ＵＲＣＥＳ　ＡＮＤ　ＨＹＤＲ０ＰＯＷｌ　ＴＥＣＨＮＯＩＤＧＹ　Ｖｏ１．４９，Ｎｏ．３　Ｍ盯．．２０１３　

・设计与研究・　

高土石坝渗流数值模拟　

王　娟　（上海勘测设计研究院，上海２００４３４）　

摘要：针对水库运行中可能出现的最不利条件，结合某工程的实际情况，采用饱和与非饱和两种方法。分别对其进行　渗流计算分析，探讨了渗流场的分布情况。计算结果表明：非饱和区的影响和高水位作用下，心墙下游边坡逸出高程　变化较大，浸润线括升较明显。　关键词：土石坝；心墙；渗流场；非饱和区　中图分类号：Ｔｖ６４１．１　文献标志码：Ａ　文章编号：２０９５—０１４４（２０１３）０３—００１３—０５　

１　前言　土石坝中的心墙是坝体的防渗部分，在坝体的　运行中主要起防渗作用，而大坝的稳定主要依靠上、　下游的坝壳来维持。［１　３在土石坝的设计中，由于上下　游坝坡有稳定验算的需要．设计者往往只注意下游　坝壳内的浸润线位置．而实际上土石坝中心墙内的　浸润线尤其是浸润线逸出点的位置也十分重要，它　不仅决定着心墙下游反滤设施的保护范围，也涉及　到心墙连同坝壳共同滑动时的荷载计算问题。［２，３３在　高山峡谷地区、深厚覆盖层河道上的超级高坝工程　来说。１９９４年以前国内外尚没有在厚度超过５０　ｍ　的深厚覆盖层地基上建成坝高超过２ｏｏ　ｍ的高土石　坝的工程实例。国内也缺乏在高山峡谷地区建设　３００　ｍ级心墙堆石坝的设计和施工经验。而国外在　高山峡谷地区建设３０ｏ　ｍ级心墙堆石坝的实例也不　多。［４１故在高山峡谷地区、深厚覆盖层河道上的超级　高坝，对其进行渗流计算分析尤为重要。此外，目前　对于渗流问题的研究．大多建立在饱和渗流的基础　上．对于饱和渗流。引起水分转移的是重力和水的压　力。没有考虑非饱和土中基质吸力对渗流的影响，其　渗透参数为常数。而在非饱和渗流中。支配着土壤　水在液态下整体转移的是重力和水的表面张力。若　还考虑基质吸力的作用，渗透系数是含水量或压力　水头的函数，［５］因此，使得计算结果与饱和渗流的计　算结果存在一定差异。鉴于以上原因，文章结合某　工程的实际情况，在土体非饱和的情况下，对其进行　渗流计算分析，来探讨渗流场的分布情况，为工程大　坝结构设计和地基处理设计等提供必要的技术和理　论支持，确保工程大坝建设和运行的安全。今后，也　可供我国同类工程的设计借鉴。［６，７３　２饱和一非饱和渗流控制方程【ｓ１　饱和渗流理论中，对于饱和土壤，水的重力和压　力引起土壤中水分的转移，自由面以下的区域为渗　流计算的饱和区域，饱和区域内水的渗透系数为水　的流速与水力梯度的比例系数，其接近为常数。以　总水头ｈ作为未知量的饱和渗流基本方程为　奇（　誓）十专（磅）＿０’Ｂ９警＋等：０　（１）　式中：　方向上的渗透系数；　，１方向上的渗透系数；　——总水头。　在非饱和土渗流理论中，由于土壤存在空隙，基　质吸力的影响使得自由面以上的区域也存在渗流，　形成非饱和区。基质吸力的作用使得水的渗透系数　不再为常数，而是关于含水率或基质吸力（负压）的　函数。非饱和土渗流基本方程为：　砉（疋誓）＋－￣－ｙ（Ｋｙ　）＝誓　（２）　式中：　土壤含水率；　ｔ——时间　设Ｙ为位置水头，有　＝堕　，ｚ‘ｗ．一给水度，　ｙｗ　水的重度（ｋＮ／ｍ３）。　令　表示土一水特征曲线的斜率，有Ｏ０＝ｒｒ￣ｕ，，　＝ｒｎ，，ｙ￣３（ｈ－－ｙ），则式（２）可写为：　音（疋誓）＋斋（　）＝　（Ｙ是常数）　（３）　

《水利水电工程建筑物》网上辅导（4）

本讲主要介绍第2章挡水建筑物的第3节土石坝

（1） 讲述土石坝的特点与类型

1）土石坝的特点

首先介绍了土石坝的特点，土石坝在实践中被广泛采用并得到不断发展，与自身的优越性是密不可分的。同混凝土坝相比，它的优点主要体现在以下几方面：

①筑坝材料来源直接、方便，能就地取材，能节省大量的钢材、水泥和木材等建筑材料。

②适应地基变形的能力强。土石坝为土料或石料填筑的散粒结构，能较好地适应地基的变形，对地基的要求在各种坝型中是最低的。

③构造简单，施工技术容易掌握，适应于大型机械化施工。

④运用管理方便，工作可靠，寿命长，维修加固和扩建均较容易。

同其他的坝型一样，土石坝自身也有缺点：

①坝顶不能溢流。受散土石料强度的限制，土石坝坝身通常不允许过流，需单独设置泄水建筑物。

②施工导流不如混凝土坝方便。

③坝体填筑工程量大，而且土料施工受气候条件的影响较大。

2）土石坝的类型

按坝体高度可分为：高坝、中坝、低坝。其中，低坝的高度为30m以下，中坝的高度为30～70m，高坝的高度为70m以上。

按施工方法可分为：碾压式土石坝，抛填式土石坝，水力冲填坝和定向爆破堆石坝等。

其中应用最为广泛的是碾压式土石坝。

按土料在坝体中的配置和防渗体所用的材料又可分为：均质坝、分区坝、人工防渗材料坝。

（2）讲述土石坝的组成和基本剖面

1）土石坝的组成及作用

土石坝的坝体剖面由坝身、防渗体、排水体、护坡四部分组成。

① 坝身

坝身是土石坝的主体，坝坡的稳定主要靠坝身来维持，并对防渗体起到保护作用。

② 防渗体

防渗体是土石坝的重要组成部分，其作用是防渗，必须满足降低坝体浸润线、降低渗透坡降和控制渗流量的要求，另外还需满足结构和施工上的要求。常见的防渗体型式有心墙、斜墙等。 ③ 排水设备

土石坝设置坝身排水的目的主要是有三个：①降低坝体浸润线及孔隙压力，改变渗流方向，增加坝体稳定；②防止渗流逸出处的渗透变形，保护坝坡和坝基；③防止下游波浪对坝坡的冲刷及冻胀破坏，起到保护下游坝坡的作用。常见的排水型式有：棱体排水、贴坡排水、褥垫排水和综合式排水等。

坝顶高程的确定

设计洪水位和校核洪水位的高差可由下式计算，应选择两者中防浪墙顶高程的高者作为选定高程。

∆h=h1%+hz+hc

式中，Δh——防浪墙顶至正常蓄水位或校核洪水位的高差；

h1%——累计频率为1%的波高；

hz——雍高；

hc——安全超高。

1. 波高h1%和雍高hz的计算

h1%和hz的计算可利用官厅水库公式计算：

ℎ𝑙=0.0166𝑉054𝐷13

𝐿=10.4(ℎ𝑙)0.8

ℎ𝑧=𝜋ℎ𝑙2𝐿𝑐𝑡ℎ2𝜋𝐻𝐿

式中，V0——计算风速，m/s，设计洪水位时，宜采用相应季节50年重现期的最大风速，校核洪水位时，宜采用相应洪水期最大风速的多年平均值；

D——吹程；

H——坝前水深。

其中，h1%=1.24 h5%。

①设计洪水情况下，吹程D=2.1km，风速V0=24m/s，带入以上公式计算得：

h5%=1.129m，h1%=1.400m，hz=0.349m。

②校核洪水情况下，吹程D=2km，风速V0=18m/s，带入以上公式计算得：

h5%=0.775m，h1%=0.962m，hz=0.223m。

2. 坝顶安全超高的确定

安全超高hc与坝的安全级别有关，李家河水库工程为III等工程，永久建筑物等级为3级，设计洪水位下的安全超高为0.4m，校核洪水位下的安全超高为0.3m。

3. 坝顶高程的计算

根据以上计算结果，可求得设计洪水位情况下的防浪墙顶高度为：

Δh设计=0.962+0.223+0.4=1.585m；

校核洪水位情况下的防浪墙顶高度为：

Δh校核=1.400+0.349+0.3=2.090m。 坝顶上游防浪墙顶高程取设计洪水位和校核洪水位情况下的高的一个：

设计洪水位下，坝顶上游防浪墙顶高程=设计洪水位+Δh设计=882.805m；

校核洪水位下，坝顶上游防浪墙顶高程=校核洪水位+Δh校核=886.290m。