浅谈理正软件在土石坝渗流计算中的应用
浅谈理正软件在土石坝渗流计算中的应用
摘要:近年来,随着计算机技术的飞速发展,人们开始利用电脑软件完成各种复杂繁琐的计算任务。本文结合工作实践,介绍了北京理正软件在土石坝渗流计算中的应用。
关键词:理正软件土石坝渗流计算应用
土石坝的渗流分析计算是一项复杂繁琐的工作,一直以来,这项工作都是通过人工手算完成,需要花费大量的人力和时间,而且计算精度不高。随着计算机技术的不断发展,北京理正软件设计研究院有限公司设计开发了理正岩土系列 5.2版渗流分析软件,笔者在实际工作中使用了这款软件,取得了较好的效果。下面具体介绍一下计算方法和步骤。
1 渗流计算
1.1 指定计算路径
打开理正岩土系列5.2版软件后,我们会看到多个计算模块,点击【渗流分析计算】模块,则弹出【指定计算路径】对话框。指定计算路径是指将计算成果存储到某一指定的位置,如D:\渗流计算。进入计算模块后,还可以通过按钮【选工程】重新指定计算路径。同时,我们还可以设定工程名称、工程编号及设计时间,以便日后查找。
1.2 选择计算方法
理正边坡稳定分析
第一章功能概述 边坡失稳破坏是岩土工程中常遇到的工程问题之一。造成的危害及治理费用均非常可观。因此，客观的、正确的评估边坡稳定状况，是摆在工程技术人员面前的一道难题。为满足工程技术人员的需要，编制了“理正边坡稳定分析”软件。 该软件具有下列功能： ⑴本软件具有通用标准、堤防规范、碾压土石坝规范三种标准，以满足不同行业的要求； ⑵本软件提供三种地层分布模式（匀质地层、倾斜地层、复杂地层），可满足各种地层条件的要求； ⑶本软件可计算边坡的稳定安全系数、及剩余下滑力； ⑷本软件提供多种方式计算边坡的稳定安全系数； ⑸本软件提供的自动搜索最小稳定安全系数的方法，是理正技术人员研制、开发、应用到软件中，并取得良好的效果。一般情况下，都可以得到最优解。但是对于较复杂的地质条件，建议先指定区域搜索、分不同精度进行分析，逐步逼近最优解，这样才能既快、又准； ⑹对于圆弧稳定计算，本软件提供三种方法：瑞典条分法、简化Bishop法、及Janbu 法。集三种方法于一体，用户可以根据不同的要求采用不同的方法。用户需要注意的是采用后两种方法计算时，有时不收敛，也是正常的。需要用户调整相关的参数再计算或用第一种方法； ⑺软件可同时考虑地震作用、外加荷载、及锚杆、锚索、土工布等对稳定的影响； ⑻特别是针对水利行业做了大量工作，除按水利的堤防、碾压土石坝规范外，还参照了海堤等规范；提供按不同工况—施工期、稳定渗流期、水位降落期计算堤坝的稳定性（具有总应力法及有效应力法）； 详细的分析、考虑水的作用，包括堤坝内部的水（渗流水）及堤坝外部的水（静水压力）的作用；尤其方便的是可以将渗流软件分析的流场数据直接应用到稳定分析，使计算结果更逼近真实状况。 ⑼具有图文并茂的交互界面、计算书。并有及时的提示指导、帮助用户使用软件。 本软件可应用于水利行业、公路行业、铁路行业和其它行业在岩土工程建设中遇到的边坡（主要是土质边坡、岩石边坡可参考）稳定分析。
(2020年整理)渗流稳定计算.doc
赤峰市红山区城郊乡防洪工程 5.6稳定计算 5.6.1渗流及渗透稳定计算 1）渗流分析的目的 （1）确定堤身浸润线及下游逸出点位置，以便核算堤坡稳定。 （2）估算堤身、堤基的渗透量。 （3）求出局部渗流坡降，验算发生渗透变形的可能。 概括以上分析，对初步拟定的土堤剖面进行修改，最后确定土堤剖面及主渗，排水设备的型式及尺寸。 2）渗流分析计算的原则 （1）土堤渗流分析计算断面应具有代表性。 （2）土堤渗流计算应严格按照《堤防工程设计规范》（GB50286-981）第8.1.2条及本规范附录E的有关规定执行。 3）渗流分析计算的内容 （1）核算在设计洪水持续时间内浸润线的位置，当在背水侧堤坡逸出时，应计算出逸点位置，逸出段与背水侧堤基表面的出逸比降。 （2）当堤身、堤基土渗透系数K≥10-3cm/s时，应计算渗流量。 （3）设计洪水位降落时临水侧堤身内自由水位。 4）堤防渗流分析计算的水位组合 （1）临水侧为设计洪水位，背水侧为相应水位。 （2）临水侧为设计洪水位，背水侧无水。 （3）洪水降落时对临水侧堤坡稳定最不利情况。 5）渗透计算方法 堤防渗流分析计算方法按照《堤防工程设计规范》（GB50286-98）附录E3的透水堤基均质土堤渗流计算即——渗流问题的水力学解法。
6）土堤渗流分析计算 计算锡泊河左岸（0-468）横断面，堤高 5.05米（P=2%），半支箭左岸（0+302.25）横断面，堤高6.46米（P=2%），该两段堤防均属于 2级堤防，堤防渗流计算断面采用1个断面计算即可。采用《堤防工程设计规范》中透水堤基均质土堤下游坡无排水设备或有贴坡式排水稳定渗流计算公式： T H L T H H D 88.0m k q q 11210 ++-+=）（ （E.3.1） H m m b 121+-+=）（H H L （E2.1-3） 111 1 2m m H L += ? （E2.1-4） 当K≤k 0时 h 0=a+H 2=q÷? ???? ?+++??????++++?T H a m T K H a m H m m K 44.0)(5.0)5.0()5.0(1220222 22 +H 2 ……………（E.3.2-2） 对于各种情况下坝体浸润线均可按下式确定 X=k·T '0q h y -+k ' 22 2q h y - ……………（E.3.2-6） 式中：q'= ）（021112 0211 m 2m 2k h m H L h H -++-+02110 10m k h m H L h H T -+-（E.3.2-7） k ——堤身渗透系数； k 0——堤基渗透系数； H 1——水位到坝脚的距离（m ）； H 2——下游水位（m ）； H ——堤防高度（m ）； q ——单位宽度渗流量（m 3/s·m ）； m 1——上游坡坡率，m 1=3.0；
土石坝渗流观测及方法
(1.浙江省水利水电河口海岸研究设计院，浙江杭州 310020) 在土石坝坝体和坝基适当部位，有计划地设置一些测压管或渗压计，以及在其下游 适当部位设置观测渗流量的量水堰，并进行观测，可及时了解水库在运行过程中坝 体的浸润线位置和渗流区各点渗透压力的大小，以及通过坝体和坝基渗流量的变化 情况，这对大坝的渗流和稳定分析都具有很大的实际意义。对土石坝各部位的测压 管水位和渗流量，选用合理的分析模型进行及时的分析是监测土石坝运行安全的重 要内容。本文从渗流的支配方程入手，建立了土石坝中有压、无压渗流及其渗流量 观测资料的分析模型。经过实际应用表明，它可较好地解决实际工程问题。 1 土石坝渗流的支配方程 忽略地下水流动方程中的惯性项，土石坝渗流的支配方程[1,2]为 (1) 渗流场为均质各向同性时，式（1）变为 或(2) 式中：k x、k y、k z分别为x、y、z方向上的渗透系数，h为水头，Φ=-kh为渗流速 度势。 对稳定渗流而言，它的解实际上可归结为在满足某特定边界条件下，求解上述方程式。对无压渗流问题，由于浸润面事先为未知边界，故在求解过程中，先假定浸润 面边界，然后需通过反复试算，才可以对问题进行求解。根据АравинВ.И.和НумеровС.Н.的推导结果[1]，对具有自由面的缓变渗流，当坐标轴位 于不透水层面时，其不稳定渗流的方程形式为：。在 稳定渗流时，则渗流方程的形式为：。以上式中：H为水深函数；n e为有效孔隙率；t为时间。在这种情况下，浸润线位置即是方程中的一个变量，故它无需作为边界条件来考虑。由于这时地下水流水深函数H的平方项亦满足 拉普拉斯方程，故只需以H2为基本变量，就可求解有压渗流一样的方法解决无压 渗流问题。因此人们常将上述方程应用于无压渗流问题中。 2 坝基有压渗流观测资料分析 根据上述渗流支配方程的基本特性，当渗流场固定时，各点的位势应不随时间而变。位势可用下式表示：。式中：h i为测压管水位，H1、H2分别为上下游
渗流分析 稳定计算 理正
理正软土地基堤坝设计软件 计算项目：简单软土地基堤坝设计 1 计算时间： 2014-08-17 10:01:01 星期日 ============================================================================ 原始条件: 计算目标: 只计算稳定 堤坝设计高度: 10.000(m) 堤坝设计顶宽: 4.000(m) 竣工后左侧工作水位高: 9.000(m) 竣工后右侧工作水位高: 0.000(m) 竣工后经过 2.000 个月注水到工作水位 堤坝左侧坡面线段数: 1 坡面线号水平投影(m) 竖直投影(m) 1 20.000 10.000 堤坝右侧坡面线段数: 1 坡面线号水平投影(m) 竖直投影(m) 1 20.000 10.000 工后沉降基准期结束时间: 2(月) 荷载施加级数: 1 序号起始时间 (月) 终止时间(月) 填土高度(m) 是否作稳定计算 1 0.000 6.000 10.000 否 堤坝土层数: 1 超载个数: 1 层号层厚度(m) 重度(kN/m3) 饱和重度(kN/m3) 内聚力(kPa) 内摩擦角(度) 水下内聚力(kPa) 水下内摩擦角(度) 1 10.000 14.000 18.500 25.000 20.000 20.000 15.000 超载号定位距离(m) 分布宽度(m) 超载值(kPa) 沉降计算是否考虑稳定计算是否考虑 1 4.000 12.000 80.000 否是 地基土层数: 1 地下水埋深: 1.000(m) 层号土层厚度重度饱和重度地基承载力快剪C 快剪Φ 固结快剪竖向固结系水平固结系排水层 (m) (kN/m3) (kN/m3) (kPa) (kPa) (度) Φ(度) 数(cm2/s) 数(cm2/s)
用Ansys分析有浸润线的土石坝平面渗流问题
用Ansys分析有浸润线的土石坝平面渗流问题 土石坝渗流分析，采用非饱和土渗流参数，迭代计算浸润线，根据前次计算结果，不断修改单元的渗透系数和浸润线出口位置，直到满足精度要求。本算例的土石坝体型比较简单.采用非饱和渗流计算.即渗透系数为空隙压力的函数.首先建立一个数据文件PPPP.TXT，存储渗透系数函数关系，如下。第一列为空隙压力值（水头M)，第二列为渗透系数指数，渗透系数等于10^A(M/D)。 -10.00 -4.0E+00 -9.00 -3.6E+00 -8.00 -3.2E+00 -7.00 -2.8E+00 -6.00 -2.4E+00 -5.00 -2.0E+00 -4.00 -1.6E+00 -3.00 -1.2E+00 -2.00 -8.0E-01 -1.00 -4.0E-01 0.00 0.0E+00 土坝顶宽4M，上下游坡比均为1:2，总高12M，底宽52M。上游水深8M，下游无水。 FINI /TITLE, EARTHDAM SEEPAGE /FILNAME,SEEPAGE5 /PLOPTS,DATE,0 *DIM,TPRE,TABLE,11,1,1,PRESS,KKPE ! 定义水压与渗透系数的关系数组 *TREAD,TPRE,PPPP,TXT ! 读入数组 *DIM,NCON,ARRAY,4 ! 定义数组，用于存贮单元四个节点号 /PREP7 SMRT,OFF ANTYPE,STATIC ! THERMAL ANALYSIS ET,1,PLANE55 MP,KXX,1,1 ! 饱和状态下的渗透系数 MP,KXX,2,1E-4 ! 完全干燥下的渗透系数，假设空隙水压力小于-10M时 K,1,24,12 K,2,24,0 K,3,0,0 K,4,28,12 K,5,28,0 K,6,52,0 L,1,3 L,3,2 L,1,2 L,4,5 L,5,6 L,4,6 LESIZE,ALL,,,24
渗流分析
1 渗流分析 a.坝体渗流安全评价 由于坝体浸润线观测管损坏，无法给大坝渗流分析提供准确的依据。目前，当库水位达到122.00m时，在下游坡高程104.80m附近可见明显的渗水现象。在桩号0+051~0+105之间高程115.10m~120.30m 段，以低液限粉土为主含风化砂的心墙填筑碾压质量差，压实度不够，结构较疏松，渗水较严重，渗透系数为4.27×10-5～3.15×10-4cm/s，渗透级别为弱～中等透水。 ⑴计算断面选取 桩号0+105断面坝高最大，选择该断面为典型断面进行坝体渗流分析，该断面为下游无水的有限透水地基上的粘土心墙砂壳坝(下游排水体失效)。 ⑵渗流参数采用 大坝土层渗流参数见表5.3-2。 表5.3-2 大坝土层渗流参数表 ⑶计算工况及计算方法 计算工况取水库正常蓄水位122.37m、50年一遇设计洪水位124.07m、1000年一遇校核洪水位124.94m、校核洪水位骤降至正常
蓄水位四种情况。该断面在四种工况下，下游均无水，排水体失效，地基为有限透水地基。采用理正岩土系列软件中的渗流分析计算程序进行坝体渗流计算。 ⑷计算成果及分析 大坝典型断面坝体渗流计算成果见表5.3-3。 从计算结果可以看出：在各种工况下，大坝下游坡出逸比降均大于允许出逸比降，渗漏量均较大，说明坝体渗流性态趋于不安全。 b.坝基渗流分析 坝体填筑前曾进行过清基，在心墙底部开挖有截渗槽与粘土心墙连接，其间无软弱夹层与废碴，并在上游侧坝基表层铺筑有粘土铺盖。经现场勘探及查阅以往资料发现，坝基粘土铺盖的土料稍差，含风化砂，经钻孔注水试验，渗透系数为2.64×10-6～2.31×10-5cm/s，渗透级别为微～弱透水。坝基表层为强风化片岩，裂隙较发育，往下渐变为中风化片岩，岩石较为新鲜完整。经钻孔压水试验，强风化片岩透水率4 6.6.1渗流分析说明 渗流分析的目的在于：①土中饱和程度不同，土料的抗剪强度等力学特性也相应地发生变化，渗流分析将为土石坝中各部分土的饱水状态的划分提供依据；②检验坝的初选形式与尺寸，确定渗流力以核算坝坡稳定； ③进行坝体防渗布置与土料配置，根据坝内的渗流参数与逸出坡降，检验土体的渗流稳定，防止发生管涌和流土，在此基础上确定坝体及坝基中防渗体的尺寸和排水设施；④确定通过坝和河岸的渗水量损失，并计算排水系统的容量。 依据《碾压土石坝设计规范》（SL274-2001）中8.1.2，渗流计算应包括以下水位组合情况： ①上游正常蓄水位与下游相应的最低水位； ②上游设计洪水位与下游相应的水位； ③上游校核洪水位与下游相应的水位； ④库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况； 6.6.2渗流分析计算 积石峡库区周边均为不透水岩层，封闭条件良好，因此渗流分析计算模型为不透水地基均质坝。对均质坝在不透水地基上，有排水设备的情况，不考虑均质坝上游坝壳料部分对渗流的影响。对棱体排水，浸润线逸出部 分如图所示。 单宽渗流量和均质坝下游坡渗流水深h 可由下面两式联立解除： 22120[()]2' H H h q k L -+= 0'h L = 式中 k ——坝体的渗透系数，cm/s ，其中 k =0.45x 10-6cm/s ； H 1——坝前水深，m ； H 2——坝后水深，m ； H 0——棱体前水深，m ； L ‘——透水区域，m 。 1.正常蓄水位时的渗流分析 上游水位为1856m ，下游相应水位假设为1791m,则上游水深 1 H =1856-1782=74m,下游水深 2 H =1791-1782=11m. 111 2.5 7430.831212 2.5 m L H m m = =?=++? (1865.071856) 2.513(1865.071798)L =-?++- 2.5(17981791)1196.35m ?- -?= '42.59169.59227.18L L L m =+=+= 代入式0' h L = h 0=14.85m ，代入式22120[()]2'H H h q k L -+=,k=0.45x10-6cm/s 渗流量为： q =5.1x10-8m 3 /s,带入浸润线方程： y =将渗流曲线坐标值列入下表中 表6.6.2-1正常蓄水位渗流曲线坐标值 土石坝有限元分析（ANSYS）－渗流分析命令流 土石坝渗流分析，采用非饱和土渗流参数，迭代计算浸润线，根据前次计算结果，不断修改单元的渗透系数和浸润逸出点位置，直到满足精度要求。本算例的土石坝体型比较简单.采用非饱和渗流计算.即渗透系数为空隙压力的函数.首先建立一个数据文件PPPP.TXT，存储渗透系数函数关系，如下。第一列为空隙压力值（水头M)，第二列为渗透系数指数，渗透系数等于10^A(M/D)。 ! -10.00 -4.0E+00 ! -9.00 -3.6E+00 ! -8.00 -3.2E+00 ! -7.00 -2.8E+00 ! -6.00 -2.4E+00 ! -5.00 -2.0E+00 ! -4.00 -1.6E+00 ! -3.00 -1.2E+00 ! -2.00 -8.0E-01 ! -1.00 -4.0E-01 ! 0.00 0.0E+00 !土坝顶宽4M，上下游坡比均为1:2，总高12M，底宽52M。上游水深8M，下游无水。 FINISH /CLEAR /TITLE, EARTHDAM SEEPAGE /FILNAME,SEEPAGE5 /PLOPTS,DATE,0 *DIM,TPRE,TABLE,11,1,1,PRESS,KKPE ! 定义水压与渗透系数的关系数组 *TREAD,TPRE,PPPP,TXT ! 读入数组 *DIM,NCON,ARRAY,4 ! 定义数组，用于存贮单元四个节点号 /PREP7 SMRT,OFF ANTYPE,STATIC ! THERMAL ANALYSIS ET,1,PLANE55 MP,KXX,1,1 ! 饱和状态下的渗透系数 MP,KXX,2,1E-4 ! 完全干燥下的渗透系数，假设空隙水压力小于-10M时 K,1,24,12 K,2,24,0 K,3,0,0 K,4,28,12 K,5,28,0 K,6,52,0 L,1,3 土石坝渗流安全评价 Revised by Hanlin on 10 January 2021 土石坝渗流安全评价1坝基渗流安全评价要点如下： 1砂砾石层（包括砂层、砂砾石层、砾卵石层等）的渗透稳定性，应根据土的类型及其颗粒级配等情况判别其渗透变形形式，核定其相应的允许渗透比降，与工程实际渗透比降相比，判断渗流出口有无管涌或流土破坏的可能性，以及渗流场内部有无管涌、接触冲刷等渗流隐患。 2覆盖层为相对弱透水土层时，应复核其抗浮动稳定性，其允许渗透比降宜由试验法或参考流土指标确定；对已有反滤盖重者，应核算盖重厚度和范围是否满足要求。 3接触面的渗透稳定性主要有以下两种型式： 1）复核粗、细散粒料土层之间有无接触冲刷（流向平行界面）和接触流土（流向从细到粗垂直界面）的可能性；粗粒料层能否对细粒料层起保护作用。 2）复核散粒料土体与刚性结构物体（如混凝土墙、涵管和岩石等）界面的接触渗透稳定性。应注意散粒料与刚性面结合的紧密程度、出口有无 反滤保护，以及与断层破碎带、灰岩溶蚀带、较大张性裂隙等接触面有无妥善处理及其抗渗稳定性。 2坝体渗流安全评价要点如下： 1均质坝。复核坝体的防渗性能是否满足规范要求、坝体实际浸润线和下游坝坡渗出段高程是否高于设计值，还需注意坝内有无横向或水平裂缝、松软结合带或渗漏通道等。 2组合（分区）坝： 1）防渗体（心墙、斜墙、铺盖、各种面板等）。复核防渗体的防渗性能是否满足规范要求，心墙或斜墙的上、下游侧有无合格的过渡保护层，以及水平防渗铺盖的底部垫层或天然砂砾石层能否起保护作用。 2）透水区（上、下游坝壳及各类排水体等）。复核上、游坝坡在库水骤降情况下的抗滑稳定性和下游坝坡出逸段（区）的渗透稳定性，下游坡渗出段的贴坡保护层应满足反滤层的设计要求。 3）过渡区。界于坝体粗、细填料之间的过渡区以及棱体排水、褥垫排水和贴坡排水等，应复核反滤层设计的保土条件和排水条件是否合格，以及运行中有无明显集中渗流和大量固体颗粒被带出等异常现象。 第一章 功能概述 渗流分析计算软件主要分析土体中的渗流问题。适用于勘察、设计等单位进行土堤、土坝的渗流分析、闸坝地基的渗流分析、堤防的渗流分析、基坑降水的流场分析等。并可以将流场的数据传递到稳定分析软件，以便分析考虑流场的稳定问题。 ⑴ 渗流的分析方法：公式方法和有限元方法。 ⑵ 公式方法依据《堤防工程设计规范》提供的计算公式。适用于下列情况： 一般稳定渗流计算； 双层地基稳定渗流计算； 水位上升过程中不稳定渗流计算； 水位降落过程中不稳定渗流计算。 ⑶ 有限元方法是依据非饱和土理论、根据基本的渗流理论――达西定律等，采用有限元方法分析稳定流及非稳定流中多种边界条件、多种材料的堤坝、或土体的渗流分析。但有限元法分析渗流问题是以线性达西定律为基础，因此不适应非线性达西定律的流场分析及不满足达西定律的流场分析。 第二章 快速操作指南 2.1 操作流程 图2.1-1 操作流程 2.2 快速操作指南 2.2.1 选择工作路径 图2.2-1 指定工作路径 注意：此处指定的工作路径是所有岩土模块的工作路径。进入某一计算模块后，还可以通过按钮【选工程】重新指定此模块的工作路径。 2.2.2 计算项目选择 选择渗流计算所采用的方法（有限元分析法与公式法）： 图2.2-2 计算项目选择 2.2.3 增加计算项目 点击【工程操作】菜单中的【增加项目】菜单或“增”按钮来新增一个计算项目。 图2.2-3 增加计算项目界面 2.2.4 编辑原始数据 录入或选择渗流分析所需的各种原始数据，有限元法和公式法交互窗口分别如图2.2-4和2.2-5。 图2.2-4 有限元数据交互对话框 图2.2-5 公式法数据交互对话框 注意： 1. 集中的参数交互界面，即把几乎所有的参数置于一个界面上，操作简单，大大提高了人机交互的效率，这是理正岩土系列软件的一个共性特征。 2. 同时提供了有关参数的即时弹跳说明信息，方便用户理解参数的意义。 2.2.5 计算结果查询 友谊水库大坝模型渗流分析 大坝渗流是水库大坝常见病害之一，大坝渗流不仅造成水资源流失甚至影响大坝的稳定性。文章利用ANSYS软件对河北省友谊水库大坝建立了有限元模型，进行了渗流模拟计算，并将计算结果与实测结果进行比较分析，为大坝的除险加固提供理论依据。 标签：土石坝；ANSYS软件；渗流计算 截至2003年底，全世界共建15m高度以上大坝41413座，其中土石坝33958座，占82.7%；目前，我国已建水库8.6万余座，大中型水闸7.6万余座[1]，其中坝高15m以上的土石坝近2万座，占世界土石坝总数48.3%。这些水库在不同程度上均存在一定的安全隐患，除了防洪标准偏低以外，有些土坝的变形稳定和渗流稳定得不到保证，这是影响水利枢纽工程安全运行的主要因素[2]。大坝蓄水后，在上下游水头差的作用下，坝体和坝基会出现渗流现象，这将导致坝体出现各种不利因素导致其功能降低，或使大坝存在一定的安全隐患，从而影响大坝下游安全。 目前，渗流计算的方法有很多种，归纳起来主要有两大类。即理论分析方法和试验分析法[3]。其中，理论分析法包括：解析法、数值法、图解法；由于实际工程边界条件复杂，且渗流介质并非是单一介质，利用近似求解法计算往往不能得到满意结果，因此，目前大多采用有限单元法对大坝渗流进行模拟计算。ANSYS是美国ANSYS软件公司开发的大型通用有限元计算软件，具有强大的求解器和前、后处理功能。该软件可以进行热、电、磁、声、流体和结构等有限元分析，并可以进行多物理场偶合分析。由于渗流场和温度场可以相互比拟，本文采用ANSYS的温度场分析功能进行渗流场计算，取得了较满意的结果。 1 友谊水库大坝渗流场分析 1.1 水库基本情况 友谊水库位于河北省尚义县与内蒙古自治区兴和县交界处，是永定河支流东洋河上游的主要水利枢纽工程，控制流域面积2250km2，总库容1.16亿m3，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾养殖的大（Ⅱ）型水利枢纽工程，工程等级为Ⅱ级，控制灌溉面积36万亩。水库设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为2000年一遇。水库枢纽工程主要有拦河坝、溢洪道、输水洞等，水库拦河坝为均质土坝，最大坝高40m，坝顶高程1200m，坝顶长287m，坝顶宽7m，防浪墻高程1201.2m。上游坡由1：2.5、1：3、1：3.5三段组成，下游坝坡为1：2.5、1：3.5、1：3.5。下游坝坡高程1187m和1175m处增设两级马道，高程1187m马道宽度为2m，在高程1175m处马道宽5.0m。坝基为砂砾石，厚5～7m，未清基。坝前采用水平防渗，下游设排水反滤体，高6m。溢洪道堰型为驼峰堰，堰顶高程1190m，设五孔钢闸门控制，单孔净宽9m，下设差动式挑流鼻坎消能，全长208m，最大泄量2384 m3/s。输水洞为压力遂洞，进口高程1173.00m，洞径2.2m变1.8m， 不透水地基上均质土石坝的渗流计算 以下游有水而无排水设备的情况为例。 计算时将土坝剖面分为上游楔形体,中间段和下游楔形体三段,如图1所示。 图1不透水地基上均质坝的渗流计算图 为了简化计算,根据电拟实验的结果,上游楔形体AMF 可用高度为H 1,宽度为1H L λ=?的等效矩形代替,λ值由下式计算: 1 211+=m m λ (1) 式中 1m ——上游坝面的边坡系数,如为变坡则取平均值。 这样就将上游面为坡面的渗流转换为上游面为铅直面的土石坝渗流问题。对所讨论情况的渗流计算可分两段进行,即坝身段(EOB”B ')及下游楔形体段(B’B”N ),见图1(a)。 按式(1)得通过坝身段的渗流量为: L a H H K q ' +-=2)(2 02211 (2) 式中 0a ——浸润线出逸点在下游水面以上高度； K ——坝身土壤渗透系数； H 1——上游水深； H 2——下游水深； L '——见图1。 通过下游楔形体的渗流量,可分下游水位以上及以下两部分计算,见图1(b)。 根据试验研究认为，下游水位以上的坝身段与楔形体段以1：0.5的等势线为分界面，下游水位 以下部分以铅直面作为分界面，与实际情况更相近，则通过下游楔形体上部的渗流量'2q 为： ()?+=+='0020225.05.0a m a K dy y m y K q (3) 通过下游楔形体下部的渗流量" 2q 为 222022 0221)5.0(m H m a m H a K q +++=" （4） 通过下游楔形体的总渗流量为2q : )1(5.02 0220222H a a H m a K q q q m +++="+'= （5） 式中 () 2225.02+=m m a m 根据水流连续条件,q q q ==21 ,并联立式(2)、式(5)两式,就可求出两个未知数渗流量q 和逸出点高度0a 。 浸润线由式(4)确定。上游坝面附近的浸润线需作适当修正:自A 点作与坝坡AM 正交的平滑曲线,曲线下端与计算求得的浸润线相切于A’点。 当下游无水时,以上各式中的H 2=O ；当下游有贴坡排水时,因贴坡式排水基本上不影响坝体浸润线的位置,所以计算方法与下游不设排水时相同。 有褥垫排水的均质坝 和有棱体排水的均质坝渗流计算公式。 标签：不透水地基上均质土石坝的渗流计算 理正软件使用手册 一、渗流计算 1.打开Auto CAD 绘图软件，将断面图修正简化，或将所需分析的图形直接画 出，通过移动将黄海高程系调整到和绘图的纵坐标一致，并将图形放在原点附近，绘图时以米为单位，线与线之间要连接精确，确保各分区为封闭单元。 图形画完后以DXF文件保存在工作路径文件夹下。 2.打开理正岩土计算——渗流分析计算——渗流问题有限元法——在界面选择 “增”工具栏——系统默认例题——辅助功能——读入DXF文件自动形成坡面、节点和图层数据。 3.通过移动、放大图形界面找到左下坡脚的节点编号输入坡面起始节点号，坡 面数为从迎水面坡脚到背水面坡脚之间的线段数。点击确定，首先粗略的查看所显示的图形和数据是否基本正确，主要查看闭合区域的个数和线段、节点的个数。 4.若为稳定流分析，输入第一上游水位和下游水位，第二上游水位和下游水位 取-1000。若为非稳定流分析要输入上游第二水位数据。（这个只是图形显示需要，除了流态其它参数对计算完全不起任何影响，） 5.进入面边界条件界面，输入左边边界条件和右边的边界条件，包括已知水头， 可能的浸出面。在非稳定流分析中会有第一项水头随时间变化曲线工具栏，点击它并输入上游水位变化曲线。此时要保证图形界面显示的图形正确；输 入点边界条件，上下游必须要存在边界条件，可以是面边界条件，也可以是点边界条件。 6.输入土层参数，注意渗透系数单位。 7.在输出结果里的理正边坡分析接口文件输入文件名。若为非稳定流分析还需 输入渗流分析的第几步，此时所保存的数据即为此步渗流场的计算数据，这些数据用于边坡稳定分析中计算水位降落期的最小安全系数。文件自动保存工作路径下。 8.在计算参数界面中输入参数，对非稳定渗流取填入时间分段数，初始渗流的 稳定方法一般取稳定渗流的计算方法。 9.点击计算，在主界面图形查询——显示简图为DXF文件，将显示的图形保存， 修改后，供打印使用。 10.若显示计算失败，可在计算参数界面中将有限元网格剖分长度减小，或者将 判断误差增大。或将最大迭代次数减少（不推荐）。 二边坡稳定分析 11.打开理正边坡分析软件——边坡稳定分析——复杂土层稳定计算——“增” 工具条——系统默认例题——辅助功能——读入理正渗流软件数据。 12.在参数选择中选择计算方法。 13.输入土层参数，根据实际情况选用特定剪切试验的试验指标，根据具体情况 选择有效应力法或总应力法，如有需要输入下游坝坡低水位，输入加筋材料。 14.计算，在主界面图形查询——显示简图为DXF文件，将显示的图形保存，修 改后供打印使用。 注意：因为滑坡之计算左边的边坡，如果要计算右边坡，要在辅助功能里镜像原始数据，选文件名保存，然后读入此文件计算即可。 赤峰市红山区城郊乡防洪工程 稳定计算 渗流及渗透稳定计算 1）渗流分析的目的 （1）确定堤身浸润线及下游逸出点位置，以便核算堤坡稳定。 （2）估算堤身、堤基的渗透量。 （3）求出局部渗流坡降，验算发生渗透变形的可能。 概括以上分析，对初步拟定的土堤剖面进行修改，最后确定土堤剖面及主渗，排水设备的型式及尺寸。 2）渗流分析计算的原则 （1）土堤渗流分析计算断面应具有代表性。 （2）土堤渗流计算应严格按照《堤防工程设计规范》（GB50286-981）第条及本规范附录E的有关规定执行。 3）渗流分析计算的内容 （1）核算在设计洪水持续时间内浸润线的位置，当在背水侧堤坡逸出时，应计算出逸点位置，逸出段与背水侧堤基表面的出逸比降。 （2）当堤身、堤基土渗透系数K≥10-3cm/s时，应计算渗流量。 （3）设计洪水位降落时临水侧堤身内自由水位。 4）堤防渗流分析计算的水位组合 （1）临水侧为设计洪水位，背水侧为相应水位。 （2）临水侧为设计洪水位，背水侧无水。 （3）洪水降落时对临水侧堤坡稳定最不利情况。 5）渗透计算方法 堤防渗流分析计算方法按照《堤防工程设计规范》（GB50286-98）附录E3的透水堤基均质土堤渗流计算即——渗流问题的水力学解法。 6）土堤渗流分析计算 计算锡泊河左岸（0-468）横断面，堤高米（P=2%），半支箭左岸（0+）横断面，堤高米（P=2%），该两段堤防均属于 2级堤防，堤防渗流计算断面采用1个断面计算即可。采用《堤防工程设计规范》中透水堤基均质土堤下游坡无排水设备或有贴坡式排水稳定渗流计算公式： T H L T H H D 88.0m k q q 11210++-+=）（ （） H m m b 121+-+=）（H H L （） 1111 2m m H L +=? （） 当K≤k 0时 h 0=a+H 2=q÷? ?????+++??????++++?T H a m T K H a m H m m K 44.0)(5.0)5.0()5.0(122022222+H 2 ……………（） 对于各种情况下坝体浸润线均可按下式确定 X=k·T '0q h y -+k '22 02q h y - ……………（） 式中：q'= ）（021112 0211m 2m 2k h m H L h H -++-+0211010m k h m H L h H T -+-（） k ——堤身渗透系数； k 0——堤基渗透系数； 大坝的渗流与防渗 摘要:本文概述了渗流的形成、渗流的危害、渗流计算原理以及在水利工程施工中进行渗流控制常用的工程措施，总结目前渗流和防渗的研究成果，认为渗流或多或少的会存在于各种挡水、蓄水建筑以及土木工程施工中，无法避免渗流发生。但是随着研究手段、工艺的不断进步，对渗流研究程度不断深入，已能够对不同工程环境下渗流进行定性和定量的分析，并相应采取合适的措施控制渗流，虽然无法避免也掌控之，也能将渗流控制在工程安全的范围之内。 关键字：渗流防渗渗流原理 渗流和渗透控制是水利工程中的一项非常重要的课题，直接关系到工程的安全和投资。许多水工建筑物的失事都与渗流有关，例如1964年鲍德温山（Baldwin Hills）坝由于铺盖与基础接触面产生渗透破坏而失事，1976年堤堂（Teton）坝由于右岸一个窄断层发生渗透破坏，不到6h就发生了跨坝事故。 1 渗流概述 水在土体孔隙中流动的现象称为渗流。水在土中的存在状态有，气态水、附着水、薄膜水、毛细水和重力水，其中重力水是渗流理论研究的对象 [1]。在水利工程中，常见到的渗流类型主要 有四个方面： ①通过挡水建筑物的渗流。目前已经建 成的水工建筑物和许多挡水建筑物，如大坝、 围堰等，广泛采用有一定透水性的材料（如 土、堆石）筑成，因此水可以通过建筑物中 的孔隙流动，形成了渗流。 ②水工建筑物地基中的渗流。若挡水建筑物的地基是 透水的，如土砂砾石、岩石地基等，都会不同程度的产生 渗水。 ③集水建筑物的渗流。在土壤改造 及建筑物施工中，为了降低地下水位， 常常采用集水井或集水廊道，集中地下 水，并将其排走，以降低地下水 位，防止土壤盐碱化和创造施工 条件。 ④水库及河渠的渗流。水库 三、渗流计算内容 （一）不透水地基均质坝渗流分析 (1)下游有水而无排水或设贴坡排水情况 (2)下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体排水且下游无水的情况 (2)下游有堆石棱体排水且下游有水的情况 （二）不透水地基心墙坝渗流分析 计算时忽略上游坝壳段的水头损失，并将心墙简化为等厚的矩形断面，下游坝壳段与均质坝同样处理。 心墙简化为矩形，心墙段的单宽渗流量为： (1) 假定下游坝壳逸出点位于下游水位与堆石内坡的交点A ，则坝壳内单宽流量表达式为： (2) 由q= q1=q2，联立方程（1）和（2），可求出q 和h 。 下游坝壳的浸润线方程为： （三）有限深度透水地基土石坝渗流分析 计算有限深透水地基上土石坝的渗流时，为简化计算，坝体内渗流仍可用上述不透水地基上土石坝的渗流计算方法确定渗流量及浸润线，坝基渗流则按有压渗流计算。坝体渗流量与坝基渗流量之和即为总渗流量。 1、均质坝 假设坝体的单宽流量为q1，坝基的渗透系数为kT ，透水地基深度为T ，单宽流量为q ′，上下游水头分别为H1和t 。 由达西定理可得地基内单宽流量q ′： 将上式从上游面（x=0，y=H1）到下游面（x=L ，y=t ）积分得： )2/()(2211δh H k q c -=L t h k q 2/222）（-=)2/(22q y h k x ）（-= L L可表 示为L= L0+0.88T，式中0.88T为考虑进出口流线弯曲的影响的修正系数。 则通过坝体与坝基的总单宽流量为： 2、心墙坝 ①地基上有混凝土防渗墙的心墙坝 设心墙、砼防渗墙、下游坝壳、透水地基的渗透系数分别为kc、kD、k、kT 。 通过防渗心墙和地基砼防渗墙的渗流量为： (1) 通过防渗心墙后的坝壳和地基防渗墙后的地基的渗流量为: (2) 由q=q1=q2，联立求解式(1)和(2)即可得q和h 。 ②地基上有截水槽的心墙坝，截水墙与心墙材料相同。 通过防渗心墙和地基截水墙的渗流量为： 通过防渗心墙后的坝壳和地基截水墙后的地基的渗流量与地基中有混凝土防渗墙的心墙坝相同。 3、带截水槽的斜墙坝 （四）总渗漏量计算 （五）抗渗稳定验算 (1)渗透变形的形式及其判别 (2)渗透破坏标准 （3）防止渗透变形措施 坝体计算分析 渗流分析 模型建立和参数取值 坝顶的结构有所简化，防浪墙相对坝体的较小，为了避免由于划分单元格的缘故，而出现计算结果的不合理，将其简化，把坝顶高度提升到防浪墙相应高程。这样的简化将不会对渗透计算造成影响。上下游的护坡材料，由于渗透性很大，且厚度较小，也做简化处理。对于坝基，上部为灰岩，下部为泥岩，属相对不透水层，为准确模拟坝址处实际渗流情况，将坝基分别向上下游延伸约45m，坝基深到400m高程处。河床底高程418m，开挖到弱风化层高程为417m，修建大坝后，上下游需回填至原地面高程，为简化模型，回填部分在渗流模块中略去。 材料的渗透系数为渗流分析的关键性参数，参考相关文献获得个材料的渗透系数，材料参数取值表5-1。在模型中材料定义时，由于基岩始终处于饱和状态，采用饱和渗透率即可。其余四种材料渗透特性使用饱和非饱和材料模型，输入渗透函数，渗透函数末端为估计值。对于材料渗透性的各向异性，规范建议计算渗流量时采用土层渗透系数的大值平均，计算水位降落时的水位线采用小值平均。由于使用有限元软件计算方便，渗透系数的各向异性可以设置，能够准确计算。对于坝壳料和过渡区考虑分层填筑的缘故，和各施工层面接触不良好的影响，结合经验取值0.2。 表5-1材料渗透参数（单位：cm/s） 分析方式为稳态分析，包含以下三种工况：上游正常蓄水位对应的下游相应最低水位、上游设计洪水位对应的下游相应水位、上游校核洪水位对应的下游水位。对于规范要求的库水位降落时的上游坝坡稳定最不利的情况，这是一个瞬态分析过程，由于掌握的用水资料不足同时时间紧迫，而没有计算这种情况。 有限元计算结果 正常蓄水位稳定渗流分析，图5-1为总水头等势线分布图，从图中可以看出，浸润线在沥青混凝土心墙部位快速降落到相对较低水位，浸润线到下游坝壳平稳过渡，在坡脚较低高程岀溢。经过沥青心墙后势能极大的减小，等势线整体分布 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： dx dy k v -= （4-8） 设单宽渗流量为q ，则： dx dy ky vy q -== （4-9） 将上式分离变量后，从上游面（x=0，y=H 1）至下游面（x=L ，y=H 2）积分，得： L k q H H 22221= - 即： L H H k q 2) (2 221-= （4-10） 若将式（5-9）积分限改为：x 由0至x ，y 由H 1至y ，则得浸润线方程： x y H k q 2) (221-= 即： x k q H y 22 1- = （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 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： 11 1 21H m m L += ? （4-12） 式中：m 1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： L H a H k q ' +-=2])([220211 （4-13） 式中：a 0 为浸润线逸出点距离下游水面的高度；H 2 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 5 闸坝段基础渗流计算结果及分析 本次闸坝段基础渗流计算选取了7~8个典型剖面进行计算。图5为所选计算剖面，其设计的防渗布置方案及各地层覆盖层和基岩分布情况也示于图中。 对各坝段在上游水位为正常蓄水位1797m下游水位1774m运行工况进行了无防渗墙、防渗墙封闭至基岩（原防渗方案）、防渗墙插入砂质粉土层1m、防渗墙插入砂质粉土层 5m和防渗墙插入砂质粉土层10m等防渗方案的各剖面的渗流模拟计算，各方案的计算工况和内容列于下表2，其中，9-9剖面仅对防渗墙插入砂质粉土层10m和5m的防渗方案进行了的计算。 5.1 闸坝基础各防渗方案计算参数 覆盖层透水性：本阶段设计院对第②层漂（块）卵（碎）石进行了4段钻孔抽水试验，平均值渗透系数为7.26×10-2cm/s，属为强透水层；第②-1层泥质粉砂层进行了1段的抽水试验，渗透系数为 1.67×10-3cm/s，属中等透水层，第③层砂质粉土，室内试验渗透系数为2.66×10-7~6.74×10-5cm/s，属微透水~极微透水；第③-1层粉质粘土室内试验渗透系数为1.55×10-6~3.74×10-6cm/s，属微透水。 基岩透水性：据钻孔的压水试验资料，弱风化岩体以弱透水层为主，仅ZK18孔深51.5~66.5m为中等透水，透水率14.71~35.12，微风化岩体以微透水为主，局部为弱透水。下闸址区岩体相对隔水层（q≤5Lu）顶板埋藏较深，分别为：左岸为2.19~33.10m，相应高程为1799.37~1761.36m；右岸大于11.90m，相应高程在1834.50以下；河中为50.10~66.00m，相应高程为1726.21~1710.51m。 计算中该坝段基础覆盖层和基岩的渗透系数根据设计院试验建议值计算，其余均参照已建或已设计工程取值，渗流计算参数见表3，其中允许坡降为设计院提供。 表3 闸坝段渗流计算参数表 理正边坡稳定分析系统 理正边坡稳定分析系统最初是针对铁路、公路路基设计而开发的专业设计软件，经半年多的推广应用已经得到行业内的认可，并于99年12月通过了铁道部的鉴定，证明是高效的计算机辅助设计软件。该软件同时引起其他行业，尤其是水利、港工等行业的关注，在使用中迫切希望补充完善相关内容。在此基础上开发的《理正边坡稳定分析系统》在内容和功能上都作了较大的调整和改进，发展成为面向各个行业，能够处理各种复杂情况的通用边坡稳定分析系统,并且于2002年通过水利部水规总院的鉴定。 功能特点 1、利用CAD快速建模 ?可在AutoCAD中快速绘制边坡模型，再读入边坡软件进行分析计算。 2、水的作用 ?选择“考虑”或“不考虑”水的作用。 ?可设置任意形式水面浸润线； ?自动施加静水压力；自动计算水浮力、渗透压力； ?可按《堤防工程设计规范》、《碾压土石坝设计规范》方法进行计算； ?可自动读取理正渗流软件原始数据及浸润线；镜像功能自动转换数据后，依次计算临水侧、背水侧的边坡稳定； 3、其他荷载的作用 ?施加水平垂直或任意方向的作用力，真实反应水压力及其他荷载的作用；自动计算地震荷载。 4、计算方法的选择 ?瑞典条分法； ?简化Bishop法； ?JanBu法。 5、计算公式及参数的选择 ?与滑动方向相反的土条切向力，可按抗滑力（分子项）或负的下滑力（分母项）考虑； ?选择“有效应力法” 或“总应力法”。 ?采用十字板剪切强度进行稳定计算。 6、滑动破裂面 ?直线、圆弧、折线和圆弧任意组合； ?水面、滑动面、土层层面与土条的交点，自动作为计算控制点。 7、计算剩余下滑力 ?自动搜索最危险滑动面形状； ?指定安全系数，反推C、ф参数值。 8、开放式专业设计模板 系统提供分不同土层情况的高路堤、陡坡路堤、路堑、浸水堤基等例题，并可由用户不断扩充。 9、三种土层模型 ?等厚土层--土层分界线互相平行（水平）； ?不等厚土层--土层分界线倾斜； ?任意复杂土层--土层任意分布，处理断层、夹层、互层、透镜体等各种复杂情况。 10、加筋材料对稳定的贡献 ?锚杆 ?土工布 11、输入输出 ?操作简单直观，输入动态指示；第七章渗流分析
土石坝有限元分析(ANSYS)-渗流分析命令流
土石坝渗流安全评价
理正渗流分析软件
友谊水库大坝模型渗流分析
不透水地基上均质土石坝的渗流计算
理正软件使用手册
渗流稳定计算
渗流分析
渗流计算内容
毕业设计_堆石坝渗流分析数值模拟GEOstudio
第三节 土石坝的渗流分析
渗流计算实例
理正边坡稳定分析系统