第三节_土石坝的渗流分析
培训_53土石坝的渗流分析
• 对首端至末端积分
q[L
m2 (0
H2)]
K 2
[H12
(0
H 2 )2 ]
• 对首端至任意断面积分得浸润线方程
下游段的渗流计算分析
• 水上部分：
• 假定该部分渗流流线为水平直线。任一 流管的过水断面为dZ×1，长度为m2Z， 作用水头为Z，沿高度呈线性变化。
• 渗透坡降为 • 渗透流量为 • 水上部分的渗流流量：
• 坝下不透水层面为最后一条流线，浸润 线为第一条流线，其水头等于浸润线上 各点的铅直坐标。
• 渗流在下游坝坡上的逸出段与浸润线一 样，其压力等于大气压，各点水头也随 铅直坐标而变化。
• (5) 实验方法 ：常用的有电模拟法、电 网络等模拟试验法。由于成本、周期以 及计算机技术进步等原因，目前应用不 多。
• （2）根据土体中的渗流作用力判断。
• （1）产生管涌的临界坡降JC • 临界管涌坡降取决于土的颗粒组成和渗
流坡降。可用南京水利科学院的沙金渲 公式计算：
• 式中： d3——相应于颗粒级配曲线上含 量为3％的粒径，cm； k——渗透系数,m/s； n——土的孔隙率。
• （2）流土的临界坡降JC
渗透变形的判别标准
• 为保持坝的渗流稳定性，需查明坝体和 地基土体发生渗透变形的临界渗透坡降； 再确定坝体和地基土体相应的容许渗透 坡降；以此作为进行渗流稳定性的评价。
• 坝体和地基土体发生渗透变形的临界坡 降的判断方法主要有两类：
• （1）根据土体的颗粒级配鉴别，如土体 细粒含量多少，土体的不均匀系数鉴别。
• 假定：斜墙后的渗流为缓变流，斜墙后 的水深为H，下游出口水深为H2；由流 量的连续性条件，可求解通过斜墙的渗 流量。
3.3土石坝的渗流分析
以土体中的细粒（粒径小于2mm的）含量pz 作为判断依据的方法。 当土体中的细粒含量 p >35% 时，孔隙填充饱 z 满，容易产生流土； 当土体中的细粒含量 p <25% 时，孔隙填充不 z 足，容易产生管涌； 当土体中的细粒含量 25%> p >35% 时，可能 z 产生管涌或流土，依土体的紧密度而定。
（2）前面所介绍的水力学方法，从根本上将 是一种近似的计算方法。这主要是由于坝体特 别是坝基的实际情况十分复杂，难以用理论公 式严格地表述。因此，上述所介绍的公式可能 与同学们在其他参考书籍中看到的公式可能略 有不同。坝工学到目前为止，仍然是一种半理 论半经验性的学科，土坝渗流计算是理论分析、 试验研究和工程经验的结晶。因此，不同书籍 的土坝渗流计算公式在表述上略有不同是正常 的。这种不同主要来源于对坝体及坝基的简化 上的不同，没有实质意义上的区别。
第三节 土石坝的渗流分析
土石坝的渗透变形及其防止措施
土石坝在渗流的作用下可能发生渗透变形， 造成坝脚产生渗透破坏，甚至会导致工程失事。 （1）管涌 在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒从 骨架孔隙中连续移动和流失的现象。
（2）流土 在渗流作用下，土体从坝基表面隆起、顶 穿或粗细颗粒同时浮起而流失的现象。
各种不同类型地基土坝的渗流计算
P130表4-6
总渗流量的计算
根据地形和坝体结构，沿坝轴线将坝划分为若干段 （n段），各段的长度分别为L1、L2、……、Ln，分 别计算各段的平均渗流量q1、q2、……、qn。
1 Q [q1 L1 (q1 q 2 ) L2 (q n 1 q n ) Ln 1 q n Ln ] 2
渗流分析的方法
流体力学方法 水力学方法 流网法 试验法
5.3 土石坝的渗流分析
能用于某些边界条件较为简单的情况，水力学法计算简 易,精度可满足工程要求,得到了广泛的应用。
流网法能求渗流场内任一点渗流要素,并具有一定的精度,
但在渗流场内土体渗透系数差别较大的情况下较难应用。
电模拟法用电流场模拟渗流场，从而测定渗流流网。 数值法（有限元法）可计算不稳定渗流和较复杂的渗流
i i
nLi
KH 如果绘制的网格是扭曲正方形，则： q n
如整个流网分成m个流带，则单宽总渗透流量为：
q qi
i 1
m
◎三、流网法
• （四）流网的应用
3、渗透动水压力
因为任意两相邻等势线的水头差为⊿H/n ，所以 任一网格i范围内的土体所承受的渗透动水压力 为：
W li 1 li2 1 J i Ai n nli
2 2
◎二、水力学法
• （三）不透水地基上均质坝的渗流计算
2、下游设褥垫排水(棱体排水)的情况
2)下游有水时
◎二、水力学法
• （三）不透水地基上均质坝的渗流计算
2、下游设褥垫排水(棱体排水)的情况
2) 下游有水时，近似认为坝内浸润线是以排水体内 坡与下游面交点为焦点的浸润线，可求得浸润线 焦点处自下游水面算起的渗流水深 坝体单宽流量
◎二、水力学法
• （三）不透水地基上均 质坝的渗流计算
1、下游无排水体或设
贴坡排水体的情况 根据水流连续条件，联 立两式，就可求出两个 未知数的渗流量q和逸 出点高度a0。
q1 q2 q
◎二、水力学法
• （三）不透水地基上均质坝的渗流计算
2、下游设褥垫排水(棱体排水)的情况
1)下游无水时将浸润线近似看作是以排水起点D为焦点 且通过E点的抛物线； 抛物线方程：
5.3 土石坝的渗流分析
至使它们构成的网格符合要求，使之成为扭曲正方形。
◎三、流网法
• 流网绘制示意图
◎三、流网法
• （四）流网的应用
1、渗透坡降与渗透流速：在图中任取一网格i，两等势
线相距为ΔLi，两流线间相距为ΔMi，水头差为ΔH/n ， 则该网格的平均渗透坡降为： n Ji Li nLi 通过该网格两流线间（流带）的平均渗透流速为：
◎四、土石坝的渗透变形形式及判别
• （一）渗透变形形式
管涌
◎四、土石坝的渗透变形形式及判别
• （四）有限深透水地基上土石坝渗流计算
3、带截水槽的心墙坝 心墙、截水槽段：取平均厚度δ进行计算。若心墙 后的浸润线的高度为h，可推导出通过心墙、截水 槽的渗流量为：
( H 1 T ) 2 (h T ) 2 q1 K e 2 通过心墙下游坝体与坝基的单宽渗流量为 2 h2 H 2 h H2 q2 K KT T 2L L 0.44T 根据连续条件q1=q2，联立求解得h，进而求得q。
能用于某些边界条件较为简单的情况，水力学法计算简 易,精度可满足工程要求,得到了广泛的应用。
流网法能求渗流场内任一点渗流要素,并具有一定的精度,
但在渗流场内土体渗透系数差别较大的情况下较难应用。
电模拟法用电流场模拟渗流场，从而测定渗流流网。 数值法（有限元法）可计算不稳定渗流和较复杂的渗流
m1 L H1 1 2m1
式中：m1为上游坝坡坡率；H1为坝前水深。
◎二、水力学法
• （三）不透水地基上均质坝的渗流计算
1、下游无排水体或设贴坡排水体的情况
（1）坝身矩形渗流区段的渗流量：
H12 ( H 2 a0 ) 2 q1 K 2 L
4(2).土石坝(第三节：渗流分析)
有截水槽的心墙坝渗流计算
通过心墙和截水墙渗流量：
( H 1 T ) 2 (h e T ) 2 q ke 2
通过下游坝壳和透水地基的渗流量：
2 he H 2 he H 2 2 qk kT T 2L L 0.44T
联立求解q及he
2. 有限深透水地基土石坝的渗流计算
第三节
土石坝的渗流计算
在初步拟定土石坝的断面尺寸和主要构造形式及 尺寸(如防渗、排水)以后，为了进一步校核其合 理性，还必须进行渗流计算及稳定分析。 土石坝渗流计算的目的和内容 确定坝体浸润线及下游逸出点的位置，为 坝体稳定计算提供依据 计算坝体和坝基的渗流量，估算水库的渗 漏损失； 求坝体和坝基局部的渗透坡降，验算该处 是否会发生渗透破坏。
x dy a0 H2 y
dy k m2
a0 q1 k m2
a0 dq 2 k dy m2y
q2 a0 q q1 q2
a0 H 2
a0 k dy m2y
a0 a0 H 2 q2 k ln m2 a0
联立坝身段和下游段求解q及a0，浸润线由浸润线方程确定 并做修正。
下游为褥垫排水
有水平铺盖的斜墙坝渗流计算
以坝体浸润线起始为界分为上、下游两段分析。
A H1 ke
k he
B
T
Ln
L
H1 h e q KT T n(Ln m1he )
联立求解q及he 返回
2 he H 2 he H 2 2 qk kT T 2(L m1he ) n(L m1he )
1
2qx k(H1 y )
2 2
浸润线方程
代入边界条件可得坝身渗流量：
第三节-土石坝的渗流分析
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：dx dykyvy 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 kqH H 22221=- 即： LH H k q 2)(2221-= （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：xy H k q 2)(221-=即： x kqH y 221-= （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： 11121H 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。
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。
大坝渗流分析范文
大坝渗流分析范文引言：随着人类社会的发展，水资源的合理利用和管理变得越来越重要。
而大坝的建设是水资源管理的重要手段之一、然而，大坝的渗流问题对大坝的稳定性和安全性有着重要影响。
因此，对大坝的渗流问题进行分析和研究具有重要意义。
本文将通过分析大坝渗流问题的原因、特点和影响，提出相应的解决方案。
一、大坝渗流问题的原因大坝的渗流问题主要有两个原因：渗流路径和渗流量。
1.渗流路径：大坝由土石材料组成，随着时间的推移，渗流路径会逐渐形成。
土石材料的孔隙和裂缝是渗流路径的主要通道。
此外，地下水位的变化也会导致渗流路径的变化。
2.渗流量：大坝渗流的量取决于渗透系数、渗流压力和渗流深度等因素。
渗透系数是指土石材料的渗透能力，可以通过试验或测量得到。
渗流压力是指地下水和大坝之间的压力差。
渗流深度是指地下水位与大坝的距离。
二、大坝渗流问题的特点大坝渗流问题具有以下几个特点：1.渗流通道复杂：由于大坝由多种材料组成，渗流通道非常复杂，通道的形状和大小也难以准确预测。
2.渗流路径变化：由于地下水位的变化和土石材料的萎缩膨胀等因素的影响，渗流路径经常发生变化，这对大坝的稳定性造成了威胁。
3.渗流量不均匀：由于土石材料的不均匀性，渗流量在不同部位不均匀分布，这给大坝的稳定性和安全性带来了影响。
三、大坝渗流问题的影响大坝渗流问题对大坝的稳定性和安全性有着重要的影响。
渗流引起的土体流失会导致大坝内部的孔隙增大，进一步加剧渗流问题。
当渗流量超过一定限度时，会导致大坝破坏或失稳。
此外，渗流水会与大坝内部的材料发生反应，引起大坝材料的溶解和腐蚀，从而降低大坝的强度和稳定性。
四、大坝渗流问题的解决方案针对大坝渗流问题，可以采取以下一些措施：1.加强渗流路径的控制：通过合理的大坝设计和施工，可以减少渗流路径的数量和通道的复杂性，从而降低渗流问题的发生概率。
同时，注意地下水位的变化，及时采取措施修复渗流路径。
2.提高土石材料的密实性：增加土石材料的密实度可以减少渗流路径的数量和压实度，从而降低渗流问题的发生概率。
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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：
H H q1 K 2 L
2 1
2 2
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2015-4-6
第三节 土石坝的渗流分析
通过坝基的渗流量q2可表达为:
8
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水力学法计算以下渗流类型
1. 2.
• • •
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
3.
• • • •
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
( H 1 H 2 )T (d) q2 K T nL0 坝体、坝基的单宽渗流总量q为： 2 2 H1 H 2 ( H 1 H 2 )T (5-14) q q1 q2 K KT 2 L nL0
式中: K T—坝基土料渗透系数;T —透水层厚度；
L0见图；
29
n—坝基渗径修正系数，表5-8
20
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（2）下游设有水平排水设施情况
Y
A
K O
L'
B X
2
Y
21
A
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下游设有水平排水设施情况
证明，褥垫排水的坝体浸润线为一抛物线，抛 物线的焦点在排水体上游起始点，焦点在铅直方 向与抛物线的截距为 a 0 ,至顶点的距离为 a ， 2 由此可得：
0
2 H 12 a 0 qK 2 L
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第三节 土石坝的渗流分析
表5-8
系数n 表
L0/T 20
5
4
3
2
1
n
1.15 1.18 1.23 1.3
1.44 1.87
浸润线仍按式(5-6)计算，此时应将渗流量q
用坝体渗流量q1代替。
y H
2
2 1
2q1 x （5-6） K
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30
（2）有截水墙的心墙坝渗流计算
1 m 1:
1:
m2
C
h0 a0
1:
M
△L
L' L
13
（a）
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H2
O
F
C' N
X
无排水设施均质坝
无排水设施均质坝渗流分析的思路是以渗流 逸出点为界把坝体分为上、下游两部分，分别 列出各部分的流量表达式，并根据流量连续性 原理，求出相应的未知量（q 、a)。 1）上游段分析（图5-4(a)）根据达西定律，通 过浸润线以下任何单宽垂直剖面的渗流量q为
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4.总渗流量的计算
(一)矩形渗流区无压渗流分析
14-6
(二)不透水地基均质坝的渗流计算
严格地讲，绝对不透水的坝基是不存在的。当 坝基渗透系数小于坝体渗透系数的百分之一时， 视坝基为相对不透水地基。计算时一般取单位 坝长作为分析对象。 （1）下游无排水（贴坡排水）设施情况 对上游坝坡，斜面入流的渗流分析要比垂直 面入流复杂得多。而电模拟试验结果证明，虚 拟适宜位置的垂直面代替上游坝坡斜面进行渗 流分析，其计算精度误差不大。为简化计算， 在实际分析中，常以虚拟等效的矩形代替上游 坝体三角形
h0 a0 H2
1:
m2
C
y
3
dy a0 dy
X
C'
β
D
' L
y
）
（b）
0
q1 dq1
0
a0
a0
0
Ka0 K a KJdy dy 0 m2 m2
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16
H2
水面以下坝体渗流量
1:
m2
1:
m2
水面以下坝体渗流 量为C :
h0 a0
C
y
3
dy a0 dy
X
C' N
dy q Ky dx
2 1
移项积分（积分区间从0至x）可得：
2q y H x （5-6） K
2
14
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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:
H 1 (a 0 H 2 ) 2 qK 2 L
2
（5-7）
y b E A A'
1:
1:
m2
C
（5-10）
把(5-10)代入基本方程式(5-6)得浸润线方程:
a H y x H 12 L
2 2 0 2 1
（5-11）
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22
下游有褥垫式排水设施情况
褥垫排水情况如图5-4（a）所示，这种排水施 在下游无水时排水效果更为显著。由模拟实验 其浸润线仍可按5-6式计算。
讨论：当下游无水时，令H2=0 代入式（513）将得到与式（5-10）和式（5-12）完全相 同公式因此，下游无水的堆石棱体褥垫式排水 相同。
11
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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:
m1 H1 L 2m1 1
（5-5）
式中:m1 —上游坝面坡度系数，变坡时平均值 H1 —上游水深。
12
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图5-3 不透水地基均质土坝渗流计算图
y b E A A'
H1
6
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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。
h0 a0
1:
m2
C
y
3
dy
m1
O
H1
M
△L
H2
F L' L
C' N
X y
C'
15
（a）
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（b
下游段分析
1:
m2
2 ）下游段分析，以下 C 面为界把下游 游水 段三角形坝体分为 水上 、水 下两部分。 C' N X 为简化起见，采用 新 的 坐 标 系 如 图 54(b)所示。 水面以上坝体的渗流量 q为:
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a 0 L 2 ( H 1 H 2 ) 2 L
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Y
A
K O
L'
B X
2
Y
A
K O
L'
B
X
图5-4 均质土坝渗流计算图
26
(a)有水平排水时；（b）有棱体排水时
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(三)有限深度透水地基土石坝的渗流计算
（1）均质坝 对于透水地基上的均质坝，分析时： 把坝体与坝基分开考虑，即先假设地基为不透 水的，由上述方法计算坝体的渗流量q1和浸润 线（用q1代替q）; 然后再假定坝体为不透水，计算坝基渗流量q2 ， 将 q1 +q2可得坝体和坝基的流量 。
0
q2
a0 H 2
a0
dq1
a0 H 2
a0
a0 Ka0 a0 H 2 K dy ln m2 y m2 a0
q q1 q2
q
18
Ka0 m2
(1 ln
a0 H 2 a0
)
（5-8）
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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（57）〕，浸润线按式5-6计算。
X y
H2
C'
β
D
L' L
）
17
q2
a0 H 2 a0
（b）
dq1
a0 H 2 a0
a0 Ka0 a0 H 2 K dy ln m2 y m2 a0
H2
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第三节 土石坝的渗流分析
q1 dq1
0
a0
a0
0
Ka0 K a KJdy dy m2 0 m2
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2
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。
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（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。