大坝渗流分析讲义
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4(2)土石坝(：渗流分析)
渗流分析过程及结果
分析方法
计算模型
采用数值计算方法进行渗流分析，包括有限 元法、有限差分法等
根据实际工程地质条件，建立计算模型，包 括坝体、坝基、库岸等
分析参数
分析结果
根据工程实际情况，确定渗流参数，如渗透 系数、孔隙率等
根据计算分析，得出渗流场分布、渗透流量 及坝体浸润线等结果
渗流分析及解决方案
边界元法
利用数值计算方法对计算区域 的边界进行求解，得出浸润线
和渗透流量等成果。
物理模型试验方法
缩尺模型法
根据相似原理，将实际工程缩尺成模型进行试验，以得出浸润线和渗透流量 等成果。
离心模型法
利用离心机进行模型试验，以得出浸润线和渗透流量等成果。
经验公式法
查图表法
根据工程地质和水文地质条件，查用图表或经验公式进行计算。
的可行性和实用性。
研究还发现，土石坝渗流场的分布与 诸多因素有关，如坝体材料、结构形 式、运行水位、地质条件等，这些因 素需要在进行土石坝设计和运行时给
予充分考虑。
土石坝渗流分析的不足与挑战
尽管本次研究取得了一定的成果，但仍存在一些不足之处 。例如，数学模型仅考虑了理想情况下的渗流场分布，实 际应用中还需对复杂的地质条件和施工条件进行深入研究 。
4(2)土石坝渗流分析
xx年xx月xx日
contents
目录
• 引言 • 土石坝概述 • 渗流基本理论 • 土石坝渗流分析方法 • 工程实例 • 结论与展望
01
引言
工程项目背景
该工程项目属于国家重大水利工程，位于某流域，旨ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ提高 该地区的防洪能力，改善水资源利用状况，促进当地经济发 展。
该工程项目的建设规模较大，涉及多个建筑物和设施，其中 最为核心的是土石坝。
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。
第四节 土石坝的渗流分析
第四节土石坝的渗流分析
一、渗流的概念：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
二、渗流分析的目的：
（1）确定坝体内浸润线的位置；
（2）确定坝体及坝基的渗流量，以估算水库的渗漏损失；
（3）确定坝体和坝基渗流逸出区的渗流坡降，检查产生渗透变形的可能性；
（4）为坝体稳定分析和布置观测设备提供依据。
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、渗流基本方程
土坝渗流为层流，因此满足达西定律(Darcy’s Law), 渗流区内任一点势函数应满足拉普拉斯方程：
k x, k y——分别为x, y方向的渗透系数
对于简单的边界条件，上述方程能解，复杂边界条件，需借助数值方法。
四、渗流的水力学问题
假设: 均质, 层流, 稳定渐变流.
应用达西定律，并假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等，对不透水地基上的矩形土体，流过断面上的平均流速为：
单宽流量：
图6-14 不透水地基上矩形土体的渗流计算图
自上游向下游积分：
自上游向区域中某点（x,y）积分，得浸润线方程：
图6-15 土坝浸润线示意图五、流网法
图6-16 流网的绘制。
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：
(优选)大坝渗流分析详解.
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
q1
k[( H12
(a0 2L'
t)2 ]
第二段B’B’’ N，可以下游水面为界，分为水上和水下两部
分，应用达西定律，可得通过第二段的渗流量为：
q2
ka 0 m2
(1
ln
a0 t
t)
根据水流连续条件q＝q1＝q2，联立以上两式，可求得a0 和q。浸润线方程可以用（△）求得，求出后还应对浸润线进 口进行修正：自A点引与坝坡AM正交的平滑曲线，曲线下端 与计算所得的浸润线相切于A’。
连续条件：
k x
H x
H vy k yJ k y y
vx vy 0 x y
二维渗流方程：
kx
2H x 2
ky
2H y2
0
分析法：流体力学法、水力学法、图解法和试验法，最常 用的是水力学法和流网法（图解法）。
二、水力学法
基本假定： 土料均一，各向同性 渗流属稳定流 看作平面问题 渗流看作层流 渗流符合连续定律
对1、2级坝和高坝应采用数值法计算确定渗流场各因素， 其它可采用公式计算。
岸边的绕坝渗流和高山峡谷的高土石坝应按叁维渗流用 数值法计算。
土石坝的渗流为无压渗流，有浸润面，可视为稳定层
流，满足达西定律，简化为平面问题。水位急降时产生不
稳定流，需考虑浸润面随时间变化对坝坡稳定的影响。
大坝渗流分析讲义
大坝渗流分析讲义
大坝渗流分析是针对大坝在长期运行中可能出现的渗漏问题进行的一
种技术分析。
大坝作为一种重要的水利工程结构，其稳定性和安全性对水
利工程的正常运行至关重要。
渗流问题的发生会影响大坝的稳定性，甚至
会导致大坝破坏，给下游区域造成严重的水灾危害。
因此，大坝渗流分析
是评估和解决渗流问题的重要手段。
2.渗流量计算：通过渗流量的计算，可以评估大坝渗流的强度和规模。
渗流量的大小直接影响到大坝的稳定性，因此，需要合理地评估和控制渗
流量。
3.渗流速度分析：渗流速度是渗流问题的另一个重要参数。
通过渗流
速度的分析，可以评估渗流的速度和渗流的扩散范围。
在设计和施工过程中，需要根据渗流速度的分析结果，来判断可能出现渗漏的情况，并采取
相应的措施来防止渗漏的发生。
4.渗流压力分析：渗流压力是渗流问题的关键指标之一、渗流压力的
大小和分布直接影响到大坝结构的稳定性。
通过对渗流压力的分析，可以
评估渗流压力的大小和分布，确定可能出现渗漏的位置和程度，并采取相
应的措施来减小渗流压力的影响。
在大坝渗流分析中，一般采用数值计算的方法来进行渗流场的模拟。
数值计算可以更加准确地模拟大坝渗流场的分布和特征，并可以考虑各种
影响因素对渗流的影响。
在进行数值计算时，需要对大坝的结构和渗透条
件进行合理的模拟和假设，以获得准确的分析结果。
大坝渗流分析[
2011-1-6
6
∂y v = kJ = −k ∂x 单宽流量：
平均流速：
∂y q = v ⋅ y = −ky ∂x
（*）
自上游面（x＝0，y=H1)至下游 面（x=L,y=H2)积分得：
2q H −H = L k 2 k ( H12 − H 2 ) q= 2L
2 1 2 2
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积分（*），可得浸润线方程：
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3
渗流计算应包括以下水位组合情况： 渗流计算应包括以下水位组合情况： 上游正常蓄水位与下游相应的最低水位； 上游设计洪水位与下游相应的水位； 上游校核洪水位与下游相应的水位； 库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。 渗流计算应考虑坝体和坝基渗透系数的各向异性。计算 渗流量时宜采用土层渗透系数的大值平均值，计算水位降落 时的浸润线宜采用小值平均值。 对1、2级坝和高坝应采用数值法计算确定渗流场各因素， 其它可采用公式计算。 岸边的绕坝渗流和高山峡谷的高土石坝应按叁维渗流用 数值法计算。
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土石坝的渗流为无压渗流，有浸润面，可视为稳定层 流，满足达西定律，简化为平面问题。水位急降时产生不 稳定流，需考虑浸润面随时间变化对坝坡稳定的影响。 达西定律：
∂H v x = k x J = −k x ∂x 连续条件： ∂v x ∂v y + =0 ∂x ∂y
2
∂H v y = k y J = −k y ∂y
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三、流网法 复杂剖面和边界条件，用计算方法求解土石坝浸润 线比较困难，且不准确。流网法可求出渗流区任一点的 渗透压力、坡降、流速及渗流量。 流网的概念： 渗流场：渗流运动的水质点所充满的空间． 流 线：水质点运动的轨迹． 等势线：渗流场中势能相等的各点连线 流 网：流线与等势线组成的网格
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y h L x 2he
2 2 e
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抛物线通过E(x=0,y=H1),代入可得
2 H1 he2 L 2he
he L2 H12 L
代入流量公式，可得单宽流量：
k (H H ) q 2L
2 1 2 e
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③下游棱体排水 当下游无水时和褥垫式相同，下游有水时，可将下游水 面以上部分按照无水情况处理。
he L ( H1 t ) L
2 2
k[ H he t ] q 2L
2 1 2
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（二）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 ＝（δ 1+δ 2)/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
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通过第一段EOB B 的渗流量为：
’ ’’
k[(H12 (a0 t ) 2 ] q1 2 L' 第二段B’B’’ N，可以下游水面为界，分为水上和水下两部 分，应用达西定律，可得通过第二段的渗流量为： ka 0 a0 t q2 (1 ln ) m2 t
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3
渗流计算应包括以下水位组合情况： 上游正常蓄水位与下游相应的最低水位； 上游设计洪水位与下游相应的水位； 上游校核洪水位与下游相应的水位； 库水位降落时上游坝坡稳定最不利的情况。 渗流计算应考虑坝体和坝基渗透系数的各向异性。计算 渗流量时宜采用土层渗透系数的大值平均值，计算水位降落 时的浸润线宜采用小值平均值。 对1、2级坝和高坝应采用数值法计算确定渗流场各因素， 其它可采用公式计算。 岸边的绕坝渗流和高山峡谷的高土石坝应按叁维渗流用 数值法计算。
பைடு நூலகம்
kc [ H12 h 2 ] q1 2
k[ h 2 t 2 ] q2 2L
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（三）斜墙坝的渗流计算 将斜墙简化为等厚的矩形，δ ＝（δ 1+δ 2)/2,则可求通 过斜墙的单宽流量q1和斜墙坝壳的单宽流量q2，联立求得h和q
kc [ H12 h 2 ] q1 2 sinθ
积分（*），可得浸润线方程：
2q H y x （△） k
2 1 2
7
（一）不透水地基上均质土坝的渗流计算 1、均质坝的渗流计算 20世纪20年代前苏联学者提出，以浸润线两端为分界线， 将均质土坝分为3段：上游楔形体、中间段和下游楔形体， 分别列出计算公式，再根据水流连续原理求解，称为“三段 法”。
§3 土石坝渗流分析
一、概述
二、水力学法
三、流网法
四、渗透变形及防止措施
2018/5/19
1
一、渗流分析概述 分析目的： 检验坝的初选形式与尺寸，确定渗流力以核算坝坡 稳定 进行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，确定坝体及坝基中防渗体和排水设施。 确定通过坝及两岸的渗流量并设计排水系统的容量
根据水流连续条件q＝q1＝q2，联立以上两式，可求得a0 和q。浸润线方程可以用（△）求得，求出后还应对浸润线进 口进行修正：自A点引与坝坡AM正交的平滑曲线，曲线下端 与计算所得的浸润线相切于A’。 坝体为贴坡排水对坝身浸润线位置没有影响，计算方法 与下游无排水相同。
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②下游有褥垫排水 根据流体力学计算表面，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。焦点处的高度为he，抛物线的 原点在排水起点后he/2处，可得抛物线的公式为：
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8
①下游无排水 用一个等效矩形体代替上游楔形体，把此矩形体与原三 段法的中间段和而为一，成为第一段，下游楔形体为第二段。 虚拟上游面为铅直的，距原坝坡与设计水位交点A的水平距 离为Δ L m1 L H1 1 2m1 上式根据流体力学和电拟试验得到，式中m1为上游坝坡 坡率；H1为坝前水深。
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y v kJ k x 单宽流量：
平均流速：
y q v y ky x
（*）
自上游面（x＝0，y=H1)至下游 面（x=L,y=H2)积分得：
2q H H L k 2 k ( H12 H 2 ) q 2L
2 1 2 2
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k[ h 2 t 2 ] q2 2L
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（四）有限深透水地基土石坝的渗流计算 1、均质坝的渗流计算 均质坝透水地基深度为T，渗透系数为KT，坝体渗透系数 为k，可将坝体和坝基分开计算。坝体部分按不透水地基计算。 可假定坝体不透水，按下式计算坝基的渗流量：式中n为流线 弯曲对渗径的影响，可查表。 k HT
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2
渗流计算内容： 确定坝体浸润线及下游出逸点的位置，绘制坝体及 坝基内的等势线分布图或流网图； 确定坝体与坝基的渗流量； 确定坝体出逸段与下游坝基表面的出逸坡降，以及 不同土层间的渗透比降； 确定库水位降落时上游坝坡内的浸润线位置或孔隙 压力； 确定坝肩的等势线、渗流量或渗透比降。
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土石坝的渗流为无压渗流，有浸润面，可视为稳定层 流，满足达西定律，简化为平面问题。水位急降时产生不 稳定流，需考虑浸润面随时间变化对坝坡稳定的影响。 达西定律：
H v x k x J k x x 连续条件： vx v y 0 x y
H v y k y J k y y
二维渗流方程：
2H 2H kx ky 0 2 2 x y
分析法：流体力学法、水力学法、图解法和试验法，最常 用的是水力学法和流网法（图解法）。 2018/5/19 5
二、水力学法 基本假定： 土料均一，各向同性 渗流属稳定流 看作平面问题 渗流看作层流 渗流符合连续定律 基本要点: 将坝内渗流分成若干段（即分段法），应用达西定律 和杜平假定（假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相 等），建立各段的运动方程，根据水流连续性求解流速、 流量和浸润线等。