土石坝力学法渗流计算(无敌版)
土石坝渗流与稳定.
反滤层的设计：
算比较确定。一般要求反滤料的不均匀系数 <5~8；相邻两层间系数应满足：
反滤料一般采用比较均匀的抗风化砂、砾卵石或碎石。反滤层的级配和层数通过计
D40~ 60 8 ~ 10 d 40 ~60
对于被保护土的第一层反滤料，建议：
D15 / d 85 4 ~ 5 D15 / d15 5
流网图，提供坝体稳定分析、应力计算和排水设备选择之用
确定坝体与地基渗流量，以便估计水库渗漏损失和确定坝体排水的尺寸 确定坝坡出逸段与下游地基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透坡降， 以判断该处的渗透稳定性 确定库水位降落时上游坝壳内自由水面的位置，估算由此产生的孔隙压力， 供上游坝坡稳定分析之用
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。
一 土石坝渗流的基本方程及其解法
（一）渗流的基本方程
土坝渗流为层流，渗流区内任一点满足拉普拉斯方程：
2H 2H kx ky 0 x 2 y 2
式中： k 、k 为 x、y 方向的渗透系数
x
y
（二） 渗流问题的水力求解
假设: 均质, 层流, 稳定渐变流. 应用达西定律(Darcy’s Law)，假定任一铅直过水断 面内各点的渗透坡降相等。如图示为一不透水地基上的矩形土体，此时过流断面上的平 均流速为：
y 2 he2 L x 2he
浸润线通过 E( x 0, y H1 ) 点:
H 1 he2 L 2he
he L2 H 12 L
有褥垫排水的渗流计算图
2
由此可得EODBA段的单宽流量：
k H 12 he2 q 2L
下游棱体排水：当下游无水时和褥垫式相同；当下游有水时，如下图所示，可将下游水位 以上部分按照无水情况处理。
土力学土的渗透性及渗流
8
2、渗流量的计算及渗透变形控制问题
基坑围护结构下的渗流
板桩墙
基坑
透水层
渗流问题：
1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗水压力？
不透水层
9
基坑开挖降水
井点降水
10
管井降水
11
工程实例 湖南浯溪水电站二期基坑出现管涌
12
2、渗流量的计算及渗透变形控制问题
水井渗流 Q
天然水面
含水层
渗流问题：
38
三、成层土的平均渗透系数
天然土层多呈层状
✓确立各层的k ✓考虑渗流方向
等效渗透系数
39
水平渗流 将土层简化为均质土，便于计算
总流量等于各土层流量之和 （各层的水力梯度相等）
条件:
im
i
h L
Q q j kxiH
q j v j H j k jiH j
等效渗透系数:
m
Q kxiH i k j H j j 1
P1 = γwhw
P2 = γwh2
R + P2 = W + P1
R + γwh2 = L(γ + γw) + γwhw
R = ? R = γ L
0
45
静水中的土体 R = γ L
渗流中的土体
ab
P1
W A=1
P2 R
W = Lγsat＝L(γ + γw)
贮水器 hw L 土样
0
Δh
h1 h2
0 滤网
非线性流（紊流） 地下水的渗流速度与 水力梯度成非线性关系
线性稳定流
线性非稳定流
非线性稳定流 非线性非稳定流
我们现在需要掌握和理解的达西定律
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
渗流计算
前两个影响的内容，是我们在工程设计中需要计算的，当然在具体工程中，我们会根据实际需要选择性的进行计算。其它影响是我们在工程设计中需要注意和考虑的，因为它可能影响我们的设计方案。
3）渗透变形及判别
3.1）渗透变形的类型土的渗透破坏是由土的渗透变形引起的，由渗透水流引起的渗透变形
2）渗透系数的确定
2.1）单层土渗透系数的确定单层土的渗透系数是由现场或室内实验确定的。工程设计中土的渗透
系数作为基本资料由地勘专业提供。单层土假定为各向同性土，则土中任意一点、任意方向的渗透系数相等，即Kx=Ky=Kz。
2.2）各向已性土渗透系数的确定实际工程中的土层一般都具有各向异性，如冲积土层、碾压土层等。
渗流计算
（焦建华）
中山市水利水电勘测设计咨询有限公司
2010.12.30
一、渗流计算的基本知识1
一）、渗透与渗透影响1
1）渗透1
2）渗透影响1
3）渗透变形及判别2
二）、渗流计算的基本原理及渗透系数3
1）达西定律3
2）渗透系数的确定3
3）渗透系数的应用5
三）ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ渗流计算的基本方程6
二、大坝、堤防渗流计算6
由于层次的存在，土层的水平向渗透系数长大于垂直向渗透系数。对各种
异性土（包括任意倾斜方向的不同渗透性），可把渗透区边界（包括建筑物
的地下轮廓）的水平尺寸剩以因数α，
kZ
kX，转化为各向同性均质地
基，其平均渗透系数k
kxkz
。进行渗流计算后得各点水头后，再把水
平尺寸除以α，就恢复为原各向异性土层的图形。2.3）多层土渗透系数的确定一般天然沉积的地层常由渗透性不同且厚度不一的多层土组成，碾压
土石坝渗流分析
2019/2/12
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。
2019/2/12
28
渗透稳定和渗透坡降及土的组成有关，增加抗渗 稳定的工程措施：降低渗透坡降；增加渗流出口处土 体的抗渗能力。 具体有：①增大渗径，降低渗透破坏或截阻渗流； ②设排水沟或减压井，降低下游渗流出口处的渗透压 力。在可能发生管涌地段，需设反滤层，拦截细粒； 可能发生流土地段，加设盖重。
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a2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q20204415三斜墙坝的渗流计算将斜墙简化为等厚的矩形则可求通过斜墙的单宽流量q20204416四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k坝体渗透系数为k可将坝体和坝基分开计算
2019/2/12
29
kc H12 h 2 kc H h q1 T 2 sin 1
k h 2－t 2 kT h t q2 T 2L1 L 0.44T
2019/2/12
18
公式计算时，可作如下简化： 渗透系数相差5倍以内的相邻薄土层可视为一层，采 用加权平均渗透系数； 双层结构坝基，如下卧土层较厚，且渗透系数小于 上覆土层渗透系数的1/100，可将下层视为相对不透水 层； 当透水层坝基深度大于建筑物不透水层底部长度的 1.5倍以上时，可按无限深透水层情况估算。
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。
土石坝渗流计算
K H0
L
图
L
Le
混合式石坝渗流计算图
y
y
m2
K h0 L L1 α0 L'
L
有垫层排水的均质坝
y
m2
K h0 L1 L H2
m4
土 石 坝渗 流 计 算 图
L1 L
土 石 坝渗 流 计 算 图
y
y
m1
he hT L1 L
K H0
m3
H2
Le
混合式石坝渗流计算图
’ 1
m1 3 d 6 x y
m2 2.5 L
m3
0.3 δ
’ 2
0.2 δ
’ 2
0.01 /H1 htj
0.5
50 0.933482 14.558482 23.558482 0.78528274 4 0.5 1 3 5 7 9 18.00535017 18.69587 20.344292 21.713747 25.5665969 27.47768 说明：根据设计依次输入m1、m2、m3、m4、m5H1、H2、K1、k2、k3、L、δ 1、δ 2、H1、H、d值后， 心墙下游坡上渗流水深，hw为心墙上游坡渗流水深，h0即为棱体排水前水深，ht浸润线
m1 2 β
m2 2.5 а
m3 3 δ 1
H1 38.1 δ 2
H2
0.3218 0.463647609 15 2.5 13.403067 29258.5 24.38 说明：根据设计依次输入m1、m2、m3、H1、H2、K、k2、L、δ 1、δ 2值后，试输入htj值，使htj等于ht， 斜墙后水深，h0即为棱体排水前水深，浸润线从h0至ht为一条直线。 5、心墙土石坝有棱体排水（不透水地基） m4 k1 k2 k3 0.3 △L δ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
41
14:24.0
2.7
6
4.2上游坝面边坡系数m 1
1.计算依据：4.1 均质土坝坝高H(m)
4.已知参数:
教材 河海版水工建筑物p122-131 水力学 吴持恭主编 下册 p233 水平不透水层上均质土坝的渗
坝高H（m）
坝顶最小宽度B min (m)
注：上下游如为变坡时，则分别取各自下游坝面边坡系数m 2
1:2.25～1:2.751:2.5～1:3.01:3.0～1:3.5
1:1.5～1:2.0～20～30>30
1:2～1:2.5表1.土坝坝坡边坡系数参考值
坝高（m）上 游 坝 坡下 游<1010～201:2.25～1:2.5～
表2.坝顶最小宽度值
4.3坝顶宽度B (m)
（不透水地基上的均质坝）
表3.土的渗透系数参考值
5.0～20.0<0.00.0000060.0001～0.0003～0.00060.001～0.006中 砂渗透系数k
m/d cm <0.0050.005～0.10.1～0.50.25～0.50.5～1.01.0～5.0轻亚粘土黄 土粉 砂细 砂 注：本表资料引自中国建筑工业出版社1975年出版的《工程地
4.5下游水位H 2(m)
4.4上游水位H 1(m)
<306
土 名4.6渗透系数k(cm/s)
粘土亚粘土均质中砂0.04～0.02～0.07～
粗 砂均质粗砂
35～5020～5060～75
30～100>100
4.1>=3.0
5.计算过程：5.1坝体的分段
采用两段法是采用三段法的简化，把上游锲形体ABE用一个矩形体AEB'A'去取代,(1)等效的矩形体的宽度△L为:
(2)第二、三两段的底宽和（线段DE长度）L为：
2…………下游坝面边坡系
（5-2）5.2上游段的计算
渗流从过水断面A'B'至CG的水头差ΔH=H 1-h K ,两过水断面之间平均渗透路程Δs=L+ΔL-m 2h k ,m 2为坝下
故上游段的平均水力坡度
k …………逸出点高度
根据杜比公式，上游段的平均渗流流速
很显然要用上式计算渗流量还不可能，因其中逸出水h k 是位知数，所以还必须要对下游段建立计算公式 行联解。
5.3下游段的计算
设坝下游有水，其水深为H 2，逸出点在下游水位以上的高度为a 0,因在下游水位以下的渗流为有压流，
无压流，需分开计算。
同时根据实际流线的情况，把下游段内的流线都看做是水平线。
4.97892.04692.0469
由（5-6）式校核的结果为x10-5m 3/s·m
将上式求得的a
0代入公式（5-5）或（5-6），可求得单宽渗流量q 为
由（5-5）式算得x10-5m 3/s·m 再由公式 h k =a 0+H 2 可求得h k 为
m
利用已知边界条件可确定积分常数C，当x=L+△L-m 2h k 时，y=H 1，代入上式得
将上式积分得
…………（5-9）
该断面的平均渗流流速为
单宽渗流量为
在任意水平坐标为x的过水断面上，设其水深为y，根据杜比公式， 一组直角坐标系来研究浸润曲线的计算，x轴以向左为正。
（5-7）
5.5浸润线方程的计算
如下图所示，因我们用等效的矩形体取代上游三角楔形体，A'B'即为上游的入渗起始断面，
x 0.00 3.43 6.8610.3013.7317.16y
18.00 2.70161.6910.460.0024.7034.3237.7541.1844.6148.0451.4854.9158.3420.0920.2820.4820.6720.8621.0521.2421.4375.5078.9382.3685.7989.2392.6696.0999.5222.3322.5122.6922.86
23.04
23.21
23.38
23.55
116.68120.11123.5424.38
24.54
24.70
（5-12）
假定一系列的x值，由上式可算得相应的y值，从而描绘出坝内浸润曲线。
由上式可见， 当x=0时，y=h k ，当x=(L+△L-m 2h k )时，y=H 1。
表4.x系列值和其对应的y系列值
将(5-5)式代入上式后可得出浸润曲线的方程式为
或
将C值代入式（5-9）得
绘制浸润线
透水层上均质土坝的渗流计算
水平不透水地基均质坝浸润线示意图
取各自的平均值。
下 游 坝 坡
:1.5～1:2.0
:2.0～1:2.5
2.25～1:2.75
:2.5～1:3.0
(m)
1
-11）
，
20.5924.0227.4530.89
0.00 3.0019.6919.89
61.7765.2068.6472.07
21.6121.7921.9822.16
102.95106.38109.82113.25
23.7223.8824.0524.21。