最新土石坝渗流分析
土石坝渗流破坏类型分析及防治措施
土石坝渗流破坏类型分析及防治措施土石坝渗流破坏类型分析及防治措施摘要：根据国内外大量失事大坝资料证实，由渗透破坏引起的事故占到四成以上。
因此渗流问题是影响土石坝安全的主要因素。
本文对土石坝渗流破坏机理进行分析及总结出防治方法措施关键词：土石坝渗流破坏防治措施土石坝是应用最广的挡水建筑物，用散粒材料填筑在不同的坝基上，挡水后上下游的水头差引起了水通过坝体、坝基及两岸坡向下游渗流。
由于勘测设计不当、施工质量不良和管理运行不当以及渗流、地震等，使土石坝及其坝基发生缺陷病害，甚至垮坝失事。
重要的病害有渗流破坏、滑坡、裂缝、地震震害和液化及其他病害。
针对这些病害必须采取选用这种或那种坝体和坝基加固技术，以保证土石坝的安全及其水库的正常运用。
根据国内外大量失事大坝资料证实，由渗透破坏引起的事故占到四成以上。
因此渗流问题是影响土石坝安全的主要因素。
一、土石坝渗流破坏类型坝体渗漏浸润线从坝坡逸出将导致坝坡湿润或沼泽化:这种现象一般发生在均质坝或混合土料坝型中，过高的浸润面增加了滑坡的可能性，同时由于渗流的长期作用和气温及降雨的影响，坝坡土体的抗剪强度减小，局部渗透破坏，导致滑塌的可能性加大。
下游坝面出现集中渗漏;坝体在分层填筑时土层较厚，施工机械的功率不足，致使每层填土上部不密实，局部疏松，形成水平集中渗漏带，有的坝由于施工组织落后，特别是大规模的人工填筑施工，采用分段包干的填筑方法，土层厚薄不一，上升速度不一致，致使相临两段的接合部位出现了少压或漏压的松土带。
坝体裂缝渗漏:坝体开裂是形成坝体隐蔽渗漏的原因之一，由于心墙或斜墙后坝壳一般是强透水的土料，通过裂缝的集中渗漏将在坝壳中扩散，因而难以发现集中渗漏区，根据坝壳浸润面观测成果也难以判断渗漏的存在。
2、坝后地面渗漏土石坝外坡坝后地面出现砂沸、砂环、泉涌、管涌或沼泽化是经常遇到的渗漏现象，其成因与地层的构造及未能采取有效的渗流控制有关。
对表层透水性较小的粉细砂、淤泥或壤土，其下为强透水的砂砾石或砂层地基，若坝后没有采取排水减压措施(减压井、减压沟)或有排水设施，但是由于这种地层的渗流出逸坡降较大，当出逸坡降大于表层土的临界坡降时，坝后地面即出现砂沸等破坏现象。
土石坝渗流分析
l1 l2
l3
ln
q1
q2
q3
1
Q 2 q1l1 q1 q2 l2 qn2 qn1 ln1 qnln
三、土石坝的渗透变形及其防止措施
土料在渗透水流的作用下，由于机械或化学作用，使土体产 生渗透变形，产生渗透破坏。
最常见的渗透变形有三种，分别是管涌和流土和接触冲刷。
1.管涌
设反滤层或加盖重
本节完
Jcr (Gs 1)(1 n)
容许渗透坡降
3.接触冲刷
[J] Jcr K
当渗流沿两种不同的土层接触面流动时，沿层 面夹带细小颗粒流失的现象，一般发生在两层 级配不同的土料中。
4.渗透变形的防止措施 防止渗透变形的工程措施集中体现为降低渗透坡 降及增加渗流出口处土体抵抗渗透变形的能力。
设置水平或垂直的防渗体，降低渗透坡降。 设置排水沟或减压井，降低下游渗流出口处的渗压。
T
(H1 H2 )T L 0.44T
2. 有限深透水地基土石坝的渗流计算
有截水槽的心墙坝渗流计算
通过心墙和截水墙渗流量：
q
ke
(H1
T)2 (he 2
T)2
通过下游坝壳和透水地基的渗流量：
q
k
h
2 e
H
2 2
2L
kT
he H2 L 0.44T
T
联立求解q及 he
2. 有限深透水地基土石坝的渗流计算
Ke
H12 he2 2
通过下游坝壳的渗流量为：
q
k
he
2
H22 2L
联立心墙段和下游段求解q及he
浸润线方程： 2qx k(he2 y2 )
1、不透水地基上土石坝的渗流计算
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
水利工程土石坝工程渗漏原因及施工中的渗流控制措施
水利工程土石坝工程渗漏原因及施工中的渗流控制措施摘要：水利工程中，土石坝是常见的工程项目，在施工过程中土坝及地基中的渗流，由于其机械或化学作用，可能使土体产生局部破坏，称为“渗透破坏”，严重的渗透破坏可能导致工程失事，因此必须加以控制本文就针对土石坝的渗流进行分析，并给出了防治措施。
关键词：土石坝；渗流；控制理论土石坝是目前水利工程建设工程中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。
与其他坝型相比较，无论从经济方面还是从施工方面，土石坝具有绝对的优势，据不完全统计，中国土石坝数量占到大坝总数的 93%。
但土石坝建设最大的病害即是渗漏，如何控制和预防渗漏是土石坝工程建设中最主要的工作之一。
1．土石坝工程渗漏的常见类型及原因分析1.1 土石坝坝体渗漏的原因随着水利工程的大力开发建设，工程的质量问题时有发生，特别是水库、坝体的渗漏问题，在洪水来临之时无法形成很好的挡护，给人们的生命和财产安全带来了很大的危害。
坝体渗漏，因坝身防渗体裂缝或者坝体施工质量等问题形成渗漏的集中通道，从而形成管涌，渗水逸出点或逸出面通常出现在下游坝坡和坝脚。
引起坝体渗漏产生的主要原因有：一是坝体单薄或土料透水性大；二是筑坝质量差，如铺碾压不实或漏压、土过厚、粘土心墙或斜墙层面结合不好等；三是反滤设施质量差，未按设计要求铺设反滤层，土石混合坝未设过渡层；四是坝后反滤排水体高度不够；五是坝下涵管、埋管的外壁与土体结合部回填不密实，涵洞未做截流环；六是坝体不均匀沉降引起的横向或水平裂缝，可能引起坝体集中渗透破坏。
1.2 土石坝坝基渗漏的原因坝基渗漏通常是由于强透水性的坝基处理不当，或坝基未作防渗处理，或坝基防渗设施失效而产生的。
引起坝基渗漏产生的主要原因有：一是缺少合理的防渗措施，在砂卵石基础上坝前未做铺盖，或铺盖长度及厚度不够、质量不好被水压击穿，或者对强透水基础，坝体与坝基部位未做截水槽、截水墙；二是库内粘土铺盖下未设反滤层，渗水压力破坏了铺盖；三是坝基清理不彻底，在进行坝基施工前未按相关规定把坝基清理干净，部分杂草、树根残留，严重影响了层面之间的贴合度，所以导致渗水发生；四是水库管理问题：由于非法施工和人为原因造成了水库天然铺盖的破坏，导致坝基渗水。
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
土坝的渗流问题分析
土坝的渗流问题分析及其控制措施和监测技术前言：渗透破坏是土石坝坝体的常见病害,设计一套可靠的渗流监测系统是保证土石坝坝体安全运行的必备措施。
土石坝浸润线位置的高低是影响坝体渗透稳定和抗滑稳定的最重要的因素之一。
对于土石坝渗透水溢出点的渗透坡降较陡时,坝坡就会发生流土、管涌,甚至滑坡、垮坝。
科学地对土石坝进行渗透监测,为水库安全运行、坝体安全稳定提供科学依据。
摘要: 土坝破坏来源于水和其它外力的侵袭以及土体强度的不足,其中渗流产生的坝体破坏占有较大比例,且造成的后果极为严重。
通过土石坝产生渗流破坏的现象分析,掌握其发展规律,利用地质勘探合理确定的边界条件,有针对性地选择土石坝的渗流控制设计方案。
关键词:土坝渗流破坏基本内容控制措施渗流问题的重要性防渗加固渗透破坏渗流监测渗流监测布设技术在水利工程中,地表水的冲刷破坏常会引人注意,也比较容易发现和挽救，而地下水的冲刷目不能见,常被忽视,有时问题一经发现,会立即导致工程的破坏,难以补救。
因此，一般水利工程受地下水渗流冲刷破坏者常比地表水冲刷破坏者为多,而堤坝渗流的问题更为严重。
据米德布鲁克斯调查统计美国206座破坏的土坝中,由于渗漏管涌破坏者占39%,由于漫顶破坏者占27%,由于滑动及沉陷裂缝者占18%,由于反滤料流失、块石护坡下没有滤层、坝端处理不好、波浪和地震等原因破坏者占17%,由此可见渗流破坏作用的严重性。
我国在20世纪90年代初的统计资料,全国存在渗漏问题比较严重的大型水库有132座,遍及各省,其中土石坝渗漏的就有106座,约占80%。
1.土坝的渗流破坏土石坝破坏来源于水和其它外力的侵袭以及土体强度的不足。
原因不同,发生的现象也有不同，除去坝端三向浇渗破坏和漫顶溢流垮坝者外,从土坝剖面上看，问题主要如图1：图1所示几种状况,并且分别说明如下:①图a是砂层地基的承压水顶穿表层弱透水粉质壤土或淤泥的薄弱环节,发生局部集中渗流形成流土泉涌现象,并继而向地基的上游发展成连通的管道。
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。
- 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)。
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）。
2020/11/8
______________________________________
5
____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
（△）
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”。
2020/11/8
______________________________________
vkJky
单宽流量：
x
qvykyy （*）
x
自上游面（x＝0，y=H1)至下游
面（x=L,y=H2)积分得：
H12
H22
2qL k
q k(H12 H22)
积分（*），2可L得浸润线方程： H y 2kq x 2020/11/8
22
1
______________________________________ ____________
2020/11/8
______________________________________
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
______________________________________
10
____________
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：
L y2 he2 x 2he
12
____________
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 L2(H1t)2L
qk[H12het2]
2L
2020/11/8
______________________________________
13
____________
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。
2020/11/8
______________________________________
4
____________
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：
vx kxJkx
连续条件：
H x
vy
kyJky
H y
vx vy 0 x y
二维渗流方程：
kx
2xH2 ky
2H y2
2020/11/8
______________________________________
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。
(1lna0t) 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’。
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。
2020/11/8
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ΔL
L
m1 12m1
H1
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。
2020/11/8
§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
2020/11/8
______________________________________
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
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。
2020/11/8
______________________________________
6
____________
平均流速：
______________________________________
9
____________
通过第一段EOB’B’’的渗流量为：
q1k[(H122(La' 0t)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
ka0 m2
2020/11/8
______________________________________
11
____________
抛物线通过E(x=0,y=H1),代入可得
L H12 he2 2he
he L2H12 L
代入流量公式，可得单宽流量：
q k(H12 He2) 2L
2020/11/8
______________________________________