第四節(jié)土石壩的滲流分析

散粒體的滲流：水庫蓄水后，由于上下游水位差的關(guān)系，水流會(huì)通過壩體土粒之間的空隙從上游向下游流動(dòng)。

圖6-13

滲流示意圖

第四節(jié)土石壩的滲流分析滲流計(jì)算目的：為確定經(jīng)濟(jì)可靠的壩型和合理的結(jié)構(gòu)尺寸提供重要依據(jù)滲流計(jì)算任務(wù)：確定壩體浸潤線及其下游逸出點(diǎn)的位置，繪制壩體積地基內(nèi)的等勢(shì)線分布或流網(wǎng)圖，提供壩體穩(wěn)定分析、應(yīng)力計(jì)算和排水設(shè)備選擇之用確定壩體與地基滲流量，以便估計(jì)水庫滲漏損失和確定壩體排水的尺寸確定壩坡出逸段與下游地基表面的出逸比降，以及不同土層之間的滲透坡降，以判斷該處的滲透穩(wěn)定性確定庫水位降落時(shí)上游壩殼內(nèi)自由水面的位置，估算由此產(chǎn)生的孔隙壓力，供上游壩坡穩(wěn)定分析之用常用的滲流分析方法：流體力學(xué)方法、水力學(xué)方法、流網(wǎng)法和試驗(yàn)法。

一土石壩滲流的基本方程及其解法（一）滲流的基本方程土壩滲流為層流，滲流區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)滿足拉普拉斯方程：式中：、為x、y方向的滲透系數(shù)（二）滲流問題的水力求解

假設(shè):均質(zhì),層流,穩(wěn)定漸變流.應(yīng)用達(dá)西定律(Darcy’sLaw)，假定任一鉛直過水?dāng)嗝鎯?nèi)各點(diǎn)的滲透坡降相等。如圖示為一不透水地基上的矩形土體，此時(shí)過流斷面上的平均流速為：

設(shè)單寬流量為q，則

(*)將上式自上游面（x=0,y=H1)至下游面（x=L,y=H2)積分，得：對(duì)（*)積分，可得浸潤線方程：不透水地基上矩形土體的滲流計(jì)算圖圖6-15

土壩浸潤線示意圖

二計(jì)算土石壩滲流的水力學(xué)方法

（一）不透水地基上土石壩的滲流計(jì)算

1.

均質(zhì)壩的滲流計(jì)算下游無排水：計(jì)算時(shí)把土石壩斷面分為上游三角形、中間段和下游三角形三段上游三角形滲流區(qū)域的等效寬度為：

將上游三角形和中間段合成一段通過這段滲流區(qū)域的滲流量為：

均質(zhì)壩計(jì)算簡圖

下游三角形段，以下游水面為界，分為水上部分和水下部分。和為等勢(shì)線，非等勢(shì)線也非流線。應(yīng)用達(dá)西定律可得其滲流量：根據(jù)水流連續(xù)條件聯(lián)立求解即可得浸潤線方程和逸出高度。

下游有褥墊排水：根據(jù)流體力學(xué)分析表明，浸潤線可由一通過E并以排水起點(diǎn)為焦點(diǎn)的拋物線來表示。B點(diǎn)高度為，則C點(diǎn)位置。由于浸潤線過和，浸潤線方程為：

浸潤線通過點(diǎn):

有褥墊排水的滲流計(jì)算圖由此可得EODBA段的單寬流量：下游棱體排水：當(dāng)下游無水時(shí)和褥墊式相同；當(dāng)下游有水時(shí)，如下圖所示，可將下游水位以上部分按照無水情況處理。

單寬流量為：有棱體排水時(shí)滲流計(jì)算圖2.

心墻壩的滲流計(jì)算

心墻土料的滲透系數(shù)一般很小，比壩殼小倍以上，計(jì)算時(shí)可不考慮上游楔體降落水頭的作用。下游壩殼的浸潤線比較平緩，水頭主要集中在心墻部位損失。當(dāng)下游有排水時(shí)，近似的假定浸潤線的逸出點(diǎn)為下游水位和堆石內(nèi)坡的交點(diǎn)A，如下圖所示。心墻壩的滲流計(jì)算

將心墻簡化成等厚的矩形斷面:則通過心墻段的單寬流量為：心墻下游壩殼的單寬流量為：根據(jù)聯(lián)立求解，可求得心墻后浸潤線高度和滲流量。下游壩殼的浸潤線仍按計(jì)算。3.斜墻壩的滲流計(jì)算斜墻壩滲流計(jì)算

將變厚度的斜墻簡化成為厚度為的等厚斜墻，這樣通過斜墻的滲流量為：斜墻后壩殼的滲流量為：由聯(lián)立求解可得q和h。壩體的浸潤線方程仍為：

三流網(wǎng)法適用：剖面、邊界條件復(fù)雜，用計(jì)算方法比較困難時(shí)流網(wǎng)繪法：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定浸潤線位置及逸出點(diǎn)將上、下游水位差分為n等分，等分水平線與浸潤線交點(diǎn)即等勢(shì)線與浸潤線的交點(diǎn)，由這些交點(diǎn)繪制等勢(shì)線繪制與等勢(shì)線正交的流線。反復(fù)修正為相互正交、長寬相等網(wǎng)格，即流網(wǎng)由流網(wǎng)求滲流要素流網(wǎng)的繪制（一）滲流要素計(jì)算

滲流場內(nèi)任一點(diǎn)i的流速，可用i點(diǎn)所在網(wǎng)格的平均流速來代表：其中，k為土壤滲透系數(shù)；為i點(diǎn)所在網(wǎng)格相鄰兩根等勢(shì)線之間的平均流線長度；為兩根等勢(shì)線之間的水頭差，H1、H2為上下游水頭；n為等勢(shì)線的數(shù)目。因而：流管的流量為：式中為i點(diǎn)所在的網(wǎng)格相鄰流線之間的距離，即i網(wǎng)格的高度，如為正方形,此時(shí)：根據(jù)流網(wǎng)性質(zhì)，在正交曲線簇組成的流網(wǎng)中，個(gè)流管的滲流量應(yīng)該相同：，于是單寬流量為：

單寬流量為：

作用在I處單位土體的滲透力為：

式中：m為流管數(shù)，其值為流線總數(shù)減去1。

(二）不同土層分界處的流網(wǎng)

滲流通過兩種不同土壤的交界面，其流線和等勢(shì)線將發(fā)生轉(zhuǎn)折，按照連續(xù)條件，通過相鄰兩流線的流量不變：

AA1、BB1為等勢(shì)線，假定此時(shí)兩等勢(shì)線之間的水頭損失為dh，則：不同土層界面處的流線（三）各向異性土體內(nèi)的流網(wǎng)受施工與沉積因素影響，壩身、壩基的水平向滲透系數(shù)一般大于豎直向，若達(dá)幾倍以上則應(yīng)考慮土體的各向異性。在繪制流網(wǎng)時(shí)，先變換實(shí)際剖面，水平尺寸按換算，然后在變換的剖面上按一般方法繪制成網(wǎng)，最后將該剖面及流網(wǎng)的水平尺寸乘以，即可得實(shí)際剖面的流網(wǎng)。幾種不同類型土石壩的流網(wǎng)圖如下：

（a）（b）（c）不同類貴型土石違壩的流孔網(wǎng)圖（a）均粱質(zhì)壩塵；（b）粘風(fēng)土心良?jí)毋y；（c）粘哪土斜礙心墻之壩四急滲透穩(wěn)你定的計(jì)逗算（一）彼滲透變槳形的形蛇式管涌多發(fā)棉生在鄙缺乏帖中間子粒徑院的非旗粘性憤土中綱，細(xì)巾顆粒超先被邀滲流般帶走磁，土流的孔槍隙逐倚漸增斷大，縣繼而較倚大顆男粒相芒繼帶自出，社形成最挾沙敵滲流辣集中詞通道承，導(dǎo)撒致土糞體結(jié)陪構(gòu)破宿壞.流土在滲流綿作用下柱，土體筐同時(shí)浮且動(dòng)或流點(diǎn)動(dòng)，多歪發(fā)生于滅粘性土夾或均勻搭的非粘銳性土中3.接觸莊流失滲流捏垂直搞于滲騰透系升數(shù)相碑差較饒大的態(tài)兩相撕鄰?fù)林覍拥目浣佑|保面二腫流動(dòng)球時(shí)，唇將滲浩透系禽數(shù)小縮慧較小層中粱的細(xì)驗(yàn)顆粒錯(cuò)帶入交滲透勇系數(shù)質(zhì)較大笛的另左一土諸層.4.接觸垂沖刷當(dāng)滲流寫沿著粗塵細(xì)兩種普土層的焰接觸面房誠或建筑皮物與地請(qǐng)基的接賽觸面流辯動(dòng)時(shí)，藏沿層面贊帶走細(xì)岡顆粒的現(xiàn)拌象.土層顯接觸好面處姑的滲座透變慢形1－滲流肌；2－粘性雜土；3－砂礫總；4－粘抽土（二壞）蘋滲廟透變頌形型傍式判撿別影響監(jiān)滲透繪變形警的因龜素：土體灘密實(shí)艇度程恐度、瀉顆粒岸級(jí)配念、細(xì)蕉粒含悅量滲透議變形悼形式冠判斷算依據(jù)虹：流土過渡丘型不均勻嬌系數(shù)畢管散涌>3詞5%流土25~蔑35%過渡元型細(xì)顆堤粒含德量<2辣5%管涌（三）修滲偽透破壞嶄標(biāo)準(zhǔn)土體在戰(zhàn)滲流作罪用下是佳否產(chǎn)生年滲透破胞壞，主互要取決月于土體谷本身的筍抗?jié)B強(qiáng)按度，以觸臨界坡輝降作為判崖定標(biāo)準(zhǔn)一般末管涌典按下努式計(jì)緩算：其中：d—伴—流失顆嫁粒的粒唐徑，可丘取為小云于這個(gè)匆粒徑土謎壤顆粒訊占3％～5％，cm；k——滲透系數(shù)村，cm量/s；n—賣—孔隙秘率。對(duì)流桑土通球常采黨用太躬沙基能公式來：其中牧：——土粒役容重大；——水的容卵重；n—悟—土的倘孔隙害率。（四援）耀增泡加滲伐透穩(wěn)廢定性倦的工緒程措瘦施增大滲曠透途徑投，降低絕滲透坡犯降或截絹?zhàn)铦B流增設(shè)排工水溝或柄減壓井從，降低碗下游滲鐵流出口咬處的滲騰透壓力墳，將滲陷水由計(jì)獻(xiàn)劃的排閥出（五距）亞反看濾層請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)作用：滲流源出口即或進(jìn)濤入排后水處灰，坡宅降較窄大，萌流速鄙較快訊，易走產(chǎn)生漠滲透篩變形曉。為沸防止旦土體在滲蜻流作嘉用下宜發(fā)生文滲透湖變形袋，防覽滲體些與壩叮殼或巾壩基趙透水購層之裹間、少排水扇與壩彎體和珠土壤鉆之間必須球設(shè)置摸反濾襯層。型式：土反眉濾、昨土工糖織物減反濾基本稀要求客：透水今性大輛于被濃保護(hù)蓋土，盤能通紀(jì)暢的睛排除掀滲透拋水流使被保裕護(hù)土不譯發(fā)生滲抄透變形不致顧被細(xì)弓粒土輔淤塞交失效在防敢滲體水出現(xiàn)匹裂縫股情況丈下，盒土顆染粒不鼠會(huì)被油帶出謀反濾蒼層，周能使跑裂縫獨(dú)自行訓(xùn)愈合反濾層完的設(shè)計(jì)會(huì)：反濾料覺一般采拾用比較蹦均勻的朵抗風(fēng)化不砂、礫先卵石或殺碎石。宏反濾層鳴的級(jí)配嘉和層數(shù)姨通過計(jì)算比蒜較確回定。賀一般憂要求朋反濾壘料的皆不均聲勻系形數(shù)<5~蹄8；相席鄰兩療層間蜻系數(shù)漏應(yīng)滿檢足：式中遼，——反濾料粘的粒徑治小于該用粒徑的志土占總豆土重的15％；——被保粘護(hù)土沾的粒徑，錄小于該偷粒徑的伍土占總何土重的85％；——被保護(hù)壟土的粒煩徑小于貴該粒徑錦的占總泳土重的15％。對(duì)于被腸保護(hù)土添的第一綠層反濾耽料，建何議：第五節(jié)劣土婚石壩的迅穩(wěn)定分敞析一競目沿的分析壩臭體及壩焦基在不擊同工況等下可能辭的失穩(wěn)猾型式，捐驗(yàn)算其峰穩(wěn)定性灰，定出品經(jīng)濟(jì)剖響面。二標(biāo)可搶能失顆穩(wěn)型毫式土體抗占剪強(qiáng)度捐不足——滑動(dòng)壩基舉內(nèi)有黃軟弱園夾層——塑性流注動(dòng)飽和霧細(xì)沙拘受地材震荷窮載作潮用——液化三每滑動(dòng)面旺型式曲面——粘土坡折線——非粘性自土坡復(fù)式——厚心墻引壩或壩喇基內(nèi)存寨在軟弱康夾層四荷載1.壩體自妥重土石壩菜的主要妨荷載，劃應(yīng)根據(jù)截其位于漢水上、雁水下情糊況分別扎選取濕忙容重、深浮容重?cái)_計(jì)算2.孔隙磨水壓爐力機(jī)理土體懇可壓妻縮，屋水不句可壓緞縮，治且不炭能傳甲遞剪郊力，局當(dāng)土撓體孔突隙被裕飽和補(bǔ)后，耕其上還所加兼荷載除將全爐部由所水承乎擔(dān)，娛在孔攜隙水綿因受原壓而棍排出恰時(shí)逐電漸轉(zhuǎn)晉移到燭土體大骨架出上。霜土體抹骨架棉承擔(dān)漲的有插效應(yīng)鍵力與姥孔隙列水壓豈力之贊和為創(chuàng)總壓蚊力需考慮屈工況（對(duì)掉粘性落土）適施工醫(yī)期、孔庫水遞位驟脾降時(shí)況、地漏震時(shí)考慮志方法總應(yīng)兔力法疾與有譯效應(yīng)膊力法3.地震尖荷載地震隔慣性叢力按豎擬靜屈力法銳計(jì)算怒，沿潤壩高裙作用王于質(zhì)娛點(diǎn)i處的笑水平撓向地圍震慣贈(zèng)性力PI為：式中：——水平向積地震系嗚數(shù)，與薯地震烈圣度有關(guān)晃；——綜合影宿響系數(shù)嚼，常取0.2哀5；——地震加油速度分筆布系數(shù)訊；——集中森在i質(zhì)點(diǎn)的恨質(zhì)量豎向把地震濕力也丹按水浴平向兩地震歪慣性去力公跌式計(jì)染算，潮其中對(duì)設(shè)計(jì)篩烈度是8、9度的Ⅰ、Ⅱ級(jí)壩，錫應(yīng)同時(shí)中考慮水挺平向和竭豎向地膝震慣性凱力，此幅時(shí)豎向徑地震慣性力錦還應(yīng)乘掛以0.5的遇合畫系數(shù)。五絲式計(jì)算工莊況水庫墓正常兵蓄水讀位泡下游旬坡正常錦運(yùn)用亞時(shí)施水位持降落茂上墓游坡最不利都水位時(shí)煎上游摩坡水位述驟降集上游柜坡非常運(yùn)坑用時(shí)庸施工拔期上下勝游坡校核豪水位蠻下游秧坡地震省時(shí)上蛋、下曬游坡六御抗滑穩(wěn)羽定分析拒方法土石廣壩的短壩坡鳳穩(wěn)定己分析肅常采劫用極限平踏衡理論。依據(jù)嘴不同的械滑坡形頁式，分灘為圓弧兵滑動(dòng)法、折肅線滑動(dòng)陵法和復(fù)旦式滑動(dòng)偽法。1.圓弧干滑動(dòng)濕法（1）瑞己典條穿分法適用艷范圍：均質(zhì)拆壩、律厚心蝴墻和錄厚斜蠶墻壩的可避能滑理動(dòng)面械都近樹似圓榆弧原理：假定栗壩體或適壩基有切一系列牽圓柱型蓬破壞面崗，按平綿面問題扶考慮即撞為圓弧提面。圓誰弧內(nèi)的淘土體其蛋繞圓心檔的抗滑麥力矩大干于滑動(dòng)戶力矩則將穩(wěn)定，辜否則邊愁坡喪失蜻穩(wěn)定單個(gè)可生能滑動(dòng)笛體的方黑法與步愚驟：首先搖確定召壩體矩浸潤挎線位西置，膨在不檢同區(qū)述域采紹用不竄同的娛物理信力學(xué)章性質(zhì)提指標(biāo)燈。壩專體浸潤線悅以上采用濕容惰重。對(duì)浸潤線獅以下的壩縫體，香計(jì)算滑動(dòng)下力矩時(shí)用飽和容犬重，計(jì)算抗滑力雜矩時(shí)則用浮容重均。將圓拼弧內(nèi)蹄土體潛分成裝若干碎條，花為方仇便計(jì)抹算，黨土體仇寬度b取為朱半徑R的份數(shù)反，即b＝R/賢m，m常用10～20。以i土條旅為例縱，其鈴自重僻，紗在雪滑弧績上可觀分解黑為切掛向分尾力和法向跡力般。府忽略條圖塊剪相圍互作用盤力，邊灘坡的穩(wěn)丟定安全及系數(shù)為安：即：壩坡采穩(wěn)定呀計(jì)算娛示意康圖土條概編號(hào)亡方法園是以英圓心窩正下晌方的勞一條刊為i＝0，并依旨次向上氣游i＝1，2，3…糠…，向下跟游為i＝－1，－2，－3，……于是遇有：因此：對(duì)于高微壩，用肅有效應(yīng)肺力法更飯符合實(shí)躍際，采薄用有效合應(yīng)力指新標(biāo)君，壩坡圣安全系閃數(shù)如下或：×最危險(xiǎn)蜓滑弧位躁置的確疊定：按哥照一定佛方式，帥取一系濫列的滑膽動(dòng)面驗(yàn)部算，即航可求出渾最小安志全系數(shù)談，相衛(wèi)應(yīng)的妥滑動(dòng)欺面即撐為最罪危險(xiǎn)途或具小有最鉤小安嗽全系值數(shù)的慨滑動(dòng)剛面（2）畢肖辱普法畢肖跌普法脫考慮載了土港條兩腳側(cè)的標(biāo)作用逃力條塊間病作用力道為任意鋸向的滑轉(zhuǎn)弧數(shù)值炕分析（a）滑動(dòng)艦土塊；波（b）條塊模的力平益衡圖設(shè)AB施CD為一燃末浸煉水的劃圓弧肯滑動(dòng)宅面?？蚣俣ú鞐l塊津兩側(cè)已的作收用力本為，G為條塊季重量；N為條塊陡底面上賽的法向渴力；殃為條塊靠底面的測(cè)有效法友向力；u為條塊雖底面的孔隙水皺壓力；S為條魄塊底壁面上啊有效掃剪力輛；還為土憤體的奏有效尚抗剪出強(qiáng)度腦指標(biāo)霞。滑動(dòng)賄面BC上產(chǎn)生織的剪力猛為：根據(jù)燦滑動(dòng)殿平衡厘條件常：則：（*)根據(jù)（b）一個(gè)閱條塊的考力平衡出圖，求安得N、ul，幟代入棄式（跪*)，化簡抽得：（1）式中禿是未知膏量，需你先按試結(jié)算法求緊出：土條間杜的Xn、Vn為內(nèi)胞力，答其平距衡方味程為旱：（2）條塊色的力詞平衡鑰圖（b）為圈：（3）計(jì)算電時(shí)先代假定肺各土頌條間雷的咐，檢午查是禿否滿鴨足（2）、貝（3），若駝滿足則您用（1）計(jì)算纖安全止系數(shù)Kc2.折線滑訴動(dòng)法（1）非票粘性土莖坡計(jì)算非粘清性土世壩坡墊的滑廉動(dòng)面政近似到折線揚(yáng)，折資點(diǎn)高訴程常瘋在水悄位附漲近滑動(dòng)面芒上的抗嶄剪強(qiáng)度莊利用充軌分程度撓應(yīng)該是何一樣的繳。其安岡全系數(shù)土的表達(dá)侮方式為：式中Kc即為安倍全系數(shù)伙，逐為試驗(yàn)根得到的擠抗剪強(qiáng)帳度指標(biāo)倡。計(jì)算中梅把滑動(dòng)陡土體ABC偉EA分成兩牲個(gè)滑塊脅，滑塊狠間的滑想面為BD，與鉛幟直線成佛角。在該灰面上痰，土梨塊間衣相互形作用犯力與BD面法線估成摩擦釋角更。計(jì)并算時(shí)假黑設(shè)不同轉(zhuǎn)的安全芽系數(shù)Kc，從湯滑塊BC遙ED的平柴衡條洪件中絡(luò)求出P，然繼后將回其作亂用在ABD上，看慚他是否子與G2、R2等平衡；反如不平主衡則重轎新假定尾安全系何數(shù)，重裁復(fù)上述鹿步驟，狼直到平納衡為止內(nèi)，此時(shí)鋪的Kc即為壇該滑動(dòng)面護(hù)的安全證系數(shù)非粘跑性土食坡穩(wěn)泊定計(jì)潑算圖從滑棕動(dòng)土押體BC夢(mèng)ED平衡可捧得：（4）從滑稈動(dòng)土緞體ABD平衡筋可得（5）聯(lián)立（4）（5）可得叼：（6）在上述襲計(jì)算中蝕，舟都最是任意轎假定的閣。最危靈險(xiǎn)水位粗及其滑碰動(dòng)面位蛾置及相晨應(yīng)的安五全系數(shù)都，需通鏈過試算爭才能決抵定。（2）斜墻錄及其保芬護(hù)層的運(yùn)計(jì)算斜墻希和保誓護(hù)層煮及斜鞏墻與掉壩體盡，由金兩種遲不同親的土隨料填滅筑，搶在接擁觸面玻處往往寧強(qiáng)度送較低怒，保趨護(hù)層吧或連捷同斜姥墻可孝能沿廊這類煎接觸養(yǎng)面產(chǎn)嘩生滑雹動(dòng)。斜墻袖連同首保護(hù)剃層一白起滑導(dǎo)動(dòng)的煎穩(wěn)定帳計(jì)算斜墻辣連同掏保護(hù)電層的買穩(wěn)定遞計(jì)算怕，一邀般呈博四個(gè)誤直線況段。庭