水工建筑物第四章(2).ppt

'水工建筑物第四章 4.4土石坝的渗流分析4.4.1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。 一、渗流分析内容：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。 二、渗流分析方法（1）解析法：包括流体力学法和水力学法；（2）手绘流网法：一种图解方法，绘制方便；（3）实验法：采用电模拟实验解决三维问题；（4）数值法：采用有限元分析。三、渗流分析的计算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。 4.4.2渗流分析的水力学法一、基本假定：坝体土是均质的，坝内各点在各个方向的渗透系数相同；渗流属稳定流，看作平面问题；渗流是层流，符合达西定律：v=KJ渗流是渐变流，过水断面上各点的坡降和流速是相等的。 二、渗流基本公式假定：任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等。平均流速：单宽流量：自上游向下游积分：自上游向区域中某点积分：vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv 三、不透水地基上的渗流计算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”。 (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:上式根据流体力学和电拟试验得到，式中m1为上游坝坡坡度；H1为上游水深。 1)上游坝段计算通过上游段的渗流量: 2)下游坝段计算下游水位以上单宽渗流量:下游水位以下单宽渗流量:通过下游坝体总单宽流量: 根据水流连续条件:q＝q1＝q2联立以上两式，可求得a0和q。浸润线方程可以用式(4—8）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‘。当下游无水时，各式中的H2=0。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。 (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点并以排水起点为焦点的抛物线来表示。可得抛物线的公式为： (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。即: 2.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，水头损失主要在心墙部位。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δ的矩形.联立求解h、q 3.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q1和斜墙坝壳的单宽流量q2，联立求得h和q。 四、有限深透水地基上的渗流计算1、均质坝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；再假定坝体不透水，计算坝基的渗流量；两者相加。 下游无水时，通过坝体和坝基的单宽流量：下游有水时，通过坝体和坝基的单宽流量： 2、心墙坝联立求得q和h。浸润线方程：近似认为上游坝壳中无水头损失，渗流计算分防渗体段和墙后段两部分。 （1）有截水墙的情况计算方法与心墙坝类似： （2）有铺盖情况近似认为铺盖与斜墙是不透水的。 五、总渗流量计算将土石坝沿坝轴线分为若干段，然后分别计算选取断面的单宽渗流量，再计算总渗流量。 4.4.3渗透变形及防止措施一、渗透变形分类与特点定义：土石坝及地基中的渗流，由于物理和化学作用，土体颗粒流失，导致土壤发生局部破坏，称为渗透变形。渗透变形及其发展过程与土料性质、颗粒级配及水流条件、防渗、排水措施等因素有关。常见渗透变形的型式：管涌、流土、接触冲刷、剥离、化学管涌等。 (1)管涌：在一定渗流作用下，土体中的细颗粒沿骨架颗粒所形成的孔隙管道移动或被渗流带走，发生于无粘性土中（沙砾料）。(2)流土：指在渗流作用下，粘性土及均匀无粘性土体被浮动的现象。流土常见于下游逸出处。(3)接触冲刷：渗流沿着两种不同介质的接触面流动时，把其中颗粒层的细粒带走。(4)接触流土：渗流垂直于两种不同介质的接触面流动时，把其中一层的细粒，移入到另一层中去。例如反滤层的淤塞。(5)化学管涌：指土体中的盐类被渗流水溶解带走的现象。 二、非粘性土管涌与流土判别产生管涌或流土的细颗粒临界含量与孔隙关系：（1）当土体细颗粒含量大于Pg时，可能产生流土。（2）当土体细颗粒含量小于或等于Pg时，可能产生管涌。 三、滲透变形的临界坡降与允许坡降1.产生管涌的临界坡降Jc与允许坡降临界坡降计算公式：允许渗透坡降计算公式：2.产生流土的临界坡降JB和允许坡降太沙基公式: 四、防止渗透变形的工程措施措施常用的工程措施:全面截阻渗流，延长渗径；设置排水设施；设置反滤层；设排渗减压井。砂石反滤层的结构、设计原则、材料。 土石坝在自重、水荷载、渗透压力和地震荷载作用下，若剖面尺寸不当或坝体、坝基土料的抗剪强度不足，坝体或坝体连同部分地基发生滑动，造成失稳。坝基内有软弱夹层时，也可能发生塑性流动。饱和细沙受地震作用还可能发生液化失稳。分析目的：分析坝体及坝基在各种不同条件下可能产生的失稳形式，校验其稳定性，确定坝体经济剖面。失稳特点：坝体由散粒材料组成，不会出现整体滑动或倾覆失稳，只可能发生局部失稳破坏。4.5土石坝的稳定分析4.5.1概述 稳定破坏形式滑动：坝或坝基材料的抗剪强度不够，沿某一滑动面向下坍滑。液化：饱和的松砂受振动或剪切而发生体积收缩，孔隙水不能立即排出，有效应力转化为孔隙应力，砂土抗剪强度降低，砂料随水的流动而流散。影响因素：有效粒径小，孔隙比大，砂料均匀，受力体大，受力猛，透水性小，易液化。美国福特派克坝380万立方米的砂体在10分钟内流失；铁路桥因火车振动而液化。塑性流动：坝体或坝基剪应力超过了土料抗剪强度，变形超过弹性极限值，坝坡或坝脚地基土被压出或隆起，坝体产生裂缝或沉陷。软粘土坝体容易发生。 1、曲面滑动面—滑动面顶部陡而底部渐缓，曲面近似圆弧，多发生于粘性土中。2、折线滑动面—多发生于非粘性土坡，如薄心墙坝、斜墙坝；折点一般在水面附近。3、复式滑动面—厚心墙或粘土及非粘土构成的多种土质坝形成复式滑动面。当坝基内有软弱夹层时，滑动面不再向下深切，而沿夹层形成曲、直组合的复式滑动。 4.5.2土壤抗剪强度指标的选取 4.5.3稳定计算情况和安全系数的采用一、稳定计算情况1.正常运用情况:分三种工况；2.非常运用情况Ⅰ：分三种工况；3.非常运用情况Ⅱ：正常情况遇到地震。二、安全系数的采用计入条块间作用力时，不小于表4—9规定；不计入条块作用力时，另考虑。 4.5.4坝坡稳定分析方法一、圆弧滑动面稳定计算1.瑞典圆弧法基本原理:将滑动土体分为若干铅直土条,不考虑条块间的作用力,求得各土条对滑动圆心的抗滑力矩和滑动力矩,并求其总和。可根据下式求稳定安全系数： 计算步骤：（1）确定圆心、半径，绘制圆弧。（2）将土体编号（3）计算土条重量（4）计算安全系数： 2.简化的毕肖普法该法计及条块间作用力，故计算较为复杂。 二、非圆弧滑动稳定计算1.非粘性土坝坡部分浸水的稳定计算用铅直线DE将滑动土体分为两块,则土块BCDE沿CD滑动面的力平衡式为:土块ADE沿AD滑动面的力平衡式为:=0 2.斜墙坝坝坡的稳定计算计算滑动面abcd,将土体分成三块。 三、复合滑动面厚心墙滑动面，通过砂性土部分为直线，通过粘性土部分为圆弧。可将滑动土体分为3个区，BC面上的抗滑力S=Gtanφ+CL四、最危险滑裂面确定 4.6土料选择与填土标准确定筑坝材料选择应遵循的原则：（1）具有或经加工后具有与使用目的相适应的工程性质，并具有长期稳定性；（2）就地、就近取材，减少弃料（环境污染），少占或不占农田，并优先考虑枢纽建筑物开挖料的利用；（3）便于开采、运输和压实近20年来土石坝建设的突出进步之一就是筑坝材料应用范围越来越广。风化料、软岩、砾石土等也可用于筑坝。对不符合要求的材料进行处理后也可采用。 4.6.1坝体不同部位对土石料的要求1、防渗土料渗透系数：均质坝≤1e-4cm/s，心墙和斜墙≤1e-5cm/s。水溶盐含量（指易溶盐和中溶盐，按质量计）≤3%有机质含量：均质坝≤5%，心墙和斜墙≤2%，超出需论证；有较好的塑性和渗透稳定性；浸水与失水时体积变化小。我国主要采用粘土、壤土等细粒土。缺点：天然含水量高，雨天难施工，造价高，压缩性大，降低心墙抗水力劈裂能力。 以下粘土不宜作为防渗体填筑料，必须采用时应采取适当措施：塑性指数＞20和液限＞40%的冲积粘土；膨胀土;吸水膨胀，失水收缩。开挖、压实困难的干硬粘土；冻土；分散性粘土。土粒间斥力大于引力，遇低盐水会脱落随渗水流走。经处理后开用于填筑3级低坝。 2、坝壳土石料要求：具有比较高的强度。水下部分要求具有良好的排水能力。一般可根据材料性质用于坝壳的不同部位.。3、反滤料、过渡料、排水料要求：质地致密，抗水性和抗风化性能满足工程运用条件；具有要求的级配；具有要求的透水性；反滤料和排水体料中粒径＜0.075mm的颗粒含量≤5%。 4.6.2土料填筑标准的确定填筑标准是指土料的压实程度。根据施工条件、材料情况，通过试验，合理确定填筑标准，达到安全经济目的。综合考虑以下因素：坝的级别、高度、坝型和坝的不同部位；土石料的压实特性和采用的压实机具；坝料的填筑干密度和含水率与力学性质的关系，以及设计对土石料力学性质的要求；土料的天然干密度、天然含水率，以及土料进行干燥或湿润处理的程度；当地气候条件对施工的影响；设计地震烈度及其它动荷载作用；坝基土的强度和压缩性；不同填筑标准对造价和施工难易度的影响。 1.粘性土的压实标准粘性土的填筑标准应以压实度和最优含水率作为设计控制指标。压实度＝设计干重度/最大干重度或：最优含水量：在一定压实功能下达到最佳压实效果的含水量。 2.非粘性土料的压实标准非粘性土与压实程度与含水量关系不大，主要与粒径级配和压实作用力性质与压实功能有关。砂砾石和砂的填筑标准应以相对密度为设计控制指标:式中Dr－相对紧密度e－设计孔隙比emax－最大孔隙比emin－最小孔隙比。堆石的填筑标准宜用孔隙率为设计控制指标。 土石坝底面积大，坝基应力较小，坝身具有一定适应变形的能力，坝身断面分区和材料的选择也具有灵活性，所以，对天然坝基的要求低于混凝土坝。对坝基处理的要求也不能放松。据统计，土石坝失事约有40%是由于坝基问题引起的。坝基处理的范围包括河床和两岸岸坡。4.7土坝的地基处理 土石坝地基处理的任务是：1.控制渗流，减少渗流坡降，避免管涌等有害的渗流变形，控制渗流量；2.保持坝体和坝基的静力和动力稳定，不产生过大的有害变形，不发生明显的均匀沉降，竣工后，坝基和坝体的总沉降量一般不宜大于坝高的1%；3.在保证坝安全运行的条件下节省投资。 4.7.1砂卵石地基处理1.垂直防渗设施（1）粘土截水墙适用于透水层深度较小的情况。 (2)混凝土防渗墙适用于透水层深度大于50m的地基。 （3）帷幕灌浆采用高压定向喷射灌浆技术，通过喷嘴的高压气流切割地层成缝槽，在缝槽中灌压水泥砂浆，凝结后形成防渗板墙。可处理较深的砂砾石地基，但对地层的可灌性要求高。可灌性：M=D15/d85M大时，可灌性好。帷幕厚度：T=H/J 2.上游水平防渗铺盖由粘土做成，不能阻截渗流，能延长渗径。3.下游排水措施常用的减压排水措施有:排水沟、减压井、透水盖重等。 4.7.2细砂与淤泥地基处理1.细砂地基常用的处理措施:打板桩封闭、表面振动加密、震冲、强夯等。2.淤泥地基处理措施:挖除、设置砂井加速排水、坝脚压重。4.7.3软粘土和黄土地基处理一般尽可能将其挖除。4.7.4岩石地基的防渗处理方法同重力坝地基处理。 4.7土石坝与坝基、岸坡及其它建筑物的连接应重视防渗体与坝基、岸坡等相接触的结合面的妥善处理，使其结合紧密，避免产生集中渗流；保证坝体与河床及岸坡结合面的质量，不使其形成影响坝体稳定的软弱夹层，不引起裂缝。4.8.1坝体与土质地基及岸坡的连接必须遵守的规定（4条） 4.8.2坝体与岩石地基及岸坡的连接必须遵守的原则（4条） 必须防止接触面的集中渗流，因不均匀沉降而产生裂缝，以及水流对上、下游坝坡和坡脚的冲刷等因素的有害影响。4.8.2坝体与岩石地基及岸坡的连接 土坝体与混凝土坝的连接，可采用侧墙式、插入式或经过论证的其他形式。'