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第三节土石坝的渗流分析

一、渗流分析的目的

确定浸润线的位置；

确定坝体和坝基的渗流量；

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

水力学方法根本假定:均质,层流,稳定渐变流。

1〕渗流计算的根本公式

图4－19表示一不透水地基上的矩形土体，土体渗透系数为，应用达西定律和假定，全断面内的平均流速

等于：

〔4-8〕

设单宽渗流量为q，那么：

〔4-9〕

将上式别离变量后，从上游面〔x=0，y=H1〕至下游面〔x=L，y=H2〕积分，得：

即：〔4-10〕

假设将式〔5-9〕积分限改为：x由0至x，y由H1至y，那么得浸润线方程：

即：〔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，消耗同样的水头。△L值可用下式计算：

〔4-12〕

式中：m1为上游边坡系数，如为变坡可采用平均值。

图4－20不透水地基上均质坝渗流计算图

图4－20不透水地基上均质坝渗流计算图

于是可将上游三角形和中间段合成一段EOB″B′,根据式(4-10〕，可求出通过坝身段的渗流量为：

〔4-13〕

式中：a0为浸润线逸出点距离下游水面的高度；H2为下游水深；为EOB″B′的底宽，见图5-20。

通过下游段三角形B′B″N的渗流量，可以分为水上和水下两局部计算。应用达西定律其渗流量可表示为：

〔4-14〕

然后，根据水流连续条件q=q1=q2，联立方程〔4-13〕、〔4-15〕即可求得a0和q值，浸润线方程可由式〔4-11〕求得。

求出浸润线后，还应对渗流进口局部进行修正：过A点作与坝坡正交的平滑曲线，其下端与计算求得的浸润线相切于点A′。

2、下游有褥垫排水

根据流体力学的分析，图4-21所示的浸润线可用通过E点并以排水起点D为焦点的抛物线表示。假设B点高度为h0，那么C点距D点的距离为。由于浸润线过点B〔x=L′，y=h0〕和C〔x=，y=0〕，故浸润线方程可表示为：

〔4-15〕

又因浸润线通过点E〔x=0，y=H1〕,故：

〔4-16〕

再根据式〔4-10〕，得通过坝身单宽渗流量q为：

〔4-17〕

当下游为堆石棱体排水且下游无水时，仍按上述褥垫排水情况计算。当下游有水时，可将下游水面以上局部按照褥垫式下游无水情况处理，即：

〔4-18〕

单宽渗流量可按下式求得：

图4－21有褥垫排水时渗流计算图〔4-19〕

图4－21有褥垫排水时渗流计算图

浸润线仍按式〔4-11〕计算。

有棱体排水

当下游无水时,按上述褥垫式排水情况计算。

4、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＝〔δ1+δ2)/2,那么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

二、有限深透水地基上土坝渗流计算

1、均质坝渗流计算

首先按不透水地基上均质坝的计算方法，确定坝体的渗流量；再假定坝体不透水，根据渗流的达西定律，按式下式计算地基的渗流量；然后取总单宽流量q为两者之和。

式中n为流线弯曲对渗径的影响，可查表。

L0/T

20

5

4

3

2

1

1.05

1.18

1.23

1.3

1.44

1.87

2、带截水槽的心墙坝渗流计算

如图4-23为一带截水槽的心墙坝。设心墙和截水槽的渗透系数为k0，忽略心墙前坝壳内的水位降落，可将渗流计算分为防渗体段和墙后段两局部，计算时取心墙平均厚度δ。

图4-23透水地基上带截水槽的心墙坝的渗流计算图

图4-23透水地基上带截水槽的心墙坝的渗流计算图

通过防渗心墙和地基截水槽的单宽渗流量为：

〔4-22〕

墙后段的流量为：

〔4-23〕

上式中：0.44T是对流线弯曲渗径的修正，其余各符号意义见图4-