渗流分析的主要任务 () 确定坝体内浸润线以及下游出逸点的位置 ; () 确定坝体及坝基的渗流量, 以估算水库的渗漏损失 ; (3) 确定坝体出逸段和下游坝基表面出逸坡降以及不同土层交界处的渗透坡降, 以判断相应部位土体的渗透稳定性 ; (4) 确定库水位骤降时, 上游坝壳或斜墙内浸润线的位置和孔隙

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及闻
5 years ago
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1 一渗流分析的任务和方法渗流分析的任务渗流 : 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

2 渗流分析的主要任务 () 确定坝体内浸润线以及下游出逸点的位置 ; () 确定坝体及坝基的渗流量, 以估算水库的渗漏损失 ; (3) 确定坝体出逸段和下游坝基表面出逸坡降以及不同土层交界处的渗透坡降, 以判断相应部位土体的渗透稳定性 ; (4) 确定库水位骤降时, 上游坝壳或斜墙内浸润线的位置和孔隙水压力, 共稳定分析之用 ; (5) 计算坝肩的等势线渗流量和渗透坡降 ; 确定坝体和岸基内的浸润面

3 渗流计算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试验法数值方法渗流计算应包括的水位组合情况 : () 上游正常蓄水位 + 下游相应最低水位 ; () 上游设计洪水位 + 下游相应水位 ; (3) 上游校核洪水位 + 下游相应水位 ; (4) 库水位降落时上游坝坡稳定最不利情况

4 () 水力学方法矩形渗流区域无压渗流分析假设 : 均质, 层流, 恒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 : k 渗流系数,coefficient of permeability 单宽流量 : q = vy dy v = kj = k dx = ky dy dx

5 自上游向下游积分 : 0 L qdx H = kydy H ql = k H H q = ( ) ( H ) k H 自上游向区域中某点 (x,y) 积分, 得浸润线方程 : L H y = q k x

6 () 流体力学方法渗流基本方程 : 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 : H H k x + k = 0 y x y k x, k y 分别为 x, y 方向的渗透系数以此来求解渗流场内任意渗透要素 ( 渗透流速渗透坡降和渗透流量等 ) 对于简单的边界条件, 上述方程能解对复杂边界条件, 需借助数值方法

7 (3) 流网法对于均质各向同性的达西渗流, 流网是渗流区域内相互正教的曲边正方形网格流网法 : 根据流网的性质和渗流场的边界条件, 先用徒手描绘的办法或用水电比拟所得的试验成果绘制出流网图, 然后再由流网图求解渗流场的方法绘制流网来求解平面渗流问题中的各个渗流要素, 可用于复杂边界条件

8 (4) 数值解法渗流计算的数值解法一般采用有限单元法 (FEM), 它是目前解决复杂渗流问题的最有效手段, 对 I II 级坝或高坝应采用 FEM 计算渗流场的各渗流要素

9 二用水力学方法计算土坝渗流不透水地基上土石坝渗流计算有限深度透水地基上土石坝渗流分析 3 总渗漏量计算

10 不透水地基上土石坝渗流计算 () 均质坝 a) 下游无排水或设贴坡排水情况 y b H M :m E A O L F A H n L :m B t α 0 B N L 不透水地基上不设排水或有贴坡排水的均质坝 C B x

11 计算时将土坝断面分为三段 : 上游三角形段 AFM( 用高为 H, 宽为 L 的矩形 EOFA 代替 ) 中间段 AFB B 下游三角形段 B B N, 对每个区按连续条件求解将上游矩形 EOFA 和中间段 AFB B 合成一段 EOB B, 利用和矩形土体类似的方法 ( 从 (x=0,y=h) 到 (x=l,y=a0+t)) 积分, 可得通过该区的渗流量 : k[ H ( a + t ) ] () q = 0 L 浸润线方程为 x = k H y ) /( ) () ( q

12 下游三角形段 B B N 属急变流, 以下游水面为准作水平线, 将其分为三角形 BB C 和梯形 B NBC 两部分, 将流线近似视为水平线, 按渐变渗流可得其单宽流量 q = ka m 0 ( a 0 + t + ln ) a (3) 根据渗流连续性条件 :q=q =q, 联立求解式 () 和 (3), 可求得 a 0 及 q, 将 q 代入式 () 则可得浸润线方程并绘制浸润线 q k[ H ( a0 + t ) ] = L q 上游段 EA 是不符合实际情况的应加以适当修正, 使浸润线上端在 A 处与坝面正交, 在 A 点与浸润线相切,AA B 曲线即为坝体浸润线 = 0 ka m 0 ( a 0 + t + ln ) a 0

13 (b) 均质坝下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体排水且下游无水的情况 y b E A A :m H :m B M O L F L D C l =h e / x 不透水地基上设褥垫排水或棱体排水且下游无水的均质坝

14 计算时将浸润线近似看作是以排水起点 D 为焦点且通过 E 点的抛物线 ; 由于排水设施中渗透系数远大于坝体渗透系数, 可认为排水体内无渗流水头损失设 C 点的坐标为 (L+h e /,0), 利用抛物线上各点到焦点 D (L,0) 的距离与到准线 (x=l+ h e /) 的距离相等的原则, 可得浸润线方程 : y h e L = + x () h e 由于浸润线过 E 点 (0,H ), 代入式 () 可得 h e : h e = L + H L 上游段应加以适当修正 ( 同无排水情况 ) q 将 B 点坐标 (L, he ) 代入式 H y = x k 可得 EODBA 段的单宽流量 q: q = k ( H L h e )

15 c) 均质坝下游设有棱体排水且下游有水的情况下游水面以上部分按下游无水情况处理 h e = L + ( H t ) L q = k [ H ( h e + L 式中 :t 为下游水位 t ) ] 浸润线仍按下游无水情况计算

16 不透水地基上土石坝渗流计算 () 心墙坝 δ y :m H :m h A δ O L D t x δ 不透水地基上心墙坝

17 计算时忽略上游坝壳段的水头损失, 并将心墙简化为等厚的矩形断面, 下游坝壳段与均质坝同样处理心墙简化为矩形, 心墙段的单宽渗流量为 : q = k c ( H h ) /( δ ) () 假定下游坝壳逸出点位于下游水位与堆石内坡的交点 A, 则坝壳内单宽流量表达式为 : q = k ( h t / L ) () 由 q =q, 联立方程 () 和 (), 可求出 q 和 h 下游坝壳的浸润线方程为 : x = k h y q ( )/( )

18 不透水地基上土石坝渗流计算 (3) 斜墙坝

19 有限深度透水地基上土石坝渗流分析计算有限深透水地基上土石坝的渗流时, 为简化计算, 坝体内渗流仍可用上述不透水地基上土石坝的渗流计算方法确定渗流量及浸润线, 坝基渗流则按有压渗流计算坝体渗流量与坝基渗流量之和即为总渗流量

20 () 均质坝假设坝体的单宽流量为 q, 坝基的渗透系数为 k T, 透水地基深度为 T, 单宽流量为 q, 上下游水头分别为 H 和 t H t L0 T 由达西定理可得地基内单宽流量 q : q 将上式从上游面 (x=0,y=h) 到下游面 (x=l,y=t) 积分得 : q = = v T = kt k T T ( H t ) L dy dx

21 () 均质坝将上式从上游面 (x=0,y=h) 到下游面 (x=l,y=t) 积分得 : q = k T T ( H t ) L L 实际上是指流线长度, 所以考虑进出口流线弯曲的影响及渗流区的几何形状,L 可表示为 L= L T, 式中 0.88T 为考虑进出口流线弯曲的影响的修正系数则通过坝体与坝基的总单宽流量为 : q = q + q = q + k T L T ( H 0 t ) T

22 () 心墙坝 (a) 地基上有截水槽的心墙坝, 截水墙与心墙材料相同通过防渗心墙和地基截水墙的渗流量为 : k [( H + T ) ( h + T ) ] q = δ 通过下游坝壳和地基截水墙后的渗流量为 : q k k k 3 k ( h t ) k3 ( h t) T = + L L T 式中 : 分别为心墙下游坝壳和地基的渗透系数上述两式流量相等, 即可得出 q h

23 (b) 地基上有混凝土防渗墙的心墙坝设心墙砼防渗墙下游坝壳透水地基的渗透系数分别为 k c k D k k T 通过防渗心墙和地基砼防渗墙的渗流量为 q = k c ( H h ) k D ( H h ) T + δ D 通过下游坝壳和地基后的渗流量为 : 上述两式流量相等, 即可得出 q h δ q kc ( h t ) kt ( h t) T = + L L T H t h L T L

24 3 总渗漏量计算计算总渗漏量时, 根据坝址地形和透水层厚度情况及坝体结构, 沿坝轴线方向将坝体分成若干坝段, 分别计算各坝段的平均单宽渗流量, 则通过坝体和坝基的总渗漏量可由下式计算 :

三渗流稳定计算渗透变形的形式渗透变形 : 土石坝及其地基在渗流的物理作用和化学作用下发生土体颗粒流失的局部破坏的现象, 亦称渗流破坏 (a) 管涌 (piping): 无粘性土中的细颗粒被渗流从孔隙通道中连续移动并带出, 形成挟沙渗流的集中通道, 导致土体破坏的现象 (b) 流土 (earthflow,

25 三渗流稳定计算渗透变形的形式渗透变形 : 土石坝及其地基在渗流的物理作用和化学作用下发生土体颗粒流失的局部破坏的现象, 亦称渗流破坏 (a) 管涌 (piping): 无粘性土中的细颗粒被渗流从孔隙通道中连续移动并带出, 形成挟沙渗流的集中通道, 导致土体破坏的现象 (b) 流土 (earthflow, soil flow, mass flow): 渗流作用下, 土体的同时浮起或流失 (c) 接触流失 : 渗流垂直于渗透系数相差较大的两相邻土层的接触面流动时, 将渗透系数较小土层中的细颗粒带入渗透系数较大的另一土层 (d) 接触冲刷 : 渗流沿着粗细两种土层的接触面或建筑物与地基的接触面流动时, 沿接触面带走细颗粒的现象

27 渗透变形形式的判别 (a) 管涌管涌可能发生的部位 : 非粘性土的渗流逸出点和进入排水处管涌判别 : 级配连续时不均匀系数 η>0, 级配不连续时细粒含量小于 5% (b) 流土流土发生的部位 : 多发生粘性土坡和颗粒较均匀的非粘性土坡中判别 : 级配连续时不均匀系数 η<0, 级配不连续时细粒含量大于 35% (c) 接触面变形一般认为当相邻两层土体的 d 0 比值小于 0 且两层土的不均匀系数小于 0 时, 不会产生接触冲刷, 反之应考虑接触冲刷和接触流失的问题

28 3 渗透破坏判别标准以临界渗透坡降 J c 作为判定标准管涌临界坡降计算公式 : J c = 4 d n k 3 / 式中 : d 为流失颗粒粒径, 小于该粒径颗粒占 3%~5% 确定 n 为土体孔隙率 ;k 为渗透系数流土临界坡降计算公式 : J c γ s 0 = ( γ / γ 0 )( n ) s γ 式中 : 为土粒重度 ; 为水的重度 ; 为土体孔隙率 n

29 3 渗透破坏判别标准容许渗透坡降 [J] 可按建筑物级别, 以临界坡降除以安全系数求得或当渗透变形的形式确定后, 根据规范中有关图表选取临界坡降和允许坡降抗渗稳定性验算就是查验下列不等式是否成立 : J [J]

30 四反滤层 (filter) 设计位置 : 设在渗透坡降较大, 流速较高, 土壤易于变形的渗流出口处或进入排水处. 作用 : 防止土体在渗流作用下发生渗透变形. 组成 : 二至三层粒径不同的砂石料铺筑而成, 层面与渗流方向尽量垂直, 小粒径大粒径反滤层设计应满足下列要求 : () 使被保护土不发生渗透变形 ; () 渗透性大于被保护土, 能通畅地排出渗透水流 ; (3) 被保护土的颗粒不应穿过反滤层而被渗流带走 ; (4) 不致被细粒土淤塞失效 ; (5) 在防渗体出现裂缝的情况下, 土颗粒不会被带出反滤层, 能使裂缝自行愈合

保护非粘性土的反滤层设计被保护土不均匀系数抗渗按下式计算 : D d D d 5 85 5 5 4 ~ 5 5 η 5

31 保护非粘性土的反滤层设计被保护土不均匀系数抗渗按下式计算 : D d D d ~ 5 5 η 5 ~ 8 ( 抗管涌要求 ) ( 渗透性要求 ) 时, 第一层反滤料可式中 : D 5 为反滤料的粒径, 小于该粒径的土重占总土重的 5%; d 5 为被保护土的粒径, 小于该粒径的土重占总土重的 5%; d 85 为被保护土的粒径, 小于该粒径的土重占总土重的 85% 选择第二三层反滤料时, 仍然按照上述方法确定, 但第二层反滤料以第一层反滤料为被保护土

32 保护粘性土的反滤层设计粘性土的抗渗能力与结构的强度和稳定性密切相关 ; () 滤土要求根据被保护土小于 0.075mm 颗粒含量的百分数 A 不同, 而采用不同的方法 A > 85%, D 9 d 5 85 A = 40% ~ 85%, D 0.7 mm 5 A = 5 ~ 39%, D5 0.7 mm + (40 A)(4d mm ) 5 () 排水要求 D 5 4d 5

5 551 [3-].. [5]. [6]. [7].. API API. 1 [8-9]. [1]. W = W 1) y). x [11-12] D 2 2πR = 2z E + 2R arcsin D δ R z E = πr 1 + πr ) 2 arcsin

5 551 [3-].. [5]. [6]. [7].. API API. 1 [8-9]. [1]. W = W 1) y). x [11-12] D 2 2πR = 2z E + 2R arcsin D δ R z E = πr 1 + πr ) 2 arcsin 38 5 216 1 1),2) 163318) 163318). API. TE256 A doi 1.652/1-879-15-298 MODE OF CASING EXTERNA EXTRUSION BASED ON THE PRINCIPE OF VIRTUA WORK 1) ZHAO Wanchun,2) ZENG Jia WANG Tingting FENG Xiaohan School