土坝渗流分析

工程力学术语

渗透变形是指在坝体及坝基中的渗流作用下，由于其机械或化学作用，使土体颗粒流失、产生局部破坏的变形(如管涌或流土等)。

目的

土石坝渗流分析的目的是：①确定坝体浸润线和下游逸出点位置，绘制坝体及地基内的等势线或流网图；②计算坝体和坝基渗流量，以便估算水库的渗漏损失和确定坝体排水设备的尺寸；③确定坝坡出逸段和下游地基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透比降，以判断该处的渗透稳定性；④确定库水位降落时上游坝壳内自由水面的位置，估算孔隙压力，供上游坝坡稳定分析之用。

方法

土石坝渗流是个复杂的空间问题，在对河谷较宽、坝轴线较长的河床部位，常简化为平面问题来分析。其分析方法主要有：流体力学法、水力学法、流网法、试验法和数值解法。流体力学法只有在边界条件简单的情况下才有解，且计算较繁。

水力学法是在一些假定条件基础上的近似解法，计算简单，能满足工程精度要求，所以在实践中被广泛采用。

流网法是一种简单方法，能够求解渗流场内任一点渗流要素，但对不同土质和渗透系数相差较大的情况难以采用。

试验法需要一定的设备，且费时较长。

随着计算机的快速发展，数值解法在渗流分析中得到了广泛的应用，对于复杂和重要的工程，多采用数值计算方法来分析。

计算情况

《碾压式土石坝设计规范》规定，需计算下列水位组成的情况：①上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；②上游设计洪水位与下游相应的水位；③上游校核洪水位与下游相应的水位；④库水位降落时上游坝坡稳定最不利情况。

渗透变形型式

渗透变形的型式及其发生发展过程，与土料性质、土粒级配、水流条件以及防渗、排水措施等因素有关，一般有管涌、流土、接触冲刷和接触流失等类型。工程中以管涌和流土最为常见。

(1)管涌

坝体或坝基中的无黏性土细颗粒被渗透水流带走并逐步形成渗流通道的现象称为管涌，多发生在坝的下游坡或闸坝下游地基面渗流逸出处。黏性土因颗粒之间存在凝聚力且渗透系数较小，所以一般不易发生管涌破坏，而在缺乏中间粒径的非黏性土中极易发生。

(2)流土

在渗流作用下，产生的土体浮动或流失现象。发生流土时土体表面发生隆起、断裂或剥落。它主要发生在黏性土及均匀非黏性土体的渗流出口处。

(3)接触冲刷

当渗流沿着两种不同土层的接触面流动时，沿层面带走细颗粒的现象称为接触冲刷。

(4)接触流失

当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，把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中的现象，称为接触流失。

防止渗透变形的工程措施

土体发生渗透变形的原因，除与土料性质有关外，主要是由于渗透坡降过大造成的。因此，设计中应尽量降低渗透坡降，增加渗流出口处土体抵抗渗透变形的能力。常用的工程措施包括：(1)采取水平或垂直防渗措施，以便尽可能地延长渗径，达到降低渗透坡降的目的。(2)采取排水减压措施，以降低坝体浸润线和下游渗流出口处的渗透压力。对可能发生管涌的部位，需设置反滤层，拦截可能被渗流带走的细颗粒；对下游可能产生流土的部位，可以设置盖重以增加土体抵抗渗透变形的能力。

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