土坝渗流分析

《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。

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。

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。

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。

一般包括以下四个方面。

土坝渗流计算

确定坝体浸润线、坝体及坝基流网、渗流量及出逸比降、库水位下降时上游坝体自由水面位置及孔隙压力（土孔隙中超出大气压力的相对压力值），以供坝坡稳定分析使用，及了解渗漏量并确保渗透稳定。根据坝体和坝基的渗透系数、边界条件及上下游各种水位组合，通过手绘流网、数值计算和模拟试验求解。解算时，一般简化为二向问题，对于三向渗流场如岸边绕流，可用数值分析或模拟试验求解。

土坝稳定计算

土坝体积很大，在水压力作用下整个坝体产生水平滑动的可能性通常不存在，故仅需核算上下游坝坡的抗滑稳定。一般分施工期、稳定渗流期和库水位降落期三种类型。土体抗剪强度由下式确定：式中τ为土体抗剪强度；σ为垂直于滑动面的法向总应力；μ为孔隙水压力；σ′为法向有效应力；σ′、φ′为土料有效抗剪强度指标，分别代表凝聚力和内摩擦角，由试验确定。

均质土坝、厚心墙和厚斜墙坝常用滑动圆弧法计算坝坡稳定（见下式）。假定滑动面为圆弧，分成若干土条，不计条块间作用力，计算公式：式中K为抗滑安全系数，不低于规定值；N、T分别为作用在土条底部的法向和切向应力；W为任一土条重；U为作用在土条底部的孔隙压力；α为土条重力线与通过土条底面中点的圆弧半径之间夹角；L为滑弧穿过的有凝聚力部分的弧长。试算若干滑弧，求得最小安全系数K。20世纪50年代A.W.毕肖甫等人还提出计入条块间作用力的计算方法。

对于坝基有软弱夹层或薄心墙、薄斜墙坝，宜用滑楔法（见左图）。假定滑动面为折线，滑楔间作用力假定平行于坡面或为水平向。沿折线将各种材料的抗剪强度除以K后，滑楔处于极限平衡状态，此K值即所求安全系数。最小的安全系数由假设不同滑动面试算求得。如在地震区，应将地震力作为外力加入计算。

土坝沉降计算

确定坝体和坝基在自重作用下的总沉降量、沉降量与时间的关系及完工后的沉降量。据此计算竣工后为抵消沉降而预留的坝顶超填，预测不均匀沉降量，判断坝体产生裂缝的可能性和预防措施。计算方法是根据坝体和坝基土的压缩曲线，及时刻t坝体和坝基的竖向总应力和孔隙压力分布，用分层总和法计算。即把坝体坝基分为若干层，计算时刻t各层中心所受竖向有效应力（等于竖向总应力减孔隙压力）及相应沉降量，将各层沉降量迭加，得时刻t及完工后坝体和坝基的沉降量。

土坝应力应变计算

用有限单元法计算坝体坝基及岸坡接头在填土自重及其他荷载作用下的填土应力应变，以判断是否发生剪切破坏、有无过量变形、是否存在拉力区和裂缝、防渗土体是否发生水力劈裂，以及为坝体稳定分析和与土坝衔接建筑物的设计提供依据等。

• 序

• 前言

• 第1章绪论

• 第2章多孔介质的渗流特性及理论

• 第3章渗透参数的试验确定

• 第4章多孔介质渗流场有限元分析

• 第5章渗流量计算方法

• 第6章裂隙岩体的渗流特性及理论

• 第7章渗流控制及其数值模拟方法

• 第8章渗流条件下多场耦合分析方法

• 第9章渗流场反演分析方法

• 第10章渗流分析常用有限元分析软件

• 第11章土石（堤）坝渗流分析与控制

• 第12章混凝土（砌石）坝渗流分析与控制

• 第13章闸坝、基坑渗流分析与控制

• 第14章边坡、地下工程渗流分析与控制

• 第15章尾矿坝渗流分析与控制

• 参考文献