5.3 土石坝的渗流分析

◎ 高等学校 水利水电工程 专业

河北工程大学

水电学院 水利系.

§5.3 土石坝的渗流分析

◎一、概述

(一)渗流分析的任务 (1)确定坝体浸润线和下游渗流出逸点的位置，为

坝体稳定、应力与变形的计算和排水体的选择提供 依据。 (2)计算坝体与坝基的渗流量,以便估计水库渗漏

损失和确定坝体排水设备的尺寸。 (3)计算坝体与坝基渗流逸出处的渗透坡降，以及

不同土层之间的渗透坡降，以验算其渗透稳定性。

◎一、概述 浸润线、单宽流量、总渗量，渗透坡降 坝体、坝基渗流状况 渗流为层流，满足达西定律。

◎一、概述

(二)渗流分析的方法 土石坝渗流计算方法主要有解析法、流网法和电模拟法。 解析法分为流体力学法和水力学法。前者理论严谨,但只

能用于某些边界条件较为简单的情况，水力学法计算简 易,精度可满足工程要求,得到了广泛的应用。 流网法能求渗流场内任一点渗流要素,并具有一定的精度,

但在渗流场内土体渗透系数差别较大的情况下较难应用。 电模拟法用电流场模拟渗流场，从而测定渗流流网。 数值法(有限元法)可计算不稳定渗流和较复杂的渗流

问题。

◎一、概述

(三)渗流分析的工况 (1)上游正常蓄水位与下游相应最低水位----坝内渗透

坡降最大，易产生渗透变形； (2)上游设计洪水位与下游相应最高水位----坝内浸润

线高，渗流量大； (3)上游校核洪水位与下游相应最高水位----坝内浸润

线最高，渗流量最大； (4)库水降落时，对上游坝坡稳定不利，应确定其浸

润线。

◎二、水力学法

(一)基本假定 1)

土料均质，各向同性，坝内任一点在各方向上的 渗透系数K相同；渗流属二元稳定层流，渗流符合达西定律V=KJ; 渗流为渐变流，任意过水断面上各点的坡降和流 速相同。

2) 3)

◎二、水力学法

◎二、水力学法

(二)基本公式 应用达西定律和假定，全断

面内的平均流速等于：

dy v k dxdy 设单宽渗流量为q,则： q vy ky dx 矩形土体单宽渗流量为：2 k ( H12 H 2 ) q 2L

◎二、水力学法

(二)基本公式 :对任一断面x,进行积

分得：

K ( H 12 y 2 ) q 2x 浸润线方程：

y

2q H x k2 1

◎二、水力学法

(三)不透水地基上均质坝的渗流计算 当K地≤K坝/100时，可认为地基是不透水的。 1、下游无排水体或设贴坡排水体的情况

◎二、水力学法

(三)不透水地基上均质坝的渗流计算 1、下游无排水体或设贴坡排水体的情况

用一个虚拟的等效矩形体代替上游楔形体，把

此矩形 体与中间段和而为一，成为第一段，下游楔形体为 第二段。虚拟土坝的上游面为铅直的，距原坝坡与 设计水位线的交点a的水平距离为ΔL,根据渗流阻 力相当的原理，通过试验和理论分析，可得：

m1 L H1 1 2m1式中：m1为上游坝坡坡率；H1为坝前水深。

◎二、水力学法

(三)不透水地基上均质坝的渗流计算 1、下游无排水体或设贴坡排水体的情况

(1)坝身矩形渗流区段的渗流量：H12 ( H 2 a0 ) 2 q1 K 2 L

(2)下游楔形体的渗流量,可分下游水位以上及 以下两部分 。

◎二、水力学法

(三)不透水地基上均质坝的渗流计算 1、下游无排水体或设贴坡排水体的情况

(2)下游楔形体, 分为下游水位上、下两部分 1)水上部分坝身段与楔形体段以 1:0.5的等势线为分界面，水位 以下部分以铅直面作为分界面，

则通过下游楔形体上部的渗流量： a q2 0 0 K y a0 dy K m2 0.5 y m2 0.5

◎二、水力学法

(三)不透水地基上均质坝的渗流计算 1、下游无排水体或设贴坡排水体的情况

(2)下游楔形体, 分为下游水位上、下两部分 。 2)通过下游楔形体下部的渗流量为q2 K a0 H 2 m2 H 2 (m2 0.5)a0 1 2m2

q2 q2 q2

a0 H2 K (1 ) m2 0.5 a0 am H 2

◎二、水力学法

(三)不透水地基上均 质坝的渗流计算 1、下游无排水体或设

贴坡排水体的情况 根据水流连续条件，联 立两式，就可求出两个 未知数的渗流量q和逸 出点高度a0。

q1 q2 q