第三节 土石坝的渗流分析
一、渗流分析的目的
1) 确定浸润线的位置； 2) 确定坝体和坝基的渗流量； 3) 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
水力学方法基本假定: 均质, 层流, 稳定渐变流。 1）渗流计算的基本公式
图4－19表示一不透水地基上的矩形土体，土体渗透系数为k，应用达西定律和假定，全断面内的平均流速
v等于：
v??kdy （4-8） dx设单宽渗流量为q，则：
dyq?vy??kydx （4-9）
将上式分离变量后，从上游面（x=0，y=H1）至下游面（x=L，y=H2）积分，得：
22 H1?H2?2qL k2k(H12?H2)即： q? （4-10）
2L若将式（5-9）积分限改为：x由0至x，y由H1至y，则得浸润线方程：
q?k(H12?y2)2x
2即： y?H1?2qx （4-11） k2）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
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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q，消耗同样的水头。△L值可用下式计算： ?L?m1H1 （4-12）
1?2m1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
于是可将上游三角形和中间段合成一段EO B″B′,根据式(4-10），可求出通过坝身段的渗流量为：
k[H12?(a0?H2)2] q1? （4-13）
2L?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；L?为EO B″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部分计算。应用达西定律其渗流量可表示为：
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q2?ka0a?H2(1??n0) （4-14） m2a0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，还应对渗流进口部分进行修正：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。若B点高度为h0，则C点距D点的距离为l1?h0。由于浸
2润线过点B（x=L′，y=h0）和C（x=L??h02，y=0），故浸润线方程可表示为： L??y2?h022h0?x （4-15）
又因浸润线通过点E（x=0，y=H1）,故： h0?L?2?H12?L? （4-16）
再根据式（4-10），得通过坝身单宽渗流量q为：
k(H12?h02) q? （4-17）
2L?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，可将下游水面以上部分按照褥垫式下游无水情况处理，即：
h0?L?2?(H1?H2)2?L? （4-18）
单宽渗流量可按下式求得：
q?k[H12?(H2?h0)2]2L?
（4-19）
浸润线仍按式（4-11）计算。
图4－21 有褥垫排水时渗流计算图
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3、 有棱体排水
q?h{(H12?(H2?h0)2} 2L?h0?L?2?(H1?H2)2?L?
y?H12?2qx k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,则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 22
kc[H12?h2]q1?2?k[h?t]q2?2L第 4 页 共 7 页
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q?；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
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部分，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
q??kTH1TnL020 1.05 5 1.18 4 1.23 3 1.3 2 1.44 1 1.87 第 5 页 共 7 页
第三节 土石坝的渗流分析
