土坝渗流计算分析及工程实例

常志武，安忠伟

(佳木斯市水利勘测设计研究院，黑龙江佳木斯154002)

1 渗流基本定律

渗流运动的基本规律是依据法国学者达西在1852—1855年间根据对砂土渗透实验总结出来的达西定律。即Q=kA(h1-h2)/L，若用学位面积的量V表示流速，则达西定律可表示为ki，式中:i=(h1-h2)/L为水力坡降;K为渗透系数。

2 土坝渗流

土坝的渗流分析在工程设计中常将其简化为平面问题处理。土坝渗流计算的主要任务是确定坝内浸润线的位置及经过坝体的渗透流量。

实际上，土坝渗流计算常采用“分段法”，分段法又分为三段法和两段法。三段法是由巴普洛夫斯基提出的，将坝内渗流区划分为三段，第一段为上游楔形ABE，第二段为中间段AEFC，第三段为下游楔形段CFD。对每一段应用渐变流基本公式建立流量表达式，然后通过三段的联合求解，即可确定土坝渗流量及溢出点水深hc，并可绘出浸润线AC。两段法是在三段法的基础上简化而来的，将中间段和下游楔形段合并，把土坝渗流区划分成上游段ABE和下游段EACD两段。“分段法”示意图见图1。

图1 土坝渗流计算“分段法”示意图

3 工程实例

3.1 计算断面及参数选取

某水库，坝体是低液限黏土及高液限粉土为主的均质土坝:最大坝高9.00 m，坝顶宽度6.0 m;迎水坡坡比为1∶3.0，背水坡坡比为1∶2.5;兴利水位131.00 m;设计洪水位131.18 m，下游水位123.14 m;校核洪水位131.78 m，下游水位123.19 m。

渗流计算断面选取坝最高的断面0+100进行计算。根据工程地质勘察报告提供的资料，进行渗流计算采用的渗透系数见表1。

3.2 渗流及渗透稳定分析

根据地质报告，坝体及坝基岩性主要为低液限黏土和高液限黏土，渗透系数很小;并且坝基黏土及粉土厚度都在5 m以上，所以本次渗流计算按不透水地基计算。

表1 渗透系数表

通过渗流分析计算确定渗流量、浸润线及其在下游坝坡的出逸点，求出坝内平均渗透比降，出逸比降，下游坡脚点比降等，是否满足规范要求。

不透水坝基均质土坝渗流计算见图2。

图2 不透水坝基均质土坝渗流计算图

应用《堤防工程设计规范》(GB50286—98)附录E推荐公式如下:

3.2.1 渗流量、浸润线计算

不透水地基均质土坝渗流计算

式中:q为单位宽度渗流量，m3/(s·m));k为坝身渗透系数，m/s;H1为上游水位，m;H2为下游水位堤后无水，m;h0为下游出逸点高度，m;m1为上游坡坡率;m2为下游坡坡率。渗流量计算、浸润线分析成果见表2。

表2 浸润线分析成果

3.2.2 坝坡、坝基渗流比降

按下游无水(H2=0)情况渗出点A点的计算公式为:

式中:J0为下游无水背水坡出口比降;A、B两点之间呈直线变化。

3.2.3 坝身平均比降:

3.2.4 允许比降计算

坝坡出溢段允许渗透比降按下式计算:

式中:［J］为坝坡出溢点允许渗透比降;φ为土的内摩擦角，14.7;Jk为临界比降;β为下游坡角，22;K为安全系数，取2.0;γw为水的容重，10KN/m3;γ＇为土的浮容重，7.61KN/m3;C为土的凝聚力，15kPa;经计算，坝坡出溢段允许渗透比降为0.70。

以下允许比降按经验取，坝身黏性土平均允许比降4～6。

3.3 渗流分析计算成果

1)渗流量计算成果。坝身及坝体均为黏性土，渗漏量非常小，不予考虑。

2)渗透稳定计算成果。各种计算工况下，渗透稳定计算成果见表3。

表3 坝后堤坡出逸比降及坝身平均比降计算表

由计算成果可知，坝身平均比降、坝坡出逸段及坝脚出逸比降均满足要求。

［1］祈庆和.水工建筑物［M］.北京:中国水利水电出版社，1981.

［2］水利部水利水电规划设计总院.GB50286—96堤防工程设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，1998.

［3］水利电力部第五工程局，水利电力部东北勘测设计院.土坝设计［M］.北京:水利电力出版社，1978.