土石坝课件.ppt

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1、土石坝Embankment dam概念n土石坝的概念：由土、石料等当地材料建成的坝。土石坝的概念：由土、石料等当地材料建成的坝。 n当地材料坝当地材料坝 n根据坝体材料不同，土石坝大体可分为根据坝体材料不同，土石坝大体可分为1 1）土坝）土坝 2 2）堆）堆石坝石坝 3 3）土石混合坝）土石混合坝 n对于由砂砾料或卵砾石料填筑的土石坝，应当归为土对于由砂砾料或卵砾石料填筑的土石坝，应当归为土坝还是堆石坝，目前尚无统一的划分标准。坝还是堆石坝，目前尚无统一的划分标准。 土石坝的历史及现状n土石坝是历史最为悠久的一种坝型。土石坝是历史最为悠久的一种坝型。n近代土石坝的筑坝技术在近代土石坝的筑坝技术

2、在5050年代以后得到发展年代以后得到发展 n世界的情况世界的情况 0%0%10%10%20%20%30%30%40%40%50%50%60%60%70%70%80%80%90%90%100%100%50年代50年代60年代60年代70年代70年代80年代80年代土石坝比例土石坝比例土石坝的发展n4800 years ago; Egypt (overtopping)n500 B.C., Ceylon. n1200 A.D., Ceylon and India (overtopping)n1789, Estrecho de Rientes dam (a serious set-back)n182

3、0, Telford. (use puddled clay for the core)nThe end of the 19th century, hydraulic fill damn1856, Darcys lawn1859, steam rollern1939, soil mechanicsnVibratory roller, Nurek Dam 312mn1974, concrete-decked dams (exceeding 100m)n1300 B.C., bitumenn1893, asphaltic reventmentn1896, cement concrete (a sma

4、ll dam) 世界上最高坝 n罗贡坝：罗贡坝：n塔吉克共和国塔吉克共和国n粘土斜心墙土石坝粘土斜心墙土石坝n最大坝高最大坝高335m335m中国的情况n最早用现代技术修建的土坝最早用现代技术修建的土坝 甘肃省的鸳鸯池水库大坝甘肃省的鸳鸯池水库大坝n土石坝数量多，但是高坝少土石坝数量多，但是高坝少 n100m100m以上的仅三座以上的仅三座 n陕西省的石头河粘土心墙堆石坝，最大坝高陕西省的石头河粘土心墙堆石坝，最大坝高114m114m 中国的情况（续）n甘肃省甘肃省 碧口碧口 壤土心墙土石混合坝壤土心墙土石混合坝 最大坝高最大坝高101.8m101.8m 过木道溢洪道中国的情况（续）n鲁布革水

5、电站鲁布革水电站 n最大坝高最大坝高103.8103.8米米 原因分析n国际环境：世界经济快速发展时期国际环境：世界经济快速发展时期n国内环境：发展相对滞后国内环境：发展相对滞后n技术上技术上n布置泄洪和施工导流所需工程量较大，造价较高布置泄洪和施工导流所需工程量较大，造价较高n对防渗土料要求过高对防渗土料要求过高n施工水平落后施工水平落后中国的发展n水平逐渐提高水平逐渐提高 现在的筑坝技术居于世界前列现在的筑坝技术居于世界前列n天生桥一级水电站天生桥一级水电站 混凝土面板堆石坝混凝土面板堆石坝 中国的发展（续）n小浪底水利枢纽小浪底水利枢纽 壤土斜心墙土石坝壤土斜心墙土石坝 堤防工程n采用土

6、料石料填筑而成的挡水建筑物，除了土石坝，采用土料石料填筑而成的挡水建筑物，除了土石坝，还有堤防工程。我们现在讨论的土石坝问题也适应于还有堤防工程。我们现在讨论的土石坝问题也适应于堤防工程。堤防工程。n堤防是江河、湖泊、海洋的岸边或蓄滞洪区、水库库堤防是江河、湖泊、海洋的岸边或蓄滞洪区、水库库区的周边修建的防止洪水漫溢或风暴潮袭击的挡水建区的周边修建的防止洪水漫溢或风暴潮袭击的挡水建筑物。筑物。土石坝的长处 n利用当地材料。节省大量的钢材水泥，免修公路利用当地材料。节省大量的钢材水泥，免修公路n适应不同地形地质条件。特别是在高烈度地震区，土适应不同地形地质条件。特别是在高烈度地震区，土石坝实际上

7、是唯一可取的坝型石坝实际上是唯一可取的坝型 土石坝的长处（续）n施工机械的改进使得工效大大提高施工机械的改进使得工效大大提高n理论的发展提高了设计水平理论的发展提高了设计水平n其他技术，如地下电站（其他技术，如地下电站（Underground PlantUnderground Plant）、隧）、隧洞（洞（TunnelTunnel）、地基处理（）、地基处理（Foundation TreatmentFoundation Treatment）等的发展增加了枢纽布置的灵活性等的发展增加了枢纽布置的灵活性n结构简单，工作可靠，便于维修和加高、扩建结构简单，工作可靠，便于维修和加高、扩建土石坝的缺点 n

8、坝顶不能过流，坝身泄洪（坝顶不能过流，坝身泄洪（Flood DischargingFlood Discharging）困难较）困难较大，需要溢洪道（大，需要溢洪道（SpillwaySpillway）或泄洪洞（）或泄洪洞（Spillway Spillway TunnelTunnel），枢纽布置有时比较困难），枢纽布置有时比较困难n施工导流（施工导流（River DiversionRiver Diversion）困难）困难n对防渗要求高，因为剖面大，所以填筑量大。如用粘土对防渗要求高，因为剖面大，所以填筑量大。如用粘土（ClayClay）作防渗体（）作防渗体（Seepage ControlSeep

9、age Control），受气候影响较），受气候影响较大大土石坝设计的基本要求 n（1 1）足够的泄洪能力，不允许水流漫顶，要求坝体有）足够的泄洪能力，不允许水流漫顶，要求坝体有一定的超高；一定的超高；n（2 2）满足渗流要求；）满足渗流要求；n（3 3）坝体和坝基必须稳定；）坝体和坝基必须稳定；n（4 4）根据现场条件选择筑坝土石料的要求）根据现场条件选择筑坝土石料的要求n（5 5）应避免有害裂缝及必须能抵抗其他自然现象的破）应避免有害裂缝及必须能抵抗其他自然现象的破坏作用；坏作用；n（6 6）采取适当的构造措施，使坝运用可靠和耐久）采取适当的构造措施，使坝运用可靠和耐久n（7 7）安全使用

10、前提下，力求经济美观。）安全使用前提下，力求经济美观。土石坝设计的基本要求 设计要求设计要求泄洪能力泄洪能力渗流渗流坝体、坝基坝体、坝基稳定稳定土石料土石料避免裂缝、避免裂缝、抵抗自然破坏抵抗自然破坏可靠、可靠、耐久耐久经济美观经济美观土石坝的失事n沟后水库沟后水库 沙砾石面板坝沙砾石面板坝土石坝的失事（续）n世界最大的水库垮坝惨剧世界最大的水库垮坝惨剧 n河南省驻马店地区包括两座大型水库在内的数河南省驻马店地区包括两座大型水库在内的数十座水库漫顶垮坝十座水库漫顶垮坝 ：板桥水库：板桥水库 、石漫滩水库、石漫滩水库n 11001100万亩农田受到毁灭性的灾害，万亩农田受到毁灭性的灾害，1100

11、1100万人万人受灾，超过受灾，超过2.62.6万人死亡，经济损失近百亿元万人死亡，经济损失近百亿元 土石坝失事（续）当前大坝建设20022002年在建年在建60m60m以上大坝排在前以上大坝排在前2020名的国家及其坝数（共名的国家及其坝数（共349349座）座）国家国家中国中国土耳其土耳其伊朗伊朗日本日本印度印度西班牙西班牙巴西巴西坝数坝数8860454011118国家国家意大利意大利罗马尼罗马尼亚亚俄罗斯俄罗斯委内瑞委内瑞拉拉阿根廷阿根廷智利智利韩国韩国坝数坝数7754322国家国家泰国泰国美国美国德国德国波兰波兰葡萄牙葡萄牙南非南非坝数坝数221111土石坝的分类 施工方法施工方法碾压

12、坝碾压坝Roller Compacted Dam水力冲填坝水力冲填坝Hydraulic Fill Dam水中倒土坝水中倒土坝Dam Built By Dumping Soil into Water定向爆破坝定向爆破坝Directional Blasting Dam坝高坝高低坝低坝中坝中坝高坝高坝h70m土石坝的分类 构造构造均质坝均质坝Homogeneous Embankment Dam分区坝分区坝Zoned Earthfill Dam人工防渗人工防渗材料坝材料坝土质心墙土质心墙土质斜墙土质斜墙多种土质坝多种土质坝心墙心墙斜墙斜墙面板面板Central CoreInclined CoreDec

13、k土石坝的分类（续）土石坝的分类（续）土石坝的基本剖面 n坝顶高程（坝顶高程（Crest ElevationCrest Elevation）：取以下最大值）：取以下最大值 正常蓄水位正常坝顶超高正常蓄水位正常坝顶超高设计洪水位正常坝顶超高设计洪水位正常坝顶超高校核洪水位非常坝顶超高校核洪水位非常坝顶超高正常蓄水位非常坝顶超高地震加高正常蓄水位非常坝顶超高地震加高坝顶超高坝顶超高 （FreeboardFreeboard） n坝顶超高坝顶超高 其中，其中，h hB B 爬高，爬高， a a为安全加高，为安全加高， e e指坝前水位指坝前水位因风浪引起的壅高。因风浪引起的壅高。aehdB坝顶超高的计

14、算方法nR+e：按碾压土石坝规范确定，对于中小型土石坝，：按碾压土石坝规范确定，对于中小型土石坝，可按风的吹程作近似估计。可按风的吹程作近似估计。n设计的坝顶高程针对坝沉降稳定后的情况设计的坝顶高程针对坝沉降稳定后的情况n地震区的土石坝：附加地震涌浪高度。对于地震引起地震区的土石坝：附加地震涌浪高度。对于地震引起的大体积滑坡时的涌浪高度尚需专门研究。的大体积滑坡时的涌浪高度尚需专门研究。土石坝的基本剖面 （续）n土石坝的基本剖面（续）n坝面坡度：影响稳定与工程量 n取决于坝高、筑坝材料性质、运用情况、地基条件、施工方法及坝型等因素。 n1、均质坝的上下游坡度比心墙坝的坝坡缓；2、粘土斜墙坝的上

15、游坡比心墙的坝坡缓，而下游坝坡可比心墙坝陡些；3、土料相同时上游坡缓于下游坡；4、粘土均质坝的坝坡与坝高有关，坝高越大坝坡越缓；5、碾压式堆石坝的坝坡比土坝陡。6、粉土、砂、轻壤土修建均质坝下游坝坡较缓。7、坝基或坝体土料沿坝轴线不一致，宜分段采用不同坡率。土石坝的基本剖面（续）n土坡1：21：3.5 堆石坡 1：1.31：2 n土质防渗体的心墙坝：n下游采用堆石：1：1.51：2.5，采用土料1：21：3n上游采用堆石1：1.71：2.7，采用土料：1：2.51：3.5n人工材料面板坝：n石料，上游：1：1.41：1.7n下游：1：1.31：1.4n马道（Berme）：1.5m本节结束！附录

16、：土石坝的失事19311931年年102102座溃坝原因统计座溃坝原因统计洪水漫顶洪水漫顶渗透破坏渗透破坏管道渗漏管道渗漏滑坡滑坡其它其它不详不详土石坝的失事（续）n19521952年年206206座溃坝原因统计座溃坝原因统计洪水漫顶洪水漫顶渗透破坏渗透破坏管道渗漏管道渗漏滑坡滑坡其它其它不详不详护坡护坡土石坝的失事（续） 19001950，建设大坝，建设大坝5286座，溃坝座，溃坝117座，溃坝率座，溃坝率2.2% 19511986，建设大坝，建设大坝12138座，溃坝座，溃坝59座，溃坝率座，溃坝率0.49% 土石坝溃坝数占溃坝的土石坝溃坝数占溃坝的70左右，主要是土石坝量大左右，主要是土

17、石坝量大 70的溃坝坝高小于的溃坝坝高小于30m，主要原因也是量大，主要原因也是量大土石坝的失事（续） 19801980年底，全国总共溃坝年底，全国总共溃坝29762976起起 大型水库大型水库2 2起起(0.6%)(0.6%) 中型水库中型水库117117起起(5.1%)(5.1%) 小小(1)(1)型水库型水库594594起起(4.2%)(4.2%) 小小(2)(2)型水库型水库22632263起起(3.2%)(3.2%) 运行期占运行期占74%74%，施工期占，施工期占26%26%土石坝失事（续）漫坝漫坝 51.5质量质量问题问题管理管理不当不当其其它它不不详详失事原因失事原因土石坝失事

18、（续）失事原因失事原因 裂缝裂缝渗漏渗漏管涌管涌滑坡塌坑滑坡塌坑护坡破坏护坡破坏百分比百分比25.326.45.310.96.5失事原因失事原因冲刷破坏冲刷破坏气蚀破坏气蚀破坏闸门启闭闸门启闭失控失控白蚁大洞及其他事故白蚁大洞及其他事故百分比百分比11.23.04.86.6非溃坝事故非溃坝事故 世界及中国建坝情况对照.15m以坝总以坝总数数30m以上坝以上坝数数100m以上以上坝数坝数150m以以上坝上坝数数2002年正建年正建60m以上坝以上坝数数世界世界4969712600670155349中国中国2580046941082488建坝数排在前20名的国家及其坝数（15m以上） 国家国家中国

19、中国美国美国日本日本印度印度韩国韩国西班牙西班牙南非南非坝数坝数25800258008724872426412641248124811206120612021202923923国家国家加拿大加拿大巴西巴西阿尔巴阿尔巴尼尼亚亚墨西哥墨西哥意大利意大利土耳其土耳其英国英国坝数坝数804804634634630630575575549549521521517517国家国家澳大利澳大利亚亚挪威挪威德国德国津巴布津巴布韦韦保加利保加利亚亚沙特阿拉伯沙特阿拉伯坝数坝数474474336336311311244244215215190190内容：土石坝渗流稳定分析n土石坝的渗流分析土石坝的渗流分析n土石坝的

20、稳定分析土石坝的稳定分析土石坝的渗流分析n渗流的概念渗流的概念：水库蓄水后，由于上下游水位差：水库蓄水后，由于上下游水位差的关系，水流会通过坝体土粒之间的空隙从上的关系，水流会通过坝体土粒之间的空隙从上游向下游流动。游向下游流动。n渗流分析的主要内容渗流分析的主要内容：确定浸润线与下游溢出点，核算稳定确定浸润线与下游溢出点，核算稳定估算坝体和坝基渗透流量，估算渗透量估算坝体和坝基渗透流量，估算渗透量计算局部渗透坡降，验算渗透变形稳定计算局部渗透坡降，验算渗透变形稳定土石坝的渗流分析n用途：用途：（1）为土坝中各部分土的饱水状态的划分提供依据；）为土坝中各部分土的饱水状态的划分提供依据； （2）

21、确定对坝坡稳定有重要影响的渗流作用力；）确定对坝坡稳定有重要影响的渗流作用力； （3）最后确定土坝剖面及防渗、排水设备的型式及尺寸；）最后确定土坝剖面及防渗、排水设备的型式及尺寸； （4）确定渗漏量。）确定渗漏量。n计算方法计算方法水力学方法水力学方法流体有限元流体有限元其他，如图解、实验等其他，如图解、实验等渗流的分类n按参数随时间变化分：恒定和非恒定渗流；按参数随时间变化分：恒定和非恒定渗流；n按参数沿流程变化分：均匀和非均匀渗流；按参数沿流程变化分：均匀和非均匀渗流；n按有无自由水面分：无压和有压渗流；按有无自由水面分：无压和有压渗流；n无压渗流：位于不透水地基上并且具有自由面（也称为浸

22、润面）无压渗流：位于不透水地基上并且具有自由面（也称为浸润面）的渗流。无压渗流主要求解渗流流量和地下水面线（浸润线）的的渗流。无压渗流主要求解渗流流量和地下水面线（浸润线）的分析计算。分析计算。 n有压渗流：位于不透水层之间的渗流。有压渗流除计算渗透流量，有压渗流：位于不透水层之间的渗流。有压渗流除计算渗透流量，还要计算水工建筑物底板受到的扬压力。还要计算水工建筑物底板受到的扬压力。n地下河槽水流的水力要素沿流程不变的称为均匀渗流，否则称为地下河槽水流的水力要素沿流程不变的称为均匀渗流，否则称为非均匀渗流。非均匀渗流。n在非均匀渗流中，若流线近乎于平行的直线，则称为非均匀渐变在非均匀渗流中，若

23、流线近乎于平行的直线，则称为非均匀渐变渗流，否则称为非均匀急变渗流。渗流，否则称为非均匀急变渗流。 渗流的基本特性 n假设假设: : 均质均质, , 层流层流, , 稳定渐变流稳定渐变流 n应用应用达西定律达西定律，并假定任一铅直过水断面内各点的，并假定任一铅直过水断面内各点的渗透坡降相等，对不透水地基上的矩形土体，流过渗透坡降相等，对不透水地基上的矩形土体，流过断面上的断面上的平均流速平均流速为：为：n单宽流量单宽流量： kJdxdykvdxdykyvyq达西定律的适用范围97Re k1、达西定律仅适用于达西定律仅适用于层流渗流层流渗流（因为层流时水头损失与流速（因为层流时水头损失与流速的一

24、次方成正比）。水利工程的一次方成正比）。水利工程中的渗流除堆石坝、堆石排中的渗流除堆石坝、堆石排水体等大空隙介质的渗流为紊流外，大多为属于层流渗流水体等大空隙介质的渗流为紊流外，大多为属于层流渗流2、判别标准判别标准1023. 075. 01Revdn粒径（粒径（d d）雷诺数（雷诺数（ReRe）0.013.0mm3、对非层流渗流，对非层流渗流， 当当m=2m=2时为紊流渗流，时为紊流渗流，m=1m=12 2时时为层流到紊流的过渡区。为层流到紊流的过渡区。mkJv1达西定律kiv )(biikvbicrvkiv icv viiivv砂土砂土砾石砾石密实粘土密实粘土bi起始水力梯度起始水力梯度渗

25、流的基本特性n渗透系数的性质渗透系数的性质n坝体、坝基渗透系数的各向异性坝体、坝基渗透系数的各向异性n渗透系数随时间变化渗透系数随时间变化n考虑渗流分析与应力分析的耦联作用考虑渗流分析与应力分析的耦联作用二维渗流的连续条件dzzvvzzdxxvvxxzvxv单位时间内流入这个微单元体的单位时间内流入这个微单元体的水量为：水量为：11dxvdzvdqzxe单位时间内流出这个微单元体的单位时间内流出这个微单元体的水量为：水量为：1)(1)(dxdzzvvdzdxxvvdqzzxxo根据水流不可压缩及连续原理根据水流不可压缩及连续原理oedqdq 0zvxvzx渗流基本方程 n土坝渗流为层流，因此满

26、足达西定律土坝渗流为层流，因此满足达西定律(Darcy(Darcys Law), s Law), 渗流区内任一点势函数应满足拉普拉斯方程：渗流区内任一点势函数应满足拉普拉斯方程：nk kx x, , k ky y分别为分别为x x, , y y方向的渗透系数方向的渗透系数n对于简单的边界条件，上述方程能解，复杂边界条对于简单的边界条件，上述方程能解，复杂边界条件，需借助数值方法。件，需借助数值方法。n各向异性渗流介质中的渗流各向异性渗流介质中的渗流02222yHkxHkyx三维渗流方程n稳定渗流的拉普拉斯方程稳定渗流的拉普拉斯方程n非稳定渗流微分方程式非稳定渗流微分方程式0222222zhky

27、hkxhkzyxthSzhkyhkxhkszyx 222222各向异性渗流场的转化n水平向渗透系数大于竖直向渗透系数水平向渗透系数大于竖直向渗透系数n坐标变换：坐标变换：n渗透系数：渗透系数：yYxkkkyxy ,Xyxkkk 渗流的水力学问题n自上游向下游积分：自上游向下游积分：n自上游向区域中某点自上游向区域中某点（x,y）积分，得浸润线方）积分，得浸润线方程程 LHHkydyqdx021 LHHkydyqdx021 LHHkq22221 xkqyH2221 均质土坝渗流分析 CAEym1m2OxH1KH2a0D Bl)21/(111mmHlxyHKq2/ )(22120HayLxCCLL

28、HaHKq2/ )(22021)ln1 (:02020aHamKaqCDB渗流分析的水力学方法n当土石坝位于透水地基上时当土石坝位于透水地基上时n关于计算深度的选取关于计算深度的选取n坝基渗透系数的换算坝基渗透系数的换算n均质坝浸润线和渗流量的计算要点均质坝浸润线和渗流量的计算要点n共七条（教材给出的方法）共七条（教材给出的方法）n土质心墙和斜墙坝的渗流分析土质心墙和斜墙坝的渗流分析n心墙坝：计算时可用平均宽度为心墙坝：计算时可用平均宽度为t的等面积矩形代替。的等面积矩形代替。然后将心墙按渗透系数比值放大。然后将心墙按渗透系数比值放大。n斜墙坝斜墙坝n1. 高18m的一座均质土坝(不透水地基)

29、，坝顶宽6m，上游水深15m，上游坡1:4，下游坡1:3，设：下游无排水，下游水深为6m，Kc = 10-5 m/s。试计算坝内浸润线位置，及单宽渗透流量Q。作业1:3 15m1:418m6mKc6m土坝渗流计算的流网法流网的基本特性n等势线和流线互相正交等势线和流线互相正交n流网各个网格的长宽比保持为常数时，则相邻等势线间水头差相流网各个网格的长宽比保持为常数时，则相邻等势线间水头差相等，各相邻流线间通过的渗流量相等等，各相邻流线间通过的渗流量相等n上游水位下的坝坡和库底以及下游水位下的坝坡和库底均为等势上游水位下的坝坡和库底以及下游水位下的坝坡和库底均为等势线，总水头等于坝上、下游水位差线

30、，总水头等于坝上、下游水位差n坝下不透水层面为一流线坝下不透水层面为一流线n浸润线为一流线，其水头等于线上各点的浸润线为一流线，其水头等于线上各点的y y坐标坐标n渗流在下游坝坡上的逸出段与浸润线一样，其压力等于大气压，渗流在下游坝坡上的逸出段与浸润线一样，其压力等于大气压，各点水头也随几何坐标各点水头也随几何坐标y y而变化而变化n在两种渗透系数不同的土层交界面上，流线间的夹角成立如下的在两种渗透系数不同的土层交界面上，流线间的夹角成立如下的关系关系2121/kktgtg正方形流网的性质通过正方形网格通过正方形网格A、B的渗流量相等，为：的渗流量相等，为：)1)()1)(2211 ddhKd

31、dhKKiAq得性质得性质1 hh 即表示各方格网即表示各方格网水头损失相等水头损失相等，或各等高线上或各等高线上水位相等水位相等。比较通过正方形网格比较通过正方形网格A、C的渗流量的渗流量hKddhKq )1)(11hKddhKq )1)(33得性质得性质2 qq 表示通过各流管的表示通过各流管的流量相等流量相等流线、等势线正交根据流网求渗流量根据流网求渗流量设：流入的总水头为设：流入的总水头为H H1 1 流出的总水头为流出的总水头为H H2 2流网数流网数( (流管数流管数) )为为N Nf f, ,图中图中N Nf f=5=5等势线间隔数为等势线间隔数为N Nd d, ,图中图中N N

32、d d=8=8由性质由性质1 1得得 由性质由性质2 2得得 dNHHh12fNQq 所以所以dfffNNHHKhNKqNQ)(21（单位厚度流量）正方形流网的性质流网的绘制方法确定确定边界条件边界条件：mbmb面是一条等势线面是一条等势线, ,压力水头是压力水头是H H1 1jnjn面是一条等势线面是一条等势线, ,压力水头是压力水头是H H2 2ffff面是对称面面是对称面, ,压力水头是压力水头是( (H H1 1- -H H2 2)/2)/2, ,也是一条等势线也是一条等势线. .沿板桩的沿板桩的bfjbfj面是一条流线面是一条流线不透水的不透水的mn面也是一条流线面也是一条流线按正交

33、正交的原则绘流网绘“正方形”网流网法计算渗流n几种典型的流网几种典型的流网n当水库水位以较快速度下降时的处理方法当水库水位以较快速度下降时的处理方法n急降急降n缓降：分成几个时段缓降：分成几个时段有限元法求解渗流问题n渗流的基本方程和定解条件渗流的基本方程和定解条件n有限元法的基本思想：加权残值法与变分法有限元法的基本思想：加权残值法与变分法n单元剖分与插值函数单元剖分与插值函数n第一类边界条件：水头边界条件第一类边界条件：水头边界条件n第二类边界条件：流量边界条件第二类边界条件：流量边界条件n第三类边界条件：混合边界条件第三类边界条件：混合边界条件n含水层边界的内外水头差和交换的流量之间保持

34、一定的线性含水层边界的内外水头差和交换的流量之间保持一定的线性关系关系稳定渗流方程的求解边界条件),(1tzyxfh ),(/2tzyxfkvnhn nhh边界条件的说明n对于对于有压渗流有压渗流，无自由面，无自由面n对于对于无压渗流无压渗流，需给出自由面边界条件，这就要预先，需给出自由面边界条件，这就要预先假定一个自由面（浸润线），然后迭代求解，直至在假定一个自由面（浸润线），然后迭代求解，直至在自由面上满足自由面上满足 。若为非稳定渗流，需满足两。若为非稳定渗流，需满足两类边界条件。类边界条件。n初始条件初始条件一般为流场的水头分布，在进行非稳定渗流一般为流场的水头分布，在进行非稳定渗流时

35、需给出。时需给出。zh 土坝的渗流变形及其防护n渗透稳定计算的任务渗透稳定计算的任务：鉴别渗透变形形式鉴别渗透变形形式判断渗流稳定性判断渗流稳定性防渗设计防渗设计n渗透破坏主要形式渗透破坏主要形式：管涌：坝体和坝基中部分土颗粒被渗流水带走的现象。无粘性土管涌：坝体和坝基中部分土颗粒被渗流水带走的现象。无粘性土流土：在渗流作用下，表层局部土体被顶起或是粗细颗粒群发生浮动流土：在渗流作用下，表层局部土体被顶起或是粗细颗粒群发生浮动而流失的现象。无粘性土、粘性土而流失的现象。无粘性土、粘性土n接触流土接触流土接触冲刷接触冲刷渗透变形的判别n用土料的用土料的不均匀系数不均匀系数判别：判别： n用土体的

36、用土体的孔隙直径孔隙直径来判别来判别 20102010 8 . 18 . 100dddd流土流土管涌管涌流土和管涌流土和管涌非管涌土非管涌土管涌土管涌土渗透变形的判别n用土体的用土体的细粒含量细粒含量Pc判别判别n用界限粒径用界限粒径df来区分粗、细粒土来区分粗、细粒土n按土的细粒含量按土的细粒含量Pc和土的密实度判别管涌和流土和土的密实度判别管涌和流土n对于不均匀系数对于不均匀系数Cu大于大于5的不连续级配土，也可直接按细粒土含量来的不连续级配土，也可直接按细粒土含量来判别：判别： Pc35%,流土型破坏。流土型破坏。n接触冲刷破坏：接触冲刷破坏： （不会发生）（不会发生）n接触流土判别：接

37、触流土判别： （不会发生）（不会发生）1070dddf )1(41nPk 10/1010 dD 7/,105/, 570208515dDCdDCuu渗透变形1、流土（流土（Flowing soil） 指在向上的渗透水流作用下，指在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒同时发生悬浮、移动表层土局部范围内的土体或颗粒同时发生悬浮、移动的现象。的现象。 土体处于临界状态土体处于临界状态土体发生流土破坏土体发生流土破坏土体处于稳定状态土体处于稳定状态判断流土的可能性判断流土的可能性 crcrcriiiiii scrFiiii 允许坡降允许坡降流土破坏的临界水力梯度使土开始发生流土现象时的水

38、力梯度称为临界水使土开始发生流土现象时的水力梯度称为临界水力梯度。力梯度。)1)(1(nGiswcr 临界水力梯度与土性密切相关。研究表明，土的不临界水力梯度与土性密切相关。研究表明，土的不均匀系数均匀系数Cu愈大，愈大，icr 愈小；土中细颗粒含量高，愈小；土中细颗粒含量高，icr值增大；土的渗透系数愈大，临界水力梯度愈低。值增大；土的渗透系数愈大，临界水力梯度愈低。2、管涌管涌 （Piping） 指在渗透水流的作用下，土指在渗透水流的作用下，土 中的颗中的颗粒被水流逐渐带走，最粒被水流逐渐带走，最 终导致土体内形成贯通的渗流管道，终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体坍塌的现象。造成土体

39、坍塌的现象。n一般粘性土只会发生流土，一般粘性土只会发生流土，而不会发生管涌，属于非管而不会发生管涌，属于非管涌土涌土n无粘性土中粗颗粒构成的孔无粘性土中粗颗粒构成的孔隙直径大于细颗粒的直径时，隙直径大于细颗粒的直径时，才可能让细颗粒在其中移动，才可能让细颗粒在其中移动，这是发生管涌的这是发生管涌的必要条件必要条件渗透变形管涌破坏的临界水力梯度n管涌型或过渡型管涌型或过渡型n设计时采用的容许水力坡降等于临界水力坡降除以安设计时采用的容许水力坡降等于临界水力坡降除以安全系数。全系数。33/42nkdicr 2052/)1)(1(2 . 2ddnGiscr 大坝渗流量变化与水库水位变化关系密切，总

40、体上呈现逐年大坝渗流量变化与水库水位变化关系密切，总体上呈现逐年递减的趋势；坝区降雨对短期坝体量水堰测值影响较大。递减的趋势；坝区降雨对短期坝体量水堰测值影响较大。2001年水位年水位780m，渗流量，渗流量140L/s；2002年水位年水位778m，渗流量，渗流量90L/s；2003年水位年水位772m，渗流量，渗流量68L/s；2004年水位年水位774m，渗流量约渗流量约75L/s。天生桥一级大坝的渗流天生桥一级大坝的渗流土石坝的稳定分析 n分析坝体及坝基在各种不同的工作条件下可能产生的分析坝体及坝基在各种不同的工作条件下可能产生的稳定破坏形式，通过必要的力学计算，校核坝剖面的稳定破坏形

41、式，通过必要的力学计算，校核坝剖面的安全度，经过反复修改定出经济剖面。安全度，经过反复修改定出经济剖面。n确定土坝稳定性，主要指确定土坝稳定性，主要指边坡的抗滑稳定边坡的抗滑稳定。稳定分析的基础n土的强度与破坏理论土的强度与破坏理论n摩尔库仑理论摩尔库仑理论n总应力与有效应力法总应力与有效应力法n抗剪强度指标的获取抗剪强度指标的获取n土石坝设计规范：瑞典圆弧法土石坝设计规范：瑞典圆弧法土石坝的稳定分析考虑孔隙水压力考虑孔隙水压力正常蓄水位或设计洪水位正常蓄水位或设计洪水位校核洪水位校核洪水位正常运行正常运行非常运行非常运行分析工况分析工况施工期施工期稳定渗流期稳定渗流期水库水位降落期水库水位降

42、落期* * 地震作用时：与正常运用组合，属非常运用工况地震作用时：与正常运用组合，属非常运用工况n坝坡抗滑稳定安全系数坝坡抗滑稳定安全系数（MP法和简化毕肖普法）法和简化毕肖普法）抗剪强度指标的测定n粘性土的抗剪强度粘性土的抗剪强度nUUUUnCUCUnCDCDn直剪仪直剪仪n无粘性土的抗剪强度（通过排水剪确定）无粘性土的抗剪强度（通过排水剪确定）抗剪强度指标的选择n粘性土粘性土n施工期和竣工时施工期和竣工时n稳定渗流期稳定渗流期n水库水位降落期水库水位降落期n无粘性土无粘性土n非线性抗剪强度指标非线性抗剪强度指标n粘性土和砂土接触面粘性土和砂土接触面坝坡的滑动面形式 坝坡的滑动面形式主要与坝

43、体结构型式、筑坝材料坝坡的滑动面形式主要与坝体结构型式、筑坝材料和地基情况、坝的工作条件等因素有关。和地基情况、坝的工作条件等因素有关。滑动面通过粘性土部位时滑动面通过粘性土部位时滑动面通过非粘性土部位滑动面通过非粘性土部位滑动面通过粘性土和非粘性土滑动面通过粘性土和非粘性土构成的多种土质坝时构成的多种土质坝时曲线滑动面曲线滑动面折线滑动面折线滑动面复式滑动面复式滑动面滑动面形式滑动面形式坝坡的滑动面形式（续）土石坝的稳定分析方法n圆弧滑动法（圆弧滑动法（Circular Arc SurfaceCircular Arc Surface）n简化毕肖普法简化毕肖普法n折线滑动面的坝坡稳定分析折线滑

44、动面的坝坡稳定分析n满足所有力和力矩平衡方法满足所有力和力矩平衡方法n有限元法（有限元法（Finite ElementFinite Element）圆弧滑动法mnGlCmnGKcnnnnntg122Bishop法KcVVubGbcGKcnntgtg1sectgsin11折线滑动面分析222111111122221111111sin)cos()tgcossin(tgcostg)sin()tgcossin(GGGGGGKc满足所有力和力矩平衡的方法n尽量减少假定，使结果趋于合理尽量减少假定，使结果趋于合理n斯潘塞斯潘塞n摩根斯坦与普莱斯摩根斯坦与普莱斯稳定分析方法的进一步讨论n最小安全系数确定最小

45、安全系数确定n平均安全系数平均安全系数n三维土坡稳定分析三维土坡稳定分析n应力和变形与稳定的关系应力和变形与稳定的关系n计算机技术的应用计算机技术的应用内容n土石坝的固结、沉降与应力分析n筑坝用土石料与填筑标准土石坝的固结和沉降分析n估算在自重及其他外荷载作用下，坝体及坝基的总沉降量及固结过程n目的：确定预留的坝顶超高估算各部位的不均匀沉降，判断裂缝发生的可能性n一般总对粘性土进行计算n渗透系数在10e-510e-7cm/s范围内、饱和度大于80太沙基固结方程n太沙基固结理论的基本假定：四个nCv和K的调整n二维、三维情况下固结方程n求解的边界条件与初始条件22zuCtuv比奥固结方程n平衡方

46、程、物理方程、几何方程以及达西定律n固结分析的近似计算：孔隙水压力的确定方法n固结分析实例n努列克坝（心墙）n小浪底坝（斜心墙）土石坝的沉降分析n土的压缩曲线：n取样（坝体、坝基、施工期、最终沉降、分层取土厚度等）n压缩曲线的修正n竖向应力n按自重产生的竖向有效应力计算沉降量n坝基附加应力计算：按坝基压缩层厚度分别考虑土石坝的沉降分析方法n假定：土柱重量等于垂直压应力不发生侧向膨胀n粘性土坝体和坝基沉降量（Settlement）计算n非粘性土坝体和坝基沉降量计算iiiiiihPPaS1121)(iiiiihPaS11最大沉降量351cm，在725m高程、坝轴线下游35m，相当于坝高的1.97%

47、，其中1999年5月三期面板浇筑完成前发生的施工期沉降量为294cm，相当于坝高的1.65%，以后发生的为57cm，相当于坝高的0.32%。从2002年12月到2004年12月间的沉降量为3.42cm，平均每年1.71cm，表明坝体沉降发展已基本稳定。土石坝的应力分析n目的：确定内力分布分析塑性流动的可能性计算沉降位移分析可能的滑动面研究发生裂缝的可能性土体的变形特性n非线性和非弹性n塑性体积应变和剪胀性n塑性剪应变n硬化和软化n应力路径和应力历史对变形的影响n中主应力对变形的影响n固结压力的影响n各向异性土体的变形特性n非线性和非弹性n塑性体积应变和剪胀性n塑性剪应变n硬化和软化n应力路径和

48、应力历史对变形的影响n中主应力对变形的影响n固结压力的影响n各向异性土的邓肯张模型n切线模量n切线泊松比nK、n、G、F为试验常数A是其他量的函数nfaaaatPaKPacRbaabaE323312sin2cos2)(sin1 (1)()(23)1 (logAPaFGt土的邓肯张模型（续）n优点：近似反映了土的非线性和弹塑性模型参数比较容易从试验确定模型比较简单，易于计算机实现n缺点：土的应力状态和应力路径影响未计入不能反映土的剪胀性中主应力影响 不能反映破坏时和破坏后状态高坝的应力和变形特性n分析目的：n确定塑性区n比较不同的施工方案n预防坝体裂缝n应力分析获得哪些计算成果n变形：竖向、水平

49、n应力：最大、最小主应力 剪应力 正应力本节结束！土石坝的筑坝材料n土石坝筑坝土料设计的任务：对坝体各部位的土料进行选择，然后确定土料的填筑标准。n基本要求：n足够的抗剪强度（Shear Strength）n满足要求的渗透性能（Permeability）n选料原则：n就近取材，开采运输方便n土石料的工程性质在长时期内保持稳定n具有与使用目的相适应的工程性质n压实经济合理n使用开挖料，降低总造价防渗体的筑坝材料n (1)渗透系数k较小，10-5cm/s。抗渗性n (2)有较好的塑性以适应坝体及坝基变形，塑性指数Ip大于810。n (3)压缩性n (4)有机杂质含量2%，水溶盐含量按重量比3%，有

50、良好级配。n (5)浸水和失水时体积变化较小。n (6)土质：粘粒含量（粒径20% 液限（Liquid Limit）40 浸水后膨胀软化较大 开挖压实困难 分散性土 冻土土石坝的防渗体材料n粘土、壤土用作防渗土料n优点、缺点n砾石土、风化砾石土作为防渗体材料n优点、缺点（干密度、防渗性、可塑性压缩性与抗剪强度）n其他防渗土料n红土n黄土n胀缩土n分散性粘土坝壳对土石料的要求 n (1)强度指标、c较大，具有抗震、抗滑稳定性。n (2)排水性能好，k103k防渗体。n (3)有良好级配：级配连续；不均匀系数=d60/d1030100。n (4)土质：级配良好的无粘性土（砂、砾石、卵石、碎石等）n