土壩滲流計算分析及工程實例

常志武，安忠偉

(佳木斯市水利勘測設計研究院，黑龍江佳木斯154002)

1 滲流基本定律

滲流運動的基本規律是依據法國學者達西在1852—1855年間根據對砂土滲透實驗總結出來的達西定律。即Q=kA(h1-h2)/L，若用學位面積的量V表示流速，則達西定律可表示為ki，式中:i=(h1-h2)/L為水力坡降;K為滲透系數。

2 土壩滲流

土壩的滲流分析在工程設計中常將其簡化為平面問題處理。土壩滲流計算的主要任務是確定壩內浸潤線的位置及經過壩體的滲透流量。

實際上，土壩滲流計算常采用“分段法”，分段法又分為三段法和兩段法。三段法是由巴普洛夫斯基提出的，將壩內滲流區劃分為三段，第一段為上游楔形ABE，第二段為中間段AEFC，第三段為下游楔形段CFD。對每一段應用漸變流基本公式建立流量表達式，然后通過三段的聯合求解，即可確定土壩滲流量及溢出點水深hc，并可繪出浸潤線AC。兩段法是在三段法的基礎上簡化而來的，將中間段和下游楔形段合并，把土壩滲流區劃分成上游段ABE和下游段EACD兩段。“分段法”示意圖見圖1。

圖1 土壩滲流計算“分段法”示意圖

3 工程實例

3.1 計算斷面及參數選取

某水庫，壩體是低液限黏土及高液限粉土為主的均質土壩:最大壩高9.00 m，壩頂寬度6.0 m;迎水坡坡比為1∶3.0，背水坡坡比為1∶2.5;興利水位131.00 m;設計洪水位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。

滲流計算斷面選取壩最高的斷面0+100進行計算。根據工程地質勘察報告提供的資料，進行滲流計算采用的滲透系數見表1。

3.2 滲流及滲透穩定分析

根據地質報告，壩體及壩基巖性主要為低液限黏土和高液限黏土，滲透系數很小;并且壩基黏土及粉土厚度都在5 m以上，所以本次滲流計算按不透水地基計算。

表1 滲透系數表

通過滲流分析計算確定滲流量、浸潤線及其在下游壩坡的出逸點，求出壩內平均滲透比降，出逸比降，下游坡腳點比降等，是否滿足規范要求。

不透水壩基均質土壩滲流計算見圖2。

圖2 不透水壩基均質土壩滲流計算圖

應用《堤防工程設計規范》(GB50286—98)附錄E推薦公式如下:

3.2.1 滲流量、浸潤線計算

不透水地基均質土壩滲流計算

式中:q為單位寬度滲流量，m3/(s·m));k為壩身滲透系數，m/s;H1為上游水位，m;H2為下游水位堤后無水，m;h0為下游出逸點高度，m;m1為上游坡坡率;m2為下游坡坡率。滲流量計算、浸潤線分析成果見表2。

表2 浸潤線分析成果

3.2.2 壩坡、壩基滲流比降

按下游無水(H2=0)情況滲出點A點的計算公式為:

式中:J0為下游無水背水坡出口比降;A、B兩點之間呈直線變化。

3.2.3 壩身平均比降:

3.2.4 允許比降計算

壩坡出溢段允許滲透比降按下式計算:

式中:［J］為壩坡出溢點允許滲透比降;φ為土的內摩擦角，14.7;Jk為臨界比降;β為下游坡角，22;K為安全系數，取2.0;γw為水的容重，10KN/m3;γ＇為土的浮容重，7.61KN/m3;C為土的凝聚力，15kPa;經計算，壩坡出溢段允許滲透比降為0.70。

以下允許比降按經驗取，壩身黏性土平均允許比降4～6。

3.3 滲流分析計算成果

1)滲流量計算成果。壩身及壩體均為黏性土，滲漏量非常小，不予考慮。

2)滲透穩定計算成果。各種計算工況下，滲透穩定計算成果見表3。

表3 壩后堤坡出逸比降及壩身平均比降計算表

由計算成果可知，壩身平均比降、壩坡出逸段及壩腳出逸比降均滿足要求。

［1］祈慶和.水工建筑物［M］.北京:中國水利水電出版社，1981.

［2］水利部水利水電規劃設計總院.GB50286—96堤防工程設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，1998.

［3］水利電力部第五工程局，水利電力部東北勘測設計院.土壩設計［M］.北京:水利電力出版社，1978.