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2.2.2.2.土石坝的渗流成因土石坝的渗流成因由于填筑土石坝的土料和坝基的砂砾石是散粒体结构,颗粒间存在大量的孔隙,都具有一定的透水性,水库蓄水后,在水压力的作用下,水流必然会沿着坝身土料、坝基土体、坝端两岸地基中的孔隙流向下游,造成坝身、坝基和绕坝的渗漏。
若渗流在设计控制之下大坝任何部位的土体都不会产生渗透破坏,则为正常渗流,渗流量在涉及许可的范围内,此时渗流量一般较小,水质清澈透明,不含土壤颗粒,表现为稳定的渗流状态,对坝体和坝基不会造成渗透破坏。
反之渗流过大,且集中,水质混浊,使坝体或坝基产生了管涌、流土或接触冲刷等渗透破坏,这样影响水库蓄水兴利的渗流则为异常渗流。
33.3.3.3.土石坝的渗流破坏形式土石坝的渗流破坏形式土石坝破坏来源于水和其它外力的侵袭以及土体强度的不足。
原因不同,发生的现象也有不同;
除去坝端三向绕渗破坏和漫顶溢流垮坝者外,从土坝剖面上看问题主要如图1所示几种状况,并且分别说明如下:
图a是砂层地基的承压水顶穿表层弱透水粉质壤土或淤泥的薄弱环节,发生局部集中渗流形成流土泉涌现象,并继而向地基的上游发展成连通的管道。
此时如果大管涌道失去拱的作用,堤顶即裂缝下沉而破坏,严重者还会在临水侧坝脚附近引起水流漩涡。
对于土石坝上游黏土铺盖的裂缝失效以及河堤临水侧的河水淘刷等不利因素,均能加速破坏。
图b是背水坡脚大面积发生小泉涌的砂土沸现象,使坡脚软化或收浮力后失去支承力而引起大滑坡,如图1所示的大滑弧所示。
发生砂沸软化的来水可能是砂基的承压水,也可能是沿弱透水覆盖层上面较透水薄层粉土渗过来的表层水。
图c是由于堤坝本身或地基的渗流,外部出口处的管涌开始逐渐将细粒带走,直到坡面破坏。
如图所示,浸润线出渗点处得土粒首先被冲蚀沿坡面向下移动堆积于坡脚,逐渐在坡面形成局部凹陷和小沟;
或者沿坝底接触面、坝体内的较透水薄层以及沿输水管外壁接触面形成集中渗流通道造成冲蚀破坏。
图d是由于库水位骤降时孔隙水压力而发生滑坡,多在下降水位的附近坍滑。
如果临水侧受河水淘刷,就更容易造成滑坡。
图1土石坝坝坡破坏示意图4.4.4.4.土石坝渗流分析的方法土石坝渗流分析的方法4土石坝的渗流分析是一个比较复杂的空间问题,但在工程设计中场将其简化为平面问题处理。
土石坝渗流计算方法主要有解析法、手绘流网法、实验法和数值法等。
解析法分流体力学法和水力学法,前者立论严谨,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。
手绘法是一种简单易行的方法,能够求渗流场内任一点渗流要素,并具有一定的精度,但在渗流场内具有不同土质,且其渗透系数差别较大的情况下较难应用。
遇到复杂地基或多种土质坝,可用电模拟实验法,它能解决三向问题,需一定设备,费时较长。
黑龙江省桦南县向阳山水库主坝坝基的砂砾石渗漏严重,渗流边界复杂,在设计的条件下利用电模拟试验进行渗流分析及处理方案比选,确定坝基的最佳处理措施。
随着计算机和计算机技术的迅速发展,各种数值计算方法,如有限差分法、有限单元法、边界元法等,在土石坝渗流计算中得到了越来越广泛的应用。
有限差分法使用比较早,在工程中应用广泛,当计算机在工程中普遍应用以后,这种算法取得很大进展。
有限单元法的基本思想很早就为人们所认识,只有在计算机广泛应用之后才得以迅速普及和发展。
1965年美国学者辛克维茨和张提出有限单元法适用于所有可按变分形式计算的场问题,这就为有限元法应用于土石坝渗流计算提供了理论基础。
70年代有限元又被应用于求解份稳定渗流问题,同时人们将比奥渗流固结理论与土的本构模型相结合,用有限元法求解有效应力-孔压耦合的应力-变形-时间过程。
近年来,人们也用其他不同数值方法计算非饱和土的渗流问题,取得了很大进展。
5.5.5.5.土石坝渗流控制理论的发展成就及研究现状土石坝渗流控制理论的发展成就及研究现状土石坝的渗流控制理论始建于20世纪初期,布莱(W.G.Blige)功不可没。
他首次提出了渗流控制的数学模式,即爬行比理论。
从50年代后期开始,中国水利水电科学研究院就在这方面开展了大量的研究工作,并在前苏联专家E.A.鲁巴契科夫的直接指导下,首先创建国内第一座研究土的渗透稳定的实验室,同时结合国内土石坝工程存在的各类问题,展开了有针对性的研究工作。
半个多世纪以来,不仅解决了许多工程的实际问题,而且提供了许多有价值的研究成果,形成了一座较为完整的渗透稳定实验室,有力地推动了这一学科的发展。
5.15.15.15.1渗流控制理论发展历史渗流控制理论发展历史土石坝是挡水建筑物,它和渗流同时并存,有土石坝就有渗流,土石坝的发展史5也就是渗流理论和渗流控制理论的发展史。
正是由于1856年达西解决了土的基本渗透理论,使土石坝的设计理论有五大突破,其中有三项属渗流方面:
一是1886年佛契海姆发现土中渗流符合拉普拉斯方程,并在1914年提出了用流网法进行图解试算。
二是1910年,布莱根据修建在不同土壤上实际建筑物的运行经验,发表了各类土允许水力比降的经验数据,对确定土工建筑物的尺寸首先从渗流的角度给出了经验准则。
第三是1925年太沙基发现由于土壤孔隙中水压力的消散引起粘土固结理论。
土中不稳定渗流这一特征的发现,使他进一步提出了有效应力的概念,称为土力学理论的奠基石。
此后,渗流控制理论得以大力发展,其发展过程大体可分为如下三个阶段。
5.1.15.1.15.1.15.1.1以防渗为主的阶段以防渗为主的阶段1910年布莱首次提出了以渗径长度控制渗流的概念,并根据实际建筑物的运行经验,给出了建于各类散粒体上的建筑物的允许长度与水头的关系,以保证建筑物的渗透稳定,成为著名的布莱法则。
以后发展为以允许平均水力比降设计建筑物尺寸的渗流控制方法。
继后1932年吕荣提出了岩基渗流控制的方法,岩基灌浆以1lu单位为标准,长期以来成为岩石地基的渗流控制标注。
1922年H.H巴甫洛夫斯基通过渗流场的渗流分析发现渗流场中的水力比降以渗流出口为最大,因此提出渗流控制的原则为控制渗流出口的水力比降不超过土壤允许值,并以此原则设计水工建筑物的尺寸,这种方法同样是以渗径长度控制渗流的概念,但比布莱法则在渗流理论上前进了一大步。
5.1.25.1.25.1.25.1.2防渗和排渗相结合阶段防渗和排渗相结合阶段防渗的方法在减小渗漏量方面是种最有效的方法。
但渗漏量的大小只表明建筑物和地基的防渗能力,不能直接说明渗透稳定的性状,许多建筑物在运行中尽管渗漏量很小,仍然遭到渗透破坏。
如英国巴特海德坝的渗透破坏,美国堤堂坝的失事,都不是由于防渗性能不好渗漏量过大而造成。
防渗性能很好,仍然失事的主要原因,被防渗体截堵后的水流,积蓄了大量势能,居高临下,在水工建筑物的整个运行过程中始终都在寻找防渗体中潜在的薄弱环节,并企图以积蓄的大能量通过薄弱的环节渗向下游,渗漏量不大,但能量很大,先导致薄弱环节局部破坏,最后直至整个建筑物失事。
可是,做渗体不可能都要求做到天衣无缝,稍有不慎,就可能留下薄弱环节,给处于高位势的水流找到可乘之机,造成渗透破坏。
排渗是种疏导的方法,能够主动地释放渗水的能量,将渗流有意识的排向下游。
61922年太沙基首次用排水的方法成功地解决了水闸的渗透破坏问题,随后提出了第一个无粘性土的反滤层设计准则,从此渗流控制由单纯的防渗开始进入了防渗与排渗相结合的阶段。
但由于对反滤的作用认识不够,前苏联从50年代起出现了一场新的争论,争论的焦点是在有排水措施的条件下,土的允许水力比降如何确定。
一种意见仍坚持沿用布来的统计原则,根据工程经验确定各类土的允许水力比降。
另一种意见是应根据土的渗透稳定特性确定允许水力比降,并将渗流出口的水力比降控制在土壤允许范围内。
争论的结果使设计采用的允许平均水力比降得到大幅度地提高,并接近土壤的允许水力比降,使建筑物的尺寸明显减小。
同时加深了对反滤作用的认识。
5.1.35.1.35.1.35.1.3防渗和排渗相结合加强反滤保护渗流出口的阶段防渗和排渗相结合加强反滤保护渗流出口的阶段工程实践不断表明,土石坝的破坏和失事多数是由渗流所造成。
安全问题直接关系到亿万人民的生命财产,因而成为渗流控制的第一目的。
渗流理论和坝工实践的发展结果说明,建筑物及地基的安全主要决定于渗流出口的渗透稳定,延长渗径,加强防渗措施,可以起到减少渗流出口水力比降的作用,但用到反滤层保护渗流出口比单纯的防渗更直接,更有效,是种舍远求近,事半功倍的方法。
70年代末期我们在总结实践经验的基础上明确提出用反滤保护渗流出口是保证土工建筑物的安全的首要措施,随后进一步提出渗流控制的原则是土石坝防渗和排渗相结合反滤层作后盾。
80年代世界著名坝工专家谢拉德(J.L.Sherard)更明确地提出反滤层是土石坝安全运行的第一道防线。
从此,经验的渗径长度不再是决定防渗尺寸的主要因素。
今后防渗体的尺寸按何种原则确定,是项需要继续探讨的问题。
当前的趋势是根据施工需要,反滤层允许承受的一处水力比降以及允许的渗漏量等三个方面确定。
可以说,从80年代开始,反滤和防渗各自的主要作用更加明确。
防渗体的主要功能是减少渗漏量。
设有反滤层得排水体是保证建筑物渗透稳定的最经济而且最有效的措施,因此使土石坝的渗流控制理论及实践进入了一个新的阶段。
5.25.25.25.2土石坝渗流控制发展已取得的有成就及研究现状土石坝渗流控制发展已取得的有成就及研究现状5.2.15.2.15.2.15.2.1土石坝渗流控制当前成就土石坝渗流控制当前成就
(1)散粒体的渗透破坏的机理更加明确大量的室内试验及工程原型观测结果表明,土的渗透破坏都是从薄弱的渗流出口开始的,渗流先从出口带走土颗粒,然后继续向上游发展,最后形成上下游连通的渗7流通道。
出口无渗流破坏的条件,内部即使有薄弱层或裂缝也不会发生渗透破坏。
工程实践又从另一方面说明,只要渗流出口有合适的反滤层作保护,即使内部有薄弱带也不会引起渗透破坏。
总之,渗流出口的控制成为渗流控制的关键。
(2)下游反滤层是土石坝安全的保障反滤层的功能是滤土减压,既能阻止坝体或地基的土颗粒被渗流带走,同时又能排水减压,主动地释放防渗体中的水压力,使渗透水流进入反滤层后压力全部消失。
渗流出口设置反滤层后,实际上是提高了土的抗渗强度,并将渗流出口移至无水压力的反滤层中,使渗流完全失去能量。
只要土颗粒不从渗流出口带向下游,整个大坝的渗透稳定就可得到保证。
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