01

技术连载丨坝体下游浸润线为什么降不下去

本期小编主要介绍一个坝体工程的设计计算，原方案的计算结果中浸润线在下游出口处位置比较高，渗流量相对也比较大。本文针对此工程问题进行分析，并提出了两种改进方案，以供大家参考。

该坝体工程简图如图1所示，该坝体顶宽3.5m，迎水坡的坡度为：2.5:1，背水坡坡度：2:1，上、下游水位分别为：5.97m和2.69m。坝体材料及坝基土层参数见表1。

图1 某坝体工程计算简图

表1  坝体材料及坝基土层参数

地层区号	地层	土类名称	层厚 （m）	渗透系数kx=ky (cm/s)
	坝体材料	粘性土	/	0.0002
	坝基第一层(左侧部分)	粗砂	1.452	0.5
	坝基第一层(右侧部分)	中砂	1.250	0.05
	坝基第二层	粉质粘土	4.733	0.0005
	坝基第三层	细砂	3.478	0.005

一、 原方案计算结果

图2 压力水头等值线图

图3 总水头等值线图

图4 流速矢量图与水头等值线图

原方案计算结果：总渗流量为3.78m3/(天，m)；其中，坝基第一层土的渗流量为3.74m3/(天，m)，占总流量的98.9%。

可见，控制坝基第一层土的渗流量是控制本水坝总渗流量及降低浸润线的关键。所以根据这一特点，笔者提出两个改进方案：

方案一：在坝基第一层土增设防渗墙；

方案二：在迎水坡设置粘性土防渗层。

下面，我们利用《理正岩土渗流分析软件》软件对比下两种方案计算结果的差异性。

二、改进方案

（1） 方案一：在坝基第一层土增设防渗墙

防渗墙的设置及计算结果如图5所示。总渗流量= 1.53423 m3/(天，m)，浸润线及总水头等值线见图5。

图5 总水头等值线图

（2）方案二：在迎水坡设置粘性土防渗层

防渗层的设置及计算结果如图6所示。总渗流量= 1.04327m3/(天，m)，浸润线及总水头等值线见图6。

图6 总水头等值线图

通过对比改进方案的计算结果我们不难发现：改变坝体材料，换成渗透系数小的材料，对浸润线的改变很小。坝体材料的改变对坝基第一地层渗透性影响很小。坝基第一地层渗透性系数比较大，是影响坝体中的压力水头及坝体渗流量的关键。应采用隔渗或防渗措施才能达到改变坝体压力水头场及减小渗流量的目的。

改进措施建议采用防渗墙或防渗垫层，或采用既经济又方便的防渗薄膜。

02

技术连载丨《理正岩土渗流分析软件》中渗流边界条件的输入方法介绍

《理正岩土渗流分析软件》相信大家都比较熟悉，适用于堤坝渗流、地表降雨渗透、基坑降水渗流及尾矿坝渗流等分析，可分析稳定流与非稳定流，饱和土与非饱和土。今天小编主要针对稳定渗流与非稳定渗流两种情况下，渗流边界条件的录入方法进行讲解。

（1）首先，我们说说稳定渗流的情况。举个例子：

如图所示是一个粘土心墙土坝工程，上游水位6米，下游没有水位，我们按地下水位计算，为-2米。边坡上面的数字大家都知道，是建模后软件识别的节点的编号，那么我们如何通过设置这个土坝面边界条件来进行渗流分析呢？

结果很简单，看下面的表格。

面边界条件输入

始点编号	末点编号	类型	随时间变化	始端取值	末端取值
1	7	已知水头	不随时间变化	6	6
7	0	已知水头	不随时间变化	6	6
0	-4	已知水头	不随时间变化	6	6
-2	-3	可能浸出面	--	--	--
-3	6	可能浸出面	--	--	--
6	-5	可能浸出面	--	--	--
-5	10	已知水头	不随时间变化	-2	-2

由于是稳定渗流，不存在水头随时间变化情况，我们只需要将有水部分的坡面进行水头设置，以及可能浸出面设置出来即可。故而，1-7、7-0、0-（-4），这三段是上游水面以下的坡面，均设置为已知水头，水位始端和末端取值的总水头值均填6即可。下游水位位于节点-5的位置，所以（-5）-10部分已知水头为-2，其他坡面可设置为可能浸出面。

非稳定渗流我们分水位下降和水位上升两种情况介绍。

（2）水位下降的情况：上游水位从6米下降至3米。

始点编号	末点编号	类型	随时间变化	始端取值	末端取值
1	7	已知水头	随时间变化	6	6
7	0	已知水头	随时间变化	6	6
0	-6	已知水头	随时间变化	6	6
-6	-4	已知水头	随时间变化	6	6
-2	-3	可能浸出面	--	--	--
-3	6	可能浸出面	--	--	--
6	-5	可能浸出面	--	--	--
-5	10	已知水头	不随时间变化	-2	-2

面边界条件的录入相较稳定渗流时，在上游的水位以下的坡面会增加一个“-4”的节点，首先，我们需要按照新的节点信息重新录入上游水位以下的坡面，这些坡面的“随时间变化”条件全部改成“随时间变化”，水头值依旧是6。那么如何体现水位下降呢？鼠标选择其中一段坡线后，在软件界面会出现一个“水头随时间变化曲线”的按钮，我们点击进去，在那个界面我们录入水头变化信息。

面边界参数随时间变化曲线

时间分段数			3
序号	时间（天）	水位升降量（升高为正，降低为负）
1	0	0
2	1	-3
3	1.5	-3

水位最终的沉降量是-3米，时间信息根据实际情况进行录入即可。

（3）水位上升时：

始点编号	末点编号	类型	随时间变化	始端取值	末端取值
1	7	已知水头	随时间变化	3	3
7	0	已知水头	随时间变化	3	3
0	-6	已知水头	随时间变化	3	3
-6	-4	已知水头	随时间变化	3	6
-2	-3	可能浸出面	--	--	--
-3	6	可能浸出面	--	--	--
6	-5	可能浸出面	--	--	--
-5	10	已知水头	不随时间变化	-2	-2

由于是水位上升，所以我们的上游低水位一下所有坡面的水头我们录入的水头值是低水位情况3米，（-6）-（-4）段总水头值是变化的，始端取值为3米，末端取值为6米。水头随时间变化的坡面的“水头随时间变化曲线”均需要进行设置，此时，水位升降量为正值3米。

面边界参数随时间变化曲线

时间分段数			3
序号	时间（天）	水位升降量（升高为正，降低为负）
1	0	0
2	1	3
3	1.5	3

以上就是渗流软件中稳定渗流与非稳定渗流情况下，面边界条件的录入方法，希望可以帮助到各位。

03

技术连载丨消能工水力学计算

消能工是水利工程中常用术语---是一种工程设施（构筑物），主要目的是消除泄水建筑物或水位落差建筑物下泄急流的多余动能，防止或减轻水流对水工建筑物及其下游河渠（水道）的冲刷破坏。《理正岩土工程水力学计算软件》中消能工水力学计算模块主要适用于底流式消能工和挑流式消能工，进行设计消能构筑物的尺寸或对给定构筑物的尺寸，验算是否能达到消能目的。

本期小编针对日常服务过程中部分客户提出的消能工水力学模型中交互参数的意义进行答疑解惑。

图1 软件参数交互界面

图2  消力池模型简图

为更好地让大家理解交互参数的意义，小编给大家画了一张详细的消力池模型简图，对应简图内容，我们可以很清楚的知道以下交互参数的意义：
1）上游底部高程：可取堰顶高程（m）；
2）下游底部高程：可取下游河道的底部高程（m）；
3）单宽流量：单位宽度的流量（m3/s·m）；
4）上游水位：构筑物上游闸前的水位或库水位（m）；
5）下游水位：下游河道水位（m）；
6）消力池前段长度：即水跃前消能工长度（m）。对于曲线型实用堰，长度为0。对于宽顶堰，前段若是斜坡，为斜坡水平投影；若为跌坎式，则为跌坎壁到收缩断面的距离。

希望上述内容可以让大家清晰消能工的建模参数意义，更快更准确地进行水力学设计。

04

技术连载丨【理正挡土墙】地面横坡角等参数取值说明

在理正挡土墙设计软件中，需要输入「地面横坡角度」和「填土对横坡面的摩擦角」参数。很多工程师不理解是什么意思，更不知道如何取值，本期小编就带大家一起来学习一下~

图1 软件的界面参数

一、适用情况

这两个参数用于有限范围填土的土压力计算。

有限范围填土的土压力，即在挡土墙之后的填土存在一已知的坡面或潜在的滑动面，且其倾角陡于用库伦土压力公式求得的破裂角，在陡坡地区很常见。

计算方法在很多教材、规范、手册中都有说明。如：土力学、建筑边坡工程技术规范（GB 50330-2013）、 水工挡土墙设计规范（SL379-2007）、公路挡土墙设计与施工技术细则。在此不再赘述。

图2 土力学（第2版） 李广信

图3 公路挡土墙设计与施工技术细则

二、参数的取值

1.地面横坡角：用于土压力的计算，是指土楔体计算时破裂面的起始角度，即只有横坡角以上的土体才产生土压力作用。因此横坡角取不产生土压力的硬土地面。当挡土墙后有岩石时，地面横坡角度一般为岩石的坡度；当挡土墙后都为土体时，取0。

2.填土对横坡面的摩擦角：当土沿横坡面滑动时，计算土压力自然不能再用土的内摩擦角，而应该使用填土和横坡面的摩擦角。可参考以下规范取值。

（1）建筑边坡工程技术规范（GB 50330-2013）：

图4 建筑边坡规范

（2）公路挡土墙设计与施工技术细则：

图5 公路挡土墙设计与施工技术细则

（3）水工挡土墙设计规范（SL379-2007）：

图6 水工挡土墙设计规范

三、实例说明

理正挡土墙软件适用于稳定岩石坡面为任意倾角时的土压力计算，无需人为判断破裂角和横坡角的关系。接下来用一个算例来说明。

横坡角（°）	破裂面与竖直方向夹角（°）	土压力合力（KN）	计算简图
0	28	244
50	28	244
70	20	230

横坡角为0°时，破裂面与竖向夹角约为28°，主动土压力合力Ea约为244

横坡角为50°时，破裂面与竖向夹角约为28°，主动土压力合力Ea约为244

横坡角为70°时，破裂面与竖向夹角为20°，主动土压力合力Ea约为230

由此可见，当横坡角大于土破裂角时，程序按有限范围土体土压力进行计算。

很多工程师会认为：无论工程情况如何，横坡角取0，算出来的土压力一定是最大的。实则不然，岩石坡度较缓，但填土和横坡面的摩擦角很小时，可能是更不利情况。

如下图所示，横坡角为30°，破裂面与竖向夹角50°，即沿横坡面破坏，主动土压力合力Ea约为279。大于横坡角为0°时的土压力244。

图7 计算结果

这是因为横坡角为0°时，此时必然是土内部破裂，土压力计算用的是土的内摩擦角。

而横坡角为30°时，是可能出现两种破坏形式的：1.和横坡角为0一样；2.沿横坡面破坏，此时用的就是填土对横坡面的摩擦角。程序会对比这两种滑动面的土压力，取大者。

补充说明：假使填土对横坡面的摩擦角取值和填土内摩擦角一样，那么只有横坡角大过破裂面时，才会影响土压力计算结果。

05

技术连载丨浅谈基坑与建筑物间有限土体的土压力

由于城市建筑密度的不断增大，深基坑工程的施工环境往往伴有很多无法忽视的临近建筑荷载。对于此类荷载是临近建筑物与支护结构之间产生的有限土体的土压力，是不宜直接采用朗肯土压力理论进行计算的。本期小编借鉴北京市地方标准《建筑基坑支护技术规程》DB11/489—2016（简称“规程”）第3.4.8条给出相应的计算公式，利用库伦土压力理论的楔体平衡方法试推导出有限土体的主动土压力的计算方法，希望能对岩土工程师的设计有所助益。

有限土体土压力推导过程

（一）基本推导

采用库伦土压力理论试推导基坑支护构件与建筑物之间的有限土体的土压力。简图如图1所示。

图1 有限范围土体的示意图

假定：

1、 有限土体与临近建筑物间无接触；

2、 有限土体与支护构件间光滑接触.

计算简图及力的多边形，根据破裂面是否与右侧边线相交分为两种情况，两种情况对应不同的裂面角θ角度大小：

 ---（1）

两种情况的破坏形态及力的多边形如图2、图3所示；

 

图2     第一种情况计算简图及力的多边形

 

图3 第二种情况计算简图及力的多边形

注：图2、图3破裂体形状及力的多边形是按黏性土绘制的；对无黏性土，取、即可；

两种情况力的平衡方程相同：

---（2）

破裂面上的摩擦力

  ---（3）

可得

---（4）

分布力的计算：

---（5）

其中参数，对两种情况计算不同；

对于第一种情况：

---（6）

对于第二种情况：

 ---（7）

式中：

--分别为第i点、第i-1点的单位宽度的土压力合力（kN）；

--分别为第i点、第i-1点的单位宽度的土压力分布力（kN/m）；

--破裂楔形体的重量（kN）；

--土的重度（kN/m³）；

--有限范围土体的宽度（m）；

--对于第一种情况时，破裂楔形体顶部宽度；

--破裂面与竖直面的夹角（°）；

--分别为计算点第i点、第i-1点深度（m）；

--开裂深度（m）；

--对应计算点h_i所形成的破裂楔形体右侧的高度（m）；

c—土层粘聚力标准值（kPa）；

--破裂面的长度（m）；

--作用在破裂面上的摩擦力（kN/m）；

--土层内摩擦角标准值（°）；

（二）“规程”（DB11/489-2016）计算表达式

第3.4.8条公式，参见图4；

图4  有限范围土体的示意图

1、当或时，按“规程”第3.4.4条—3.4.6条的规定计算；

2、当时

1）对于地下水位以上或水土合算的地层：

 ---（8）

2）对水土分算的地层：

---（9）

注：式8、式9参见“规程”3.4.8-1式及3.4.8-2式；

式中

--计算点的主动土压力（kPa）；

--基坑深度（m）;

--地层土的主动土压力系数；

--坑底以上各土层按厚度的加权内摩擦角（°）；

--坑底以上各土层按厚度的加权的黏聚力（kPa）；

--地面均布超载值（kPa）；

--土层重度平均值（kN/m³）；

--计算点深度（m）;

--主动侧地下水位的深度（m）;

--水的容重（kN/m³），取kN/m³；

--系数；

笔者注：此处已修改n_b的表达式；原“规程”表达式为，疑表达式有误，h不应是基坑深度，而应是计算点深度。是笔误。作个h取基坑深度与计算点深度的曲线对比：如图5所示：

无黏性土土压力结果对比

黏性土土压力结果对比

图5  h取基坑深度（曲线a）与取计算点深度（曲线b）的对比

（三）实例曲线

（1）与“规程”土压力分布曲线对比

本文方法（标new）的结果与“规程”第3.4.8条公式（标规程）结果对比：选择几组土质参数计算。

1、 γ=20kN/m3、c=10kPa、φ=20°、h=40m、b=3m。

图6 黏性土1的对比

2、 γ=20kN/m3、c=0kPa、φ=20°、h=40m、b=3m。无黏性土结果对比:

图7无黏性土1的对比

3、 γ=20kN/m3、c=0kPa、φ=10°、h=40m、b=3m。

图8 无黏性土2对比

4、 γ=20kN/m3、c=0kPa、φ=40°、h=40m、b=3m。

图9 无黏性土3对比

5、 γ=20kN/m3、c=30kPa、φ=20°、h=40m、b=3m。

图10 黏性土2对比

注：从图6到图10，列举本文方法计算结果与“规程”公式计算结果的对比。

（2）与“规程”条文中土压力合力对比

例题参数：土重度γ=20kN/m³、土的粘聚力c=10kPa、内摩擦角φ=20°，计算深度15m;有限土体宽度b=3m。（引自“规程”条文说明P121,5.实例的数据）

将本文计算的合力结果（标new）与“规程”计算的合力结果绘制在一起进行。如下图所示：

图11（标new）与“规程”计算的合力结果对比

（四）结论

（1）“规程”（DB11/489-2016）计算表达式中的中h不应是基坑深度，而应是计算点深度。

（2）本文方法计算结果与“规程”公式计算结果的对比，略有差异，是“规程”简化了计算公式，对于不同土质参数，差异范围会不同。

（3） 对于一般的基坑计算，“规程”范围均可满足要求。出现误差的范围都比较深。

（4） 本文方法与“规程”条文说明实例计算结果合力结果是一样的。

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技术连载丨建议有效应力法计算边坡地基稳定性考虑应力固结度

在边坡和地基的稳定性分析中，通常采用总应力法和有效应力法；很多资料都有介绍，相关的《标准》中也有应用。如在《水运工程地基设计规范》、《港口工程地基规范》及《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》中两种方法都有应用。

采用总应力法时通常考虑地基固结度的影响，而采用有效应力法时没有考虑地基固结度的影响，小编认为不妥，下面就带大家一起来看看。

现将《标准》中相关的计算公式中抗滑力矩部分列举如下：

• 《水运工程地基设计规范》（JTS147-2017）：

复合滑动面法计算图示

式中：为重要性系数；为作用于危险滑动面上滑动力矩的设计值（）；为抗力分项系数；为危险滑动面上抗滑动力矩的标准值（）。

式中：为危险滑动面上抗滑力矩的标准值（）；、分别为第i土条滑动面上中点的水平、垂直坐标值（m）；、为取矩点的水平、垂直坐标值（m）；为第i土条重力标准值（），可取均值，零压线以下用浮重度计算；为第i土条顶面作用的可变作用标准值（），为第i土条宽度（m）；为第i土条滑动面上的孔隙水压力标准值（kPa），可取均值；、分别为第i土条滑动面上的有效内摩擦角标准值（°）和有效黏聚力标准值（kPa）；可取均值；为第i土条滑动面上中点的滑动面一阶导数值；为抗力分项系数。

• 《港口工程地基规范》（JTS147-1-2010）表达式同上。

• 《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（JTG/T D31-02-2013）：

安全系数计算图示

式中：、分别为地基土三轴试验测得的有效黏聚力（kPa）和有效内摩擦角（°）；为分条的水平宽度（m），即；为土条底面弧长（m）；为土条底面与水平面夹角（°）；为滑动面上的孔隙水压力（kPa）；为土条路堤部分重力（kN）；为土条地基部分重力（kN）；为安全系数；、分别为路堤填料的黏聚力（kPa）和内摩擦角（°），由快剪试验测得。

上述公式中，若滑面在地基土中，其强度值均没有考虑超静水压力的影响。笔者认为，不考虑超静水压力的影响，计算的安全系数大于实际的安全系数，偏于不安全。因此，建议考虑地基土固结程度对抗滑稳定性的影响。建议计算式为：

• 《水运工程地基设计规范》（JTS147-2017）：

式中：、分别为填土、填土面上超载在第i土条地基土中滑面处的应力固结度，当滑面不在地基土范围内不考虑应力固结度；其他符号同前。

• 《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（JTG/T D31-02-2013）：

式中：为第i土条地面作用的超载（kPa）；为第i土条填土在其滑面处的应力固结度；为第i土条地面作用的超载在其滑面处的应力固结度；当滑面不在地基土范围内不考虑应力固结度；其他符号同前。

小编认为这两个行业，地基常处于饱和土的状态，采用有效应力法计算地基稳定性时，应该考虑应力固结度的影响。

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