第四节 土石坝的渗流分析

一、土石坝渗流分析的目的及其方法

土石坝挡水后，在上下游水位差作用下，水流将通过坝体和坝基自高水位侧向低水位侧运动，在坝体和地基内产生渗流，如图6-17所示。坝体内渗透水流的自由水面称为浸润面，浸润面与坝体剖面的交线称为浸润线。

土石坝渗流分析的目的是：①确定坝体浸润线和下游逸出点位置，绘制坝体及地基内的等势线或流网图；②计算坝体和坝基渗流量，以便估算水库的渗漏损失和确定坝体排水设备的尺寸；③确定坝坡出逸段和下游地基表面的出逸比降，以及不同土层之间的渗透比降，以判断该处的渗透稳定性；④确定库水位降落时上游坝壳内自由水面的位置，估算孔隙压力，供上游坝坡稳定分析之用。

土石坝渗流是个复杂的空间问题，在对河谷较宽、坝轴线较长的河床部位，常简化为平面问题来分析。其分析方法主要有：流体力学法、水力学法、流网法、试验法和数值解法。

流体力学法只有在边界条件简单的情况下才有解，且计算较繁；水力学法是在一些假定条件基础上的近似解法，计算简单，能满足工程精度要求，所以在实践中被广泛采用。

流网法是一种简单方法，能够求解渗流场内任一点渗流要素，但对不同土质和渗透系数相差较大的情况难以采用。

试验法需要一定的设备，且费时较长。近年来，随着计算机的快速发展，数值解法在渗流分析中得到了广泛的应用，对于复杂和重要的工程，多采用数值计算方法来分析。本节主要介绍几种常见坝型渗流计算的水力学法。

二、土石坝渗流分析的水力学法

用水力学法进行土石坝渗流分析时，常作如下一些假定：①坝体土是均质的，坝内各点在各方向的渗透系数相同；②渗透水流为二元稳定层流状态，符合达西定律；③渗透水流是渐变的，任一铅直过水断面内各点的渗透坡降和流速相等。

进行渗流计算时，应考虑水库运行中可能出现的不利情况，常需计算以下几种水位组合情况：①上游正常高水位与下游相应的最低水位；②上游设计洪水位与下游相应的最高水位；③上游校核洪水位与下游相应的最高水位；④库水位降落时对上游坝坡稳定最不利的情况。

采用水力学法进行渗流分析时，需对某些较复杂的条件作适当简化，如：将渗透系数较接近（相差3～5倍以内）的相邻土层作为一层,采用渗透系数的加权平均值来计算；当渗水地基的深度大于建筑物底部长度的1.5倍以上时，可按无限深透水地基情况进行计算，等等。

三、流网法

对于复杂的土石坝剖面和边界形状，用水力学方法难以求其精确解时，可采用绘制流网的方法求解渗流区任一点的渗透压力、渗透坡降、渗透流速以及坝的渗流量。流网法是一种图解法，流网由流线和等势线组成，其基本特性是：①等势线和流线相互正交；②流网各个网格的长宽比保持为常数时，相邻等势线间的水头差相等，各相邻流线间通过的渗流量相等；③在两种渗透系数不同的土层交界面上。

土石坝渗流是无压渗流，浸润线即为自由表面。渗流的边界条件是：浸润线和不透水地基的表面都是流线；上下游水下边坡都是等势线；下游边坡渗流逸出点至下游水位一段既为流线，亦为等势线。逸出段与浸润线上各点压力均为大气压力，故逸出段及浸润线各点位置水头即为该点的总水头。绘制流网时，可先根据经验初步拟定浸润线位置及逸出点。然后将上、下游落差分为几等分，等分的水平线与浸润线的交点即为等势线与浸润线的交点。由这些交点绘制等势线，一端垂直于浸润线（逸出段等势线不垂直于坝坡），一端垂直于地基表面线，然后绘制与等势线正交的流线。经反复修正，最后得出互相正交，长宽相等的网格，即流网。

等势线上任一点的渗压即为该等势线的水头减去该点的位置水头（以下游水面为基线）。任一点的渗透坡降即为等势线水头除以该处网格的边长，由此可以求出渗透流速、坡降和流量等。

四、渗透变形及其渗透稳定性判别

土石坝坝身及坝基中的渗流，由于物理或化学的作用，导致土体颗粒流失，土壤发生局部破坏，称为渗透变形。据统计国内土石坝由于渗透变形造成的失事约占失事总数的45%。

1.渗透变形的型式

渗透变形的型式及其发生发展过程，与土料性质、土粒级配、水流条件以及防渗、排水措施等因素有关，一般有管涌、流土、接触冲刷和接触流失等类型。工程中以管涌和流土最为常见。

(1)管涌  坝体或坝基中的无粘性土细颗粒被渗透水流带走并逐步形成渗流通道的现象称为管涌，多发生在坝的下游坡或闸坝下游地基面渗流逸出处。粘性土因颗粒之间存在凝聚力且渗透系数较小，所以一般不易发生管涌破坏，而在缺乏中间粒径的非粘性土中极易发生。

(2)流土  在渗流作用下，产生的土体浮动或流失现象。发生流土时土体表面发生隆起、断裂或剥落。它主要发生在粘性土及均匀非粘性土体的渗流出口处。

(3)接触冲刷  当渗流沿着两种不同土层的接触面流动时，沿层面带走细颗粒的现象称为接触冲刷。

(4)接触流失  当渗流垂直于渗透系数相差较大的两相邻土层的接触面流动时，把渗透系数较小土层中的细颗粒带入渗透系数较大的另一土层中的现象，称为接触流失。

2.渗透变形型式的判别

(1)根据颗粒级配判别

以土壤不均匀系数η（η=d60/d10）作为判别渗透变形的依据。伊斯托明娜根据试验，认为η＜10的土易产生流土；η＞20的土易产生管涌；当10＜η＜20时，可能是流土也可能是管涌。此法简单方便，但土的渗透变形不只是取决于不均匀系数，因此准确性较差。

(2)根据细颗粒含量判别

此法以土体中细颗粒含量（粒径d＜2mm）PZ作为判别渗透变形的依据。按照伊斯托明娜的建议，当土壤中细颗粒含量PZ＞35％时，孔隙填充饱满，易产生流土；对缺乏中间粒径的砂砾料，当25％＜ PZ＜35％时，可能产生管涌，可能产生流土(当 PZ＞30％时)。

3.渗透变形的临界坡降

(1)产生管涌的临界坡降

管涌的发生与渗透系数和渗透坡降有关。到目前为止，试验和分析临界坡降的成果虽然很多，没有形成完全成熟的结论。对中小型工程，根据南京水利科学研究院的试验研究，当渗流方向由下向上时，非粘性土发生管涌的临界坡降可按经验公式推算。

对于易产生管涌破坏处的容许渗透坡降[Ｊ]，可根据建筑物级别和土壤类型，用临界坡降除以安全系数2～3确定。还可参照不均匀系数η值来选用[Ｊ]：10＜η＜20的非粘性土，[Ｊ]=0.20；η＞20的非粘性土，[Ｊ]=0.10。

对大中型工程，应通过管涌试验，以求出实际发生管涌的临界坡降。

(2)产生流土的临界坡降

当渗流自下向上发生时，常采用由极限平衡理论所得的太沙基公式计算。

容许渗透坡降[J]也需要有一定的安全系数，对于粘性土可采用1.5，对于非粘性土可用2.0～2.5。为防止流土的产生，必需使渗流逸出处的水力坡降小于容许坡降。

五、防止渗透变形的工程措施

土体发生渗透变形的原因，除与土料性质有关外，主要是由于渗透坡降过大造成的。因此，设计中应尽量降低渗透坡降，增加渗流出口处土体抵抗渗透变形的能力。常用的工程措施包括：

1．采取水平或垂直防渗措施，以便尽可能地延长渗径，达到降低渗透坡降的目的；

2．采取排水减压措施，以降低坝体浸润线和下游渗流出口处的渗透压力。对可能发生管涌的部位，需设置反滤层，拦截可能被渗流带走的细颗粒；对下游可能产生流土的部位，可以设置盖重以增加土体抵抗渗透变形的能力。

设置反滤层是提高土体抵抗渗透破坏能力的一项有效措施，它可起到滤土、排水的作用。通常，在土质防渗体（包括心墙、斜墙、铺盖、截水槽等）与坝壳或坝基透水层之间，以及下游渗流逸出处需设置反滤层；当坝壳或坝基为砂性土且与防渗体之间的层间关系满足反滤要求时，可不设置专门的反滤层；对防渗体上游处反滤层的要求可以适当降低。

反滤层应满足下列要求：①透水性大于被保护土体，能顺畅地排除渗透水；②使被保护土不发生渗透变形；③不致被细粒土淤堵失效；④在防渗体出现裂缝的情况下，土颗粒不会被带出反滤层，能使裂缝自行愈合。

反滤层一般由2~3层不同粒径的砂石料组成，石料采用耐久的、抗风化的材料，层的设置大体与渗流方向正交，且顺渗流方向粒径应由小到大。一般反滤料的不均匀系数η≤5～8,且粒径小于0.1mm的细颗粒含量不超过5%。对于紧邻被保护土的第一层反滤料。当选择第二、三层反滤料时，可按同样方法确定。通常水平反滤层的最小层厚可采用750px，垂直或倾斜反滤层的最小层厚可采用1250px。当采用推土机平料时，反滤层的最小水平宽度应不小于3.0m。

采用土工织物反滤，具有施工简单、速度快和造价低等优点，近年来在工程中得到广

泛应用。如辽宁柴河铅锌矿新建尾矿库工程，初期坝坝高11m，坝长85m，坝的内外坡均为1:1.7，后期坝用尾矿砂填筑，最终坝高40m，在堆石坝与尾矿砂之间，用无纺土工织物代替原设计的1.6m厚的砂砾料反滤层进行反滤，节约工程投资约44万元，取得了良好的效果。

用作反滤料的土工织物，应具有下列功能：①保土性：防止被保护土颗粒随水流流失；②透水性：保证渗流水通畅排走；③防堵性：防止材料被细土粒堵塞失效。