大坝的渗流与防渗
摘 要:本文概述了渗流的形成、渗流的危害、渗流计算原理以及在水利工程施工中进行渗流控制常用的工程措施，总结
目前渗流和防渗的研究成果，认为渗流或多或少的会存在于各种挡水、蓄水建筑以及土木工程施工中，无法避免渗流发生。但是随着研究手段、工艺的不断进步，对渗流研究程度不断深入，已能够对不同工程环境下渗流进行定性和定量的分析，并相应采取合适的措施控制渗流，虽然无法避免也掌控之，也能将渗流控制在工程安全的范围之内。
关 键 字：渗流 防渗 渗流原理
渗流和渗透控制是水利工程中的一项非常重要的课题，直接关系到工程的安全和投资。许多水工建筑物的失事都与渗流有关，例如1964年鲍德温山（Baldwin Hills）坝由于铺盖与基础接触面产生渗透破坏而失事，1976年堤堂（Teton）坝由于右岸一个窄断层发生渗透破坏，不到6h就发生了跨坝事故。 1 渗流概述
水在土体孔隙中流动的现象称为渗流。水在土中的存在状态有，气态水、附着水、薄膜水、毛细水和重力水，其中重力水是渗流理论研究的对象[1]
。在水利工程中，常见到的渗流类型主要有四个方面：
①通过挡水建筑物的渗流。目前已经建成的水工建筑物和许多挡水建筑物，如大坝、围堰等，广泛采用有一定透水性的材料（如土、堆石）筑成，因此水可以通过建筑物中的孔隙流动， 形成了渗流。
②水工建筑物地基中的渗流。若挡水建筑物的地基是透水的，如土砂砾石、岩石地基等，都会不同程度的产生渗水。
③集水建筑物的渗流。在土壤改造及建筑物施工中，为了降低地下水位，常常采用集水井或集水廊道，集中地下水，并将其排走，以降低地下水位，防止土壤盐碱化和创造施工条件。
④水库及河渠的渗流。水库
建成后，水库水位抬高，库区周围的地下水位也相应的抬高，改变了原有地下水的运动状况，可能导致库区附近农田容易沼泽化和盐碱化，使原本不受地下水浸润的建筑物地基变为受浸润状态。
这四种渗流情况中，常使用集水建筑物的渗流的原理，在施工场区开挖竖井进行集水，而后将水排到下游，将场区的地下水位尽可能的降低到施工基坑的高程以下，以创造一个合适的施工条件，使基坑的开挖与地基处理及后期的浇注能够在适合的条件下进行。而其他三种的渗流情况，则要尽可能避免出现在工程当中，或者采取必要的措施将渗流压力和流量减小，防止建筑物失事，造成危害。 2 渗流危害
渗流会造成水量的损失，影响工程效益，严重的渗流还将引起土体内部应力状态的变化，产生渗透变形、流土和管涌等，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重时会酿成破坏事故。水利工程大坝渗流危害以坝身渗流和地基渗流两种渗流为主，堤身渗流大多是由筑堤材料不良或施工缺陷所造成, 而地基渗流则取决于河堤的地基条件[2]。从危害程度上讲, 地基渗流发生的次数多, 范围广, 造成决堤的事例也比较多，因此地基渗流的防治是工程中应该首先考虑的问题之一。
渗透变形是指渗透水流引起堤防的局部破坏。上图反映了水工结构产生渗透变形的主要条件和成因规律，其中（a）（b）发生在堤基的松散层，渗流部位埋深较浅，易被探测，因而人们的认识比较深刻；而（c）（d）受堤基深部基岩裂隙、溶蚀、断层、强风化带等渗流通道的影响，堤基渗流位置的埋深大，检测难度高，危害更大。这类源自基岩的渗流作用对于堤防安全的危害更应引起重视。渗透变形的演变与地质条件、土粒级配、水力条件、岩土体的渗透性质和排水措施等因素有关，可分为管涌、流土、接触冲刷、接触流土四种主要形式[3]。其中流土和管涌为两种基本型式。
流土：在渗流作用下，局部土体表面隆起、顶穿或粗细颗粒同时浮动而流失的现象。 管涌：土体中的细颗粒在渗流作用下从骨架空隙通道流失的现象。
接触冲刷：渗流沿着两种渗透系数不同土层的接触面流动时，沿层面带走细颗粒的现象。
接触流失：渗流垂直于渗透系数相差较大的两相邻土层流动时，将渗透系数较小的土层中的细颗粒带入渗透系数较大的土层中的现象。
水工结构渗透破坏，按照堤身、堤基两部分将渗透破坏的有关规律如下： （1）堤身渗透破坏分析
堤身的渗透破坏包括三种类型：渗水（散浸）造成的堤坡冲刷、漏洞和集中渗流造成的接触冲刷。 堤坡冲刷。堤坡冲刷系由背水堤坡渗水所致。主要有两种，一种是堤坡的出逸比降大于允许比降而产生的渗透破坏，另一种是集中渗水造成对坡面的水流冲刷。造成堤坡冲刷的主要原因有：堤身断面宽度不够，堤坡偏陡；堤身透水性强或填筑层面明显，导致堤身水平渗透系数偏大；新老堤身施工接头处存在薄弱结合面等。
堤身漏洞。漏水洞集中水流对土体的冲刷力很强，对堤防的危害性极大。产生漏洞的主要原因有：堤身质量差，土料含砂量高，有机质多；有生物洞穴等。
堤身接触冲刷。当堤身发生集中渗流且冲刷力大于土体的抗渗强度时，在集中渗流处就会产生接触冲刷破坏。接触冲刷的发展速度往往较快，对堤防的威胁很大，因此必须对其进行除险加固。造成堤身集中渗流的主要原因有：穿堤建筑物与堤身间出现裂缝；堤防分段建设的结合部填筑密实度低等。 （2）堤基渗透破坏分析
堤基的渗透破坏一般为土力学中的流土破坏。产生破坏的主要原因是随着汛期水位的升高，背水侧堤基的渗透出逸比降增大，一旦超过堤基的抗渗临界比降就会产生渗透破坏。渗透破坏首先在堤基的薄弱环节出现。对近似均质的透水堤基，渗透破坏首先发生在堤脚处。堤基管涌，尤其是近堤脚的管涌，发展速度快，容易形成管涌洞，一旦抢险不及时或措施不得当，就有溃堤灾难发生的危险。因此，对管涌堤段必须进行除险加固。
此外河海大学的刘广胜等通过室内试验认为，深基坑施工过程中渗流对土体的作用除了力学（静力、动力）作用外，还影响土的力学性状，使土颗粒间产生移动或错位，其对土的抗剪强度影响明显，且不可忽视[4]。同时水库水位的下降也会造成大体结构的不稳定，因而在水库运用管理中应控制水库水位的下降速度以免造成滑坡险情[5]。张祥等进行的边坡稳定分析成果揭示，渗流对围堰下游边坡的抗滑稳定影响很大。因此，在对任何土石围堰边坡进行抗滑稳定分析时必须考虑渗流的影响[6]。朱崇辉等通过研究还发现粗粒土的渗透变形坡降与颗粒级配存在联系,在某些范围内存在着有一定规律的变化,与不均匀系数、曲率系数在不同范围内存在不同形式的相关[7]。从本质上讲, 地基内的渗流受到各种条件影响,是一种变化非常复杂的非稳定流。只有了解各种因素所发生的影响, 才能明确渗流的机制,以施行合理有效的加固工程[8]。 3 渗流计算的基本原理
实际土体中的渗流仅是流经土粒间的孔隙,由于土体孔隙的形状、大小及分布极为复杂,导致渗流水质点的运动轨迹很不规则，考虑到实际工程中并不需要了解具体孔隙中的渗流情况，可以对渗流作出如下二方面的简化。一是不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；二是不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。作了这种简化后的渗流其实只是一种假想的土体渗流，称之为渗流模型 。
使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致，它还应该符合以下要求： ①在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； ②在任意截面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等；
③在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。 （1）达西定律
法国工程师（Darcy，H.1856）通过实验研究，总结出渗流水头损失与渗流速度之间的关系式，后人称为达西定律。
1856 年，法国学者达西通过实验，发现在层流状态下，水在砂土中的渗透流速与试样两端的水头差成正比，而与渗径成反比，即
上式是水在土中渗透的基本规律，称为渗透定律或达西定律。
达西定律虽然只适用于线性阻力的层流运动，但在工程实践中，超过达西定律上下限的局部区域与整个渗流场相比较经常是不大的，且大多数自然状态土中的渗流均能基本上符合层流规律或偏离不远，故一般均可简化为符合达西定律的问题来处理。 （2）渗透系数的确定
2.1）单层土渗透系数的确定
单层土的渗透系数是由现场或室内实验确定的。工程设计中土的渗透系数作为基本资料由地勘专业提供。单层土假定为各向同性土，则土中任意一点、任意方向的渗透系数相等，即Kx=Ky=Kz。 2.2）各向已性土渗透系数的确定
实际工程中的土层一般都具有各向异性，如冲积土层、碾压土层等。由于层次的存在，土层的水平向渗透系数长大于垂直向渗透系数。对各种异性土（包括任意倾斜方向的不同渗透性），可把渗透区边界（包
括建筑物的地下轮廓）的水平尺寸剩以因数α，转化为各向同性均质地基，其平均渗透系数
。进行渗流计算后得各点水头后，再把水平尺寸除以 α，就恢复为原各向异性土层的图形。
2.3）多层土渗透系数的确定
一般天然沉积的地层常由渗透性不同且厚度不一的多层土组成，碾压式土坝也会形成多层土，同一层土具有各向同性，而组成的多层土具有各向异性。对多层土渗透系数的确定，首先假定为平面问题进行计算，分别考虑渗流平行于层向和渗流垂直于层向两个方向分别进行计算。 平行于层向的等效平均渗透系数 Kx 为：
垂直于层向的等效平均渗透系数 Ky 为：
式中：
k1、k2、kn——分别为各层土的渗透系数； T1、T2、Tn——分别为各层土的厚度；
总厚度 T= T1+T2+…+Tn
由以上各式可知，Kx可近似的由最透水的一层的渗透系数和厚度控制，而 Ky 则可近似的由最不透水的土层的渗透系数和厚度控制。所以，多层土的平行层向的渗透系数 Kx 总是大于垂直层向的渗透系数 Ky。
3）渗透系数的应用
3.1）判别土的渗透性和土的类别
根据土体的渗透系数大小对土体渗透性分六个级别。并可依据渗透系数的大小初步判别土层类别
3.2）选择防渗土料的依据
依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274 2001）第 4.1.5 1 条的规定：均质土坝土料的渗透系数不大于 1×10-4cm/s，心墙和斜墙的渗透系数不大于1×10-5cm/s。
《碾压式土石坝设计规范》第 6.2.13-4 条规定：防渗铺盖所采用不透水土料填筑的渗透系数应不小于 i×10-6cm/s。
3.3）选择渗流量计算的依据
依据《堤防工程设计规范》（GB50286 98）第 8.1.2 2 条的规定：当堤身、堤基土渗透系数 K≥10-3cm/s 时，应计算渗流量[9]。 4 防渗措施
堤防防渗方法的确定取决于堤身的土质和填筑质量、堤基土体的地质特性及堤防周围的地理环境等因 素，必要时应采用渗流计算进行复核。堤防防渗加固的基本原则为“上堵下排”。所谓“上堵”，就是堵住渗流的入口，如在堤防的临水侧修建斜墙，在堤防的上游采用防渗铺盖、垂直防渗墙等；所谓“下排”，是指在“上堵”不太奏效的情况下给渗流～定的出路，使地基及堤身不至于产生较为严重的渗透破坏，如在堤防的背水侧进行贴坡排水、修导渗沟，在堤防下游修建减压井、减压沟等。 4.1堤身防渗方法 4.1.1黏土斜墙法
这种方法是将临水侧堤坡挖成台阶状，然后在其上部铺填一层防渗黏性土，黏性土的铺填厚度一般不得小于2m，且铺填时应分层压实。黏土斜墙法适用于堤身断面尺寸较小且堤身临水侧有足够滩地的场所。 4.1.2复合土工膜防渗法
这种方法是将临水侧坡面的草根、石子清除掉(清除深度不小于30 cm)，并喷射除草剂，然后铺设厚度不小于10 cm的细砂，并洒水、整平，再在坡面上铺设一层复合土工膜，并在其上铺设一层10 cm厚的中细砂，最后布设堤防护坡工程。复合土工膜防渗法适用于堤身临水侧滩地狭窄或堤身附近黏土缺乏的场所。如果堤身复合土工膜接堤基垂直防渗墙，则堤身和堤基防渗效果均较好。 4.1.3垂直铺塑法
渗流分析
