土石坝渗流分析方法

1.土石坝渗流分析的目的及方法

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，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分布图或流网图，为坝体稳定核算、应力应变分析和排水设备的选择提供依据；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，估算由此产生的孔隙压力，供上游坝坡稳定分析之用。根据这些分析成果，对初步拟定的坝体断面进行修改。

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非常简单的情况下才有解答，水力学法是在一些假定基础上的近似解法，计算简单，能满足工程精度要求，所以在实践中被广泛采用。流网法是通过流网求解渗流场内各点的渗流要素，流网可由手绘和试验得出。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。渗流计算的水力学法详细介绍请看文字教材。

2.3.4 土石坝渗透稳定分析

在渗透水流的物理或化学作用下，导致土石坝坝身及地基中的土体颗粒流失，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%。渗透稳定计算应包括以下内容：判别土的渗透变形的型式；判明坝和坝基土体的渗透稳定性；判明坝下游渗流出逸段的渗透稳定性。

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表面的渗流逸出处。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，可以是流土也可以是管涌。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PZ＜25％～30％时，可能产生管涌，当 PZ＞30％时，可能产生流土。

南京水利科学研究院也进行了大量的试验研究，提出如下的判别公式：

 （2-59）

式中：a—修正系数，取0.95～1.0；

n—土体孔隙率；

Pg—粒径小于或等于2mm的细粒临界含量（％）

当土体的细粒含量大于Pg时可能产生流土，当土体的细粒含量小于或等于Pg时，则可能产生管涌。此方法应用方便，适合于各种土壤。

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。目前为止，试验和分析临界坡降的成果虽然很多，但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以下经验公式推算：

 （2-60）

式中：d3—相应于粒径曲线上含量为3%的粒径（cm）；

—渗透系数（cm/s）；

—土壤孔隙率。

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，即：

Jc=(G-1)(1-n) （2-61）

式中：G—土粒比重；

n—土粒孔隙率。

Jc值一般在0.8～1.2之间变化。容许渗透坡降[J]也需要有一定的安全系数，对于粘性土可采取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渗透坡降小于容许坡降。

4.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，还要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。

3）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。图2-50为太平湖土坝下游减压井和盖重构造示意图。

图2-50太平湖土坝减压井和透水盖重（单位：m）

1-粉质粘土 ；2-重粉质粘土；3-砂砾石层；4-碎石培厚；5-透水盖重，6-减压井；7-软弱夹层

5.反滤层设计

为了防止渗透变形的发生，设置反滤层以提高土体抵抗渗透破坏的能力是一项有效的措施，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）与坝壳和坝基透水层之间，以及下游渗流出逸处，如不满足反滤要求，均必须设置反滤层。

反滤层应满足下列要求：①使被保护土不发生渗透变形；②渗透性大于被保护土体，能顺畅地排除渗透水；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。

图2-51 反滤层构造示意图

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，如图2-51所示。一般土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，应满足：

≤4～5 且 ≥5

其中为第一层反滤料粒径小于该粒径的土占总土重的15%；

 、—被保护土的粒径，小于该粒径的土分别占总土重的15%、85%。

当选择第二、三层反滤料时，可按同样方法确定，选择第二层反滤料时，将第一层反滤料作为被保护土；选择第三层反滤料时，将第二层反滤料作为被保护土。反滤层的层厚应根据材料的级配、性质、用途及施工方法等情况综合考虑确定。通常水平反滤层的最小层厚为30cm，垂直或倾斜反滤层的最小层厚为50cm。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、质量易控制和造价低等优点，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坝，初期坝高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：保证渗透水流通畅排走；③防堵性：防止材料被细土粒堵塞失效。关于土工织物反滤层设计的具体要求可参阅相关书籍。

知识点：土石坝渗流分析方法

动态模型在土石坝长期渗流稳定性分析中的研究