堤防的渗透破坏及其治理方法综述堤防的渗透破坏及其治理方法综述 陈西安 河海大学岩土工程研究所，南京（210098） E-mail：xian12617@ 摘摘 要：要： 大量的洪灾资料表明， 堤基与堤身渗流对河道堤坝破坏危害最大， 其发生的数量多， 分布范围广，其易诱发重大溃堤险情本文对堤防渗透破坏的研究现状作了总结，详细归纳 了堤防渗透破坏的类型和分类方法； 渗透破坏类型的判别方法； 总结了堤防渗透破坏的各种 计算方法及其优缺点， 分析了各种计算模型的原理和特点 简要介绍了堤防工程中的垂直防 渗工程，其中悬挂式防渗墙在阻滞渗透破坏中的作用有待于进一步研究 关键词：关键词：堤防渗透破坏；管涌；分类；判别;悬挂式防渗墙 1 引言引言 洪涝灾害是我国危害最大、造成损失最严重的自然灾害而大量的洪灾资料表明，堤基与堤身渗流对河道堤坝破坏危害最大，其发生的数量多，分布范围广，其易诱发重大溃堤险情 [1] 中国已修建江河湖海堤防长度达 26km，不少工程质量很差，需进行防渗加固处理的占相当大的比例；已建成水库 8.5 万多座，其中病险水库约占 1/3，加固任务十分艰巨紧迫[2]1998 年长江流域大水，除个别江堤决口外，沿江发生管涌冒沙等险情 9405 处，其中因渗漏问题出险的 7548 处，出现了险情丛生的紧张局面。
长江中游 540 个重要堤防险情中有 90%是由堤基问题引起的，其中 90%又是为管涌所致[3]2 堤防渗透破坏的分类堤防渗透破坏的分类 在渗流水作用下土颗粒群体运动， 称为“流土” 填充在骨架空隙中的细颗粒被渗水带走，称为“管涌”通常将上述两种渗透破坏称为管涌（又称翻沙鼓水，泡泉） 其实，堤防工程中常说的管涌基本上都是土力学中的流土破坏 2.1 堤身渗透破坏的分类堤身渗透破坏的分类 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分述如下： 1.堤坡冲刷 堤坡冲刷系由背水堤坡渗水所致一种是堤坡的出溢比降大于允许比降而产生的渗透破坏，另一种是渗水集中后造成对坡面的水流冲刷 2.堤身漏洞 堤防背水坡及堤脚附近出现贯穿堤身的流水孔洞称为漏水洞 由于漏水洞中的集中水流对土体的冲刷力很强，因此对堤防的危害性极大 3.堤身接触冲刷 当堤身发生集中渗流且冲刷力大于土体的渗透强度时， 在集中渗流处就会产生接触冲刷-1- 破坏 由于接触冲刷的发展速度往往较快， 因此对堤防的威胁很大， 必须对其进行除险加固 2.2 堤基渗透破坏的分类堤基渗透破坏的分类 堤基的渗透破坏常表现为泡泉、沙沸、土层隆起、浮动、膨胀、断裂等，通常统称为管涌。
一般来讲，堤防地基的表土层一般很少是砂砾层，因此，堤基的渗透破坏一般均为土力学中的流土破坏 3 渗透破坏类型的判别渗透破坏类型的判别 在渗流作用下，为判别土体是否发生管涌、流土破坏，国内外专家提出多种方法我国各有关设计规程、 规范都规定了不同的判别方法 北京水科院和南京水科院也都提出了不完全相同的判别方法，现归纳如下 3.1 用土的不均匀系数用土的不均匀系数 CU 判别判别 前苏联伊斯托明娜提出这种方法不够准确，对于CU＜10 的土，一般来说较为准确；而对于CU＞20 的土，仍有可能产生流土破坏 3.2 细粒含量判别法细粒含量判别法 3.2.1 北京水科院刘杰提出的细粒含量判别法北京水科院刘杰提出的细粒含量判别法 对于不同均匀系数CU＞5 的土，可分为级配不连续的土和级配连续的土，应分别先按以下方法，区分细粒径d及相应的含量P 3.2.1.1 级配不连续土粗细粒径的区分及相应含量级配不连续土粗细粒径的区分及相应含量P1的确定的确定 按不连续土分布曲线，确定细粒径d (分布曲线断裂谷点或含量小于 3%点） ，再在颗粒级配曲线上确定小于对应点粒径的对应含量P1 3.2.1.2 级配连续土粗细粒径的区分及相应含量级配连续土粗细粒径的区分及相应含量P2的确定的确定 按计算平均几何粒径确定细粒径 d=（d70 d10）1/2 再在级配曲线上确定小于细粒径d对应含量P2。
3.2.1.3 管涌和流土判别方法管涌和流土判别方法 对于级配连续或不连续的土，从工程实际应用出发，均可按下式判别： P1（或P2）＞35% 流土型 P1（或P2）＜25% 管涌型 P1（或P2）=25%～35% 过渡型 以上计算方法是假定充满粗粒孔径的细粒含量按下式确定： POP =(0.30+3n2-n)/(1-n) 3.2.2 南京水科院提出的细粒含量判别法（水闸设计规范推荐此法）南京水科院提出的细粒含量判别法（水闸设计规范推荐此法） 不分布均匀系数大小及级配连续与否，均按下式判别： PZ/＞PZ 流土 PZ/＜PZ 管涌 -2- 式中： PZ —骨架（粗粒）空隙体积所占百分比 PZ =（a n1/2）/(1+n1/2) n --孔隙率 a --修正系数，a =0.95～1.0 PZ/ —粗细分界粒径d=2 ㎜以下对应的细粒含量(d≤2 ㎜) 3.2.3 堤防工程地质勘察规程（征求意见稿）提出的细粒含量判别法（刘杰提出）堤防工程地质勘察规程（征求意见稿）提出的细粒含量判别法（刘杰提出） 不均匀系数CU＞5 的粗粒土（大于 0.1 ㎜的粒径超过总重的 50%的土） Pc≥100/[4(1-n)] 流土 Pc＜100/[4(1-n)] 管涌 100/[4(1-n)]可以理解为骨架（粗粒）孔隙体积 Pc级配不连续的土不连续土分布曲线对应细粒径以下含量 Pc级配连续土，d=（d70 d10）1/2对应细粒径以下含量 3.3 细粒直径（细粒直径（d3 d5）与孔隙直径）与孔隙直径 D0 比较法比较法 这种方法适用于连续级配的土。
将连续级配的土视为一整体， 按整体土的孔隙尺寸与可移动的颗粒的粒径小于土体的孔隙直径， 这部分细粒容易被带出土体外， 破坏形式表现为管涌型，相反，细颗粒全部大于土的平均孔隙平均直径，细颗粒物可能被渗透带出，土的渗流破坏必然是整体的，即表现为流土型 4 堤防渗透破坏的渗流计算方法堤防渗透破坏的渗流计算方法 4.1 渗流计算的内容要求渗流计算的内容要求 通过渗流计算应得到堤身渗流长的水体（浸润线、出逸点、水压力等） 、渗透比降和渗流量等水力要素 4.2 计算剖面选择和地层概化的要求计算剖面选择和地层概化的要求 选择计算剖面时应综合考虑堤身、堤基的工程地质和水文地质条件，取有代表性的、结果偏于安全的剖面进行渗流计算对洪水期发生过较大险情的地段应重点考虑 由于工程水文地质条件的复杂性， 在进行渗流计算时往往需要对地质剖面进行概化 概化的原则是，在满足计算精度的前提下尽量使地层简单化，以方便计算根据我国河、湖堤防堤基的实际情况，可以降低方地基改换为三种类型：单层透水堤基、双层透水堤基和多层堤基 4.3 渗流计算方法渗流计算方法 4.3.1 数值计算方法数值计算方法 常用的渗流场数值计算方法有两种，即有限单元法和有限差分法，以有限单元法最为-3- 常用。
这种方法的优点是：能够适应各种复杂的工程地质条件，不需要对地层进行太多的简化，计算精度高，速度快，比模型试验省时身力 殷建华[5]利用有限元法，模拟了管涌区长度和渗流性对堤身渗流的影响，发现如果管涌区越长和渗透系数越大，流向或流入管涌区的水量就越多由于渗流速度的增大，作用在土颗粒上的作用力就越大，从而导致管涌区范围的增大和渗透性的提高 谢红、张家发[6]通过数值模拟分析了心墙堆石坝坝体、坝基河两岸山体的渗流分布规律和防渗帷幕的作用效果 结合有关渗透稳定性试验成果， 对坝体及坝基的渗流状态作了初步的分析和评价，提出了相应的渗流控制措施 Peter[7]第一次提出了管涌的随机特性，分析了密西西比河和多瑙河的渗流通道，得出了管涌发生的概率与距离堤脚的距离大致成指数递减的结论 朱伟[8]结合日本阿武隈川地基渗漏防治工程中遇到的问题， 应用有限元饱和-非饱和渗流解析， 对地基渗透破坏发生机制及其影响因素作了分析和讨论 认为地基渗透破坏的发生与否、强度与地基条件、地下水条件、洪水条件、降雨条件密切相关 陈东平[9]运用实测资料对江边距的地下水位及外江水位进行数理分析，运用多元回归理论， 借助计算机进行统计分析， 提出了计算江边距与地下水位关系的经验公式和计算了防治管涌堆土高度。
李守德[10] 基于对基坑渗流场特性的分析研究， 提出使用有限元迭代搜索方法模拟基坑工程管涌发生过程， 对搜索条件等问题进行了探讨 使用数值方法分析了土坝管涌发展过程的渗流场时空分布特性；揭示了管涌发展过程中渗透力集中状况及其变化规律 唐益群[11]应用有限元对流土通道边界条件进行了分析， 考虑地下水管状渗流与渗流介质的相互作用以及由此引起地下水渗流的变化， 建立关于流土破坏的有限元数值模拟的解决方法 张我华[12]等分析了管涌发生的过程和影响管涌发生的因素， 提出了一种预测判定管涌发生可能性的机理模型，建立了管涌发生的人工智能方法 4.3.2 模型试验方法模型试验方法 渗流场的模型试验方法主要有砂槽模型方法和电模拟方法两种类型 电模拟方法又分导电介质方法 （导电液或导电纸等） 和电阻网络方法 但与数值计算方法相比， 相对费时费力 Bligh[13]最早用试验的方法研究管涌的发生、发展过程，并用来防治堤坝的渗透破坏 Lan[14] 发展了另外一种经验性方法来研究堤坝的管涌破坏 Turnbull 和 Mansur[15][16] 在美国陆军工程师经验的基础上，总结了洪水造成的堤防渗透破坏的类型，以及相应的防治方法。
Terzaghi[17]通过尺寸模型试验观察到了导致管涌的两个过程—表层下的侵蚀和体检的隆起建议必须对这种现象进行安全验证他还观察到了桶状容器的一边的砂拱，得出当砂层的厚度是容器厚度的 1/3 时砂拱完全发展的结论 Skempton和 Brogan[18]对两种内部不稳定土进行试验模拟了管涌发生的现象在水头梯度较小时，渗流速度与之成正比，符合Darcy渗流定律随着水头梯度和渗流强度的增大，细小颗粒开始起动，并被冲出土体，这时土的透水性增强，渗流速度迅速增大，从而使较大-4- 的颗粒起动，土体的透水性增强达到临界水头后，土颗粒完全重新调整这种调整通常导致孔隙率加大，渗透性提高 林志[19]通过模型试验和有限元结合得到了管涌发展程度和水头差之间的关系，求出使管涌通道到达平衡时的最大水头差，认为管涌通道的最大平衡长度等于渗径的 40%～50% 张家发[20]通过砂槽模型模拟了渗透变形发生和扩展过程，说明了悬挂式防渗墙渗流控制效果不显著这一已有的结论， 另一方面说明了悬挂式防渗墙在一定条件下对险情的扩展可以起到控制作用 Ojha .C.S.P. [21]通过试验得出发生管涌破坏的临界水头依赖于结构物的尺寸、土的性质和水力条件。
渗透性强的土对临界水头的尺寸的影响要比渗透性弱的土低 同时建立了依赖于临界流速的模型来预测临界水头，试验结果表明比Terzaghi的模型要好 沙金煊[22]根据电模拟试验得到的渗流场图形，作了合理的简化和假设，并引入了附加阻力后，推导了堤坝下游减压井到三维渗流计算的一个近似解 刘忠玉[23]等通过对骨架孔隙中细颗粒的受力分析，建立了描述无粘性土中管管涌发生、发展的毛管模型 通过分析得到了可动颗粒起动的临界水头梯度公式和考虑细颗粒流失的渗透系数公式 周红星[24]等利用砂槽模拟北江大堤双层堤基，研究二元堤基表层若透水层对管涌破坏变形的影响， 提出。