渗流分析方法与渗透变形防治要点

渗流分析是水利水电工程设计中的重要基础工作，涉及土石坝和闸基两个主要应用场景。渗流分析的主要工作包括确定浸润线的位置、确定渗流的主要参数（渗流流速与坡降）以及确定渗流量。本文系统梳理土石坝与闸基的渗流分析方法、渗透系数的测定与计算、渗透变形的四种基本形式及其工程防治措施。

一、土石坝的渗流分析

土石坝渗流分析的方法主要有水力学法和流网法两种。

1.1 水力学法

水力学法可以用来近似确定浸润线的位置，计算渗流量、平均流速和坡降。该方法假定坝体内土质是均质的，各方向的渗透系数相同；渗流是层流，符合达西定律，任一铅直线上的流速和水头是常数。

1.2 流网法

流网法是一种图解法，渗流场内由流线和等势线构成的网格称为流网。只要按规定的原则绘制流网，一般可以得到较好的计算精度，适用于任意边界条件。

二、闸基的渗流分析

闸基渗流计算的目的是计算水闸闸基地下轮廓线各点的渗透压力、渗透坡降、渗透流速及渗流量。进行渗流分析的近似方法有多种，包括直线比例法（又称渗径系数法）、直线展开法、加权直线法、柯斯拉独立变数法、巴甫洛夫斯基分段法、丘加也夫阻力系数法、改进阻力系数法、流网法等，其中较为常用的有直线比例法、流网法和改进阻力系数法。

2.1 直线比例法

直线比例法又称渗径系数法，是工程中对堰闸底板所承受的扬压力作粗略估算的一种方法。其特点是计算简捷，但结果精度较低，且不能据此计算其他水力要素，一般只在工程规划和可研阶段使用。

2.2 流网法

流网法在闸基渗流分析中同样适用，是一种在渗流区域内由流线和等势线组成的具有曲线正方形（或矩形）网格的图形解法，一般可以得到较好的计算精度。

2.3 改进阻力系数法

改进阻力系数法是在独立函数法、分段法和阻力系数法等方法的基础上发展起来的一种精度较高的近似计算方法，是我国目前广泛采用的一种计算方法。

三、渗透系数

渗透系数是反映土的渗流特性的一个综合指标。渗透系数的大小主要取决于土的颗粒形状、大小、不均匀系数及水温，一般采用经验法、室内测定法、野外测定法确定。渗透系数 K 的计算公式为：

K = QL / (AH)

式中：Q——实测的流量（m³/s）；A——通过渗流的土样横断面面积（m²）；L——通过渗流的土样高度（m）；H——实测的水头损失（m）。

四、渗透变形与防治

渗透变形又称为渗透破坏，是指在渗透水流的作用下，土体遭受变形或破坏的现象。一般可分为管涌、流土、接触冲刷、接触流失四种基本形式。渗透变形可以单一形式出现，也可以多种形式出现于工程不同部位。

4.1 管涌

在渗流作用下，非黏性土土体内的细小颗粒沿着粗大颗粒间的孔隙通道移动或被渗流带出，致使土层中形成孔道而产生集中涌水的现象称为管涌。

当土体内的渗流速度达到一定数值时，土壤中的细小颗粒将开始悬浮移动，并被水流带走。随着细小颗粒的流失，土壤孔隙将加大，渗流速度也随之增大，继而带走较粗大的土体颗粒。管涌首先从渗流逸出处开始，然后向上游逐步发展。当土体中个体细小粒在渗流作用下开始在孔隙内移动时的水力坡降称为临界坡降；更粗大的土粒开始流动，产生渗流通道、土体表面发生大面积破坏时的水力坡降称为破坏坡降。

管涌一般发生在无黏性砂土、砂砾土的下游坡面和地基渗流的逸出处。对于黏土土料，由于颗粒之间存在黏聚力，渗流不容易把土壤颗粒带走，因此较少发生管涌。

4.2 流土

在渗流作用下，非黏性土土体内的颗粒群同时发生移动的现象，或者黏性土土体发生隆起、断裂和浮动等现象，都称为流土。渗流出口处往往渗透坡降最大，流土现象主要发生在黏性土及较均匀的非黏性土体的渗流出口处。

4.3 接触冲刷与接触流失

接触冲刷是指当渗流沿着两种渗透系数不同的土层接触面或建筑物与地基的接触面流动时，在接触面处的土壤颗粒被冲动而产生的冲刷现象。

接触流失是指在层次分明、渗透系数相差悬殊的两层土中，当渗流垂直于层面时，将渗透系数小的一层中的细颗粒带到渗透系数大的一层中的现象。

从发生部位来看，管涌和流土主要发生在单一结构的土体（地基）中，接触冲刷和接触流失主要发生在多层结构的土体（地基）中。一般来讲，黏性土的渗透变形形式主要是流土。以上四种渗透破坏类型中，最主要的是管涌和流土。

4.4 防止渗透变形的工程措施

防止岩（土）产生渗透变形的工程措施可概括为两大类：

第一类是改善岩土体的结构特性，提高其抵抗渗透变形的能力，使其由可能产生渗透变形的岩（土）体变成为不易产生渗透破坏的岩（土）体。这类措施通常只用在岩体中，可采用水泥灌浆、化学灌浆、混凝土防渗墙、局部置换等方法提高软弱破碎物质的抗渗性，通常和提高断层破碎带、软弱夹层的力学性质相结合进行。

第二类是截断岩（土）体中的渗透水流或减小渗透比降，使其小于允许比降。具体工程措施包括：

• 设置水平与垂直防渗体，增加渗径的长度，降低渗透坡降或截阻渗流。
• 设置排水沟或减压井，以降低下游渗流口处的渗透压力，并且有计划地排除渗水。
• 对有可能发生管涌的地段，铺设反滤层，拦截可能被渗流带走的细小颗粒。
• 对有可能产生流土的地段，增加渗流出口处的盖重，盖重与保护层之间也应铺设反滤层。

4.5 反滤层和过渡层

反滤层的作用是滤土排水，防止在水工建筑物渗流出口处发生渗透变形。在土质防渗体与坝身或与坝基透水层相邻处以及渗流出口处，如不满足反滤要求，都必须设置反滤层。对反滤层的要求是：相邻两层间颗粒较小层土体不能穿过较大层颗粒孔隙；各层内土体颗粒不能发生移动；被保护土壤颗粒不能穿过反滤层；反滤层不能被淤塞而失效；耐久、稳定，在使用期间不会因时间推移和环境变化而改变性质。

过渡层的作用是避免在刚度相差较大的两种土料之间产生急剧变化的变形和应力。反滤层可以起过渡层的作用，而过渡层却不一定能满足反滤要求。在分区坝的防渗体与坝壳之间，根据需要与土料情况可以只设置反滤层，也可以同时设置反滤层和过渡层。

坝的反滤层必须满足：使被保护的土不发生渗透变形；渗透性大于被保护土，能通畅地排出渗透水流；不致被细粒土淤塞而失效。

总结

渗流分析是水利水电工程设计的基础工作，涵盖土石坝和闸基两大场景，常用方法包括水力学法、流网法和改进阻力系数法。渗透系数是反映土体渗流特性的综合指标。渗透变形分为管涌、流土、接触冲刷、接触流失四种基本形式，其中管涌和流土最为主要。防治措施包括改善岩土体结构特性和截断减小渗透水流两大类，反滤层在其中发挥滤土排水的关键作用。