浅析水利工程中水的运动规律及渗流相关工程问题(2)

破坏根据土体的颗粒组成、颗粒级配，填筑密实度的不均匀以及其它成因类型主要可分为流土或流砂、管涌、接触冲刷、接触流土等四种形式。在实际的情况发生中如果有的坝堤身壤土为粉细砂、砂壤土或存在孔洞、裂缝等，就会受到渗透破坏而产生散浸、脱坡、漏洞、跌窝等情况。如果坝基的透水情较强，水在压力作用下很多易从砂层、砂壤土层快速渗透，对坝基产生破坏。

总的说来，渗透破坏分坝身和坝基两大类共四种，然而表现特征则相当多。坝身渗透破坏的表现形式包括三种类型：堤坡冲刷、漏洞和集中渗流造成的接触冲刷。而坝基的破坏形式则表现为泡泉、沙沸、土层隆起、浮动、膨胀、断裂等[4]。 1）流土或者流砂

在土体中当水的渗流方向与重力方向相反时，渗透作用会使土体重力减小，在上升的水流作用下，表层土体在局部范围内出现土体表面隆起、顶穿，或者土颗粒群同时因浮动而流失的现象称为流土。

在粉细砂及粉土等粘性土体中，当水力梯度达到一定值后，渗流逸出点附近表面出现隆起变形，并可能出现砂沸现象，从而使地基产生破坏。 2）管涌

在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，并最后流失，随着时间的推移土中的细颗粒不断被带走，孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，进而较粗的颗粒也相继被水流带走，最终使土体在内部产生贯通的渗流管道，造成土体塌陷。 3）接触冲刷

土体中的水沿着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，细颗粒沿接触面被带走的现象。接触冲刷主要发生在闸坝地下轮廓线与地基土的接触面，双层地层的接触面以及坝内埋管时管道与周围介质的接触面或钢性与柔性介质界面等部位。 4）接触流土

当渗流沿着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，细颗粒沿接触面被带走的现象。这种类型的渗透破坏主要发生于涵闸、堤坝的地下轮廓线与上部地基土的接触带，双层及多层

岩土体的地层接触面以及堤坝内有埋管时管道与周围介质土体的接触面以及钢性与柔性介质接触面等部位。 4.2地基土渗透破坏类型判别

由于土的特性对渗透变形形式有很大关系，故可以根据土的特性为标准在水利工程中用来判别渗透变形的两种破坏形式，对于粘性土，具体标准可归纳为以下几点[5]：

① 粘性土和不均匀系数Cu<10的匀粒砂或Cu>10但填料含量大于35%（正常级配）的砂砾石土，其主要破坏形式为流土；

②正常级配（Cu>10，Cc=1~3）的砂砾石土，当其不均匀系数Cu>10填料含量小于30%时，其破坏形式为管涌；

③缺乏中间粒径（不连续或中断级配）的砂砾石土，当填料含量小于20%时，其破坏形式为管涌，而填料含量大于30%时则为流土。

而非粘性土的渗透变形类型判别，引用前苏联学者B.C.伊斯托明娜1957年试验研究成果认为：当土的Cu≤10时，将产生流土破坏；当Cu≥20时，将产生管涌破坏；当10＜Cu＜20时，既可产生流土破坏，也可产生管涌破坏[6]。

国内许多学者证实了上诉判别方法在国内的适用性，而齐俊修[6]

等在统计分析了48个工程472个样中所有不均匀系数Cu≤10 的无黏性土渗透变形试验结果时发现，其中的碎砾石土的渗透变形类型为管涌；砂土的渗透变形类型为流土。进一步从Cu≤5 的无黏性土的颗粒级配曲线特征、渗透变形机制分析论证了Cu≤5 的碎砾石土渗透变形类型应为管涌。

另外，根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287—99）附录M“土的渗透变形判别”，水库坝基渗透变形类型按土的细粒含量采用下列公式判别：

1?100% 4(11?n)?100% Ⅱ.管涌：pc?4(1?n)Ⅰ.流土：pc?式中: Pc为土的细粒颗粒含量，以质量百分率计；n为土的孔隙率。

天然的不均匀土层，可以把它视为由粗、细两种直接组成的，直径大一些的作为坝土层的骨架，直径比较小的颗粒就作为填料填充到坝当中。由此可见，直径比较小的土粒的含量是影响坝土体渗透性和

渗透变形的最主要因素。一些学者认为，土粒的直径在2 mm以下的可以被称之为细小土粒，如果细小的土粒在土石坝中占总含量的35%以上，就很容易产生流土。但是，如果细土颗粒少于25%又容易产生管涌。所以，把细土颗粒的含量控制在25%～35%之间是预防和控制土石坝渗透变形的关键所在[7]。

5.渗透稳定分析计算

5.1计算断面的确定

计算断面的选取是根据工程地质勘探和土工试验结果，结合地形条件、坝堤险工弱段、坝体结构、坝体高度和填筑材料等，选取典型断面进行稳定计算，所选断面应为代表性较好的断面。 5.2计算原理

采用理正岩土渗流分析计算软件，适用于各种坝的二维稳定和非稳定渗流计算，该程序利用有限元法求解渗流场的拉普拉斯方程如下

[8]

：

?2H?2HKx?Ky?0

?X2?Y2式中 H?Y?P——为水压力；

P——为渗流场的水头函数； yKx、Ky——分别为ｘ、ｙ 方向的渗透系数；

该软件可计算直接得出水头分布和渗流量，并自动绘出浸润线和等水头线。

5.3计算工况及相关参数

根据相关规定，渗流分析包括以下5种工况: 1) 工况Ⅰ: 上游校核洪水位+下游相应的最低水位。 2) 工况Ⅱ: 上游设计洪水位+下游相应的最低水位。 3) 工况Ⅲ: 上游正常水位+下游相应的最低水位。

4) 工况Ⅳ: 上游校核洪水位至死水位+下游相应的最低水位。 5) 工况Ⅴ: 上游死水位+下游相应的最低水位。

大坝填筑体物理力学参数建议值，需考虑坝体填筑料的不均匀性，根据地勘专业提供的资料及工程经验类比，选择大坝渗流分析采用的渗透系数。坝体材料参数也可以由室内试验确定。

5.4坝体坝基渗流量计算

坝体坝基渗流量通过单宽渗流量q(m3·d-1)、大坝长度（m）及水库蓄水调度方案等因素确定。根据大坝水库实际的蓄放水情况，先通过单宽流量求得日渗流量，再计算水库总渗流水量Q?q平均?l。单宽流量计算方法如下：

1）不透水地基均质土坝渗流按下式计算。计算简图如图1[9]。

图1 不透水地基均质土坝渗流计算简图

2H12?H0q ?K2(L1?m2?h0)qh0?H2H2?[1?]

m2H2Km2?0.5h0?H2?2(m2?0.5)2L1?L??L

?L?m1H1

2m2?1式中：q为单位宽度渗流量，m3/s·m；K为堤身渗透系数，m/s；H1为上游水位；H2为下游水位；h0为下游出逸点高度；m1为上游坡率；m2为下游坡率。

2）透水地基均质土坝渗流按下式计算。计算简图见图2。

图2 透水地基均质土坝渗流计算简图

q?qD?K0?H1?H2?TL?m1H1?0.88T

式中: qD为不透水地基上求得的相同排水型式的均质土坝单位宽度渗流量，m3/s·m；K0为坝基渗透系数，m/s；H1为上游水位；H2为下游水位；h0为下游出逸点高度;T为堤基厚度；m1为上游坡率；m2为下游坡率。 5.5出逸点渗透比降

1）不透水地基出逸点比降：

J?11?m22

2）透水地基出逸点比降：

J?121?m2(h00.25) y上面两式各符号含义同5.4节。 5.6渗透稳定验算

渗透稳定验算首先要进行渗透变形类型判别，计算按照4.2节中所提及的以细粒含量Pc值与

1的关系分析判断渗透变形类型的4(1?n)方法进行。土的细粒含量可按下述方法确定：不连续级配的土，级配曲线中至少有一个以上的粒径级的颗粒含量小于或等于3％的平缓段，粗细粒的区分粒径df以平缓段粒径级的最大和最小粒径的平均粒

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