堤防渗流

堤防渗流

渗透破坏往往始于土体渗透变形，也就是土体结构在渗流作用下先发生土粒移动或土块浮动等变形现象，而后发展到完全丧失抗渗能力。这一过程受到渗透水流和土体自身性状两方面因素控制。堤防在一年的运行中，渗流压力在汛期达到顶点，形成最不利的外界条件。土体自身性状则比较复杂，受土的矿物成分、颗粒组成、密实程度等多方面的影响，不同的土层具有不同的渗透性，而不同渗透性的土层位置和分布，对堤防整体的抗渗能力也有很大的影响。

图1 汛期堤防渗流场分布

(a)枯水期堤防渗流分布；(b)单层(均质)地基；

(c)二元结构地基

图l(a)是非汛期堤防内渗流的情况，此时堤后地表完全不受渗流影响。图1(b)、(c)是汛期江水位居高不下时，某些堤段的渗流场分布情况，从该等势线图(在一条等势线上，各点的测压水位在同一水平面上)可以看到，此时堤防背水侧从坡脚到堤后地表，均形成了渗流的出逸面。这种状态在汛

期常常可以看到。汛期的外江水位是否会导致堤内渗水出逸，并是否因此会酿成大的险情，主要受几个关键因素控制：首先是堤身与地基的渗透性。它决定土体遇水后从非饱和状态到饱和状态发展的时间长短，以及堤段渗透水量的大小。在多层地基中，渗透系数越低的土层，对渗水的阻力越大，承受的水力比降越高。第二个关键因素是渗水出逸处土体承受的水力比降，称为出逸比降。在渗流作用下，土体的渗透变形都发生在有渗流出口的地方，然后才向内部扩展，所以作用在出口处的出逸比降非常关键，它影响到口部位的土体是否起动、变形。第三个关键因素是土体能够承受的不会发生渗透变形的最大水力比降，称为临界比降Jcr它被用来表示土体的抗渗强度。对不同的土质和不同的土体结构，其值是不同的。当堤防出口处的出逸比降值超过土体抗渗强度时，土体就会发生渗透变形。土的渗透变形的形式有多种，主要有二：一是流土，二是管涌。前者是出口处土体整体浮动的现象，后者则是土颗粒在土体内的移动。这两者的形式虽然有所不同，但其基本原因是近似的，都是渗流力超过土的浮容重引起的，习惯上均称为“管涌”。当J＜Jcr时，土体保持渗透稳定；当J≥Jcr时，土体从平衡临界状态到渗透变形或破坏。J是土体实际承受的出逸比降，Jcr是出口处土体的临界比降。J会随着时间和水位变化而变化。

出逸比降可用流网法或有限元法计算得到：

J＝[(hn-1－hn)/(△Ln)]＝△hn/△Ln

( 1)

式中符号的含义可见图2，其中△Ln为两等势线间水流的平均流程。土体的允许比降可通过试验方法或经验公式得到。在实际工程中，土中的比降不允许采用达到极限平衡状态时的临界比降值，一般认为应给以1.5～3.0左右的安全系数，这样所得的值即为允许比降[J]。对于中小工程，无粘性土的抗渗指标可参照表1选取。

表1

无粘性土允许比降经验值

允

许

比

降渗透变形形式

流土型

过渡型管涌型

Cu〈3 Cu=3～5 Cu〉5 级配连续级配不连续

J允0.25～

0.35 0.35～

0.50 0.50～0.80 0.25～0.40 0.15～

0.25 0.10～0.15

注Cu为土的不均匀系数。

图2 粘土堤坝下透水基础的流网分布

对于粘性土的抗渗强度，可按照扎马林公式求得：

Jcr＝(Gs－1)(1－n)＋0.5n

[J]＝Jcr/k

( 2)

式中：[J]为允许比降；Gs为土粒比重；n为孔隙率；k 为安全系数。

联系到堤防工程，汛期江水位逐渐升高时，堤防土体内的饱和区域逐渐向非饱和区域发展，浸润面也逐渐升高、后

移。当饱和区的发展快于江水由上升至回落的速度时，堤后就会形成出逸面，出逸比降也会随江水继续升高而逐渐增大。这时就出现了渗流作用(出逸比降)与土体抗渗能力(临界比降)之间的抗衡。一旦出逸比降接近和超过了土体临界比降，就会引发各种渗透破坏的征兆，如不及时处理就会酿成更大的险情。这就是汛期江水位越高，历时越长，险情就发生得越多、越重的渗流方面的原因。

了解了堤防渗流的原理和渗透破坏的控制性因素，有助于我们正确地处理渗透破坏险情。