堤坝渗流分析

堤坝渗流分析
摘要：堤坝渗流分析与防渗技术处理是堤坝除险加固的重要。

渗透破坏在堤坝工程中非常普遍，要做好渗透破坏的除险加固工作，就要摸清险情，对症下药。

首先要了解渗透破坏的类型并进行成因分析，然后根据渗流控制原则和具体的工程地质条件，选择经济合理的除险措施，最后按所选的防渗技术进行精心施工，达到根除渗透破坏的目的。

本文概述了堤坝渗流的危害、理论发展、主要计算方法、渗流分析的基础理论以及具体的防渗加固措施，并对不同的防渗处理方法的利弊作简要分析探讨，最后以莆田市近几年来水库土石坝防渗除险加固为实例，具体分析大坝渗流产生原因和采取防渗措施以及工程处理后的实际效果，总结土石坝防渗处理方法选择的一般性规律，供后期同类水库堤坝除险加固参考。

关键词：堤坝；渗流理论；防渗加固措施
Abstract: the dam seepage analysis and seepage control technology is an important dyke reinforcement. Seepage in dam construction is very common, to do a good job in seepage reinforcement work, will be out of danger, an antidote against the disease. We must first understand the type of seepage failure and cause analysis, and then according to the principles and specific engineering geological conditions of seepage control, selection of rational treatment, anti-seepage technique by the selected carefully construction, seepage failure to eradicate.
This paper summarizes the measures for strengthening the basic theory analysis of dam seepage hazards, theory development, the main calculation method, seepage and seepage of concrete, and the advantages and disadvantages of different anti-seepage processing method are briefly discussed, and finally to Putian city in recent years the reservoir dam anti-seepage reinforcement as an example, the analysis of dam seepage generated the reason and the actual effect of anti-seepage measure and engineering treatment, summed up the general law of seepage prevention treatment method of choice, for later similar reservoir dam reinforcement reference.
Keywords: dam; seepage theory of seepage prevention and reinforcement measures;
引言：
只要堤坝的临水侧和背水侧存在水头差，堤坝就会产生渗流，渗流分正常渗流和有害渗流，有害渗流产生渗透破坏，据统计，由渗透破坏造成的险情约占堤坝险情总数的60%以上，是堤坝工程中最普遍且难以治愈的心腹之患。

关于堤坝的渗流问题，中国学者主要集中于渗透破坏模式和土颗粒组成之间的相互关系。

在渗透稳定分析中，有限元渗流计算结果应结合渗流比降与土体抗渗特性之间的关系进行分析。

对于堤坝的渗流控制，应遵循“前堵、中截、后排”的原则。

在堤
坝除险加固工程中，防渗处理方案的选择，具体取决于防渗技术的功能性、可实施性、经济性、环境和安全性。

因此，为了保证堤坝运行安全，对堤坝渗流进行安全检测并进行认真细致的分析，然后选择经济合理的防渗措施尤为重要。

1堤坝渗流概述
1.1堤坝渗流的危害
堤坝以及水库有部分建造在软土地基上，尤其是土石坝的筑坝土与坝基土渗透系数较大，必须进行渗流分析和采取正确的防渗措施，否则会造成坝身、坝基渗漏过大，危及工程的安全。

渗流产生的危害主要有：
①堤坝渗流过大，损失水库蓄水量。

一般来说，水库坝身、坝基透水性比较强。

如果防渗不当，堤坝挡水后，由于上、下游水位差的作用，渗水将从上游经坝体和坝基的颗粒孔隙向下游渗透，应有的蓄水量减少，工程效益降低，甚至导致水库无法蓄水的现象，并引发水库周围土地沼泽化，污染环境。

②浸润线过高，影响坝体稳定。

严重的坝身和坝基渗漏，常会导致坝身浸润线抬高，使下游坝坡出现散浸现象，降低坝体的抗剪强度，甚至造成坝体滑坡。

③渗透比降超临界，产生渗透破坏。

在坝身或坝基发生渗流时，若渗流的渗透坡降大于临界坡降，将诱使土体发生管涌、流土、接触冲刷、接触流失等渗透变形，甚至产生集中渗漏，导致垮坝失事。

1.2堤坝渗流理论的发展
随着我国水利水电工程建设的迅速发展，水工建筑物的安全性越来越受到重视。

而渗流作用对堤坝的影响不容忽视，所以对渗流理论进行研究并采取正确的防渗处理措施就显得越来越重要。

渗流是一门与水力学和岩土力学有着密切关系的学科，随着近代科学技术的不断发展，渗流在基本理论试验手段、设计方法和应用等方面都得到了极大发展，逐渐成为一门专门的学科，已能觖决各种复杂的工程问题。

理论的发展与研究手段的进步是分不开的，主要表现在两个方面：渗流研究已经比较普遍地使用了现代电子计算技术，发展了数值模拟方法；渗流机理研究的试验手段日益先进。

渗流理论的研究大致经历了三个大的发展阶段：Daxcy定律的出现，20世纪石油工业的崛起极大地推动了渗流力学的发展;随着相关科学技术的发展，如高性能计算机的出现，核磁共振、CT扫描成像以及其它先进试验方法用于渗流，又将渗流理论研究大大推进了一步;近年来，随着非线性力学的发展，将分叉、混沌以及分形理论用于渗流，其它诸如格气模型的建立等等，更使渗流力学的发展进入一个全新的阶段。

1.3堤坝渗流计算的主要方法
堤坝渗流计算可采用理论解法、数值解法、流网法。

（1）渗流的理论计算方法。

堤坝渗流的理论分析方法有流体力学法和水力学法两类。

流体力学是根据已知的定解条件，如初始条件和边界条件，求解渗流的基本微分方程，得到精确的渗流要素（包括流速、比降和渗透压力）。

此法立论严谨，计算成果精确，但不适用于边界条件复杂的实际工程。

水力学法为一种近似的解析法，其前提条件的基本假设为渗透系数K在相同或近似相同的土料中条向同性；坝体内部渗流为层流，符合达西定律V=KJ；坝体内部渗流为渐变流，渗流场中任意过水断面各点的水平流速和比降都是相等。

这种方法不能精确求出任一点的水力要素。

但其确定的浸润线、平均流速、平均比降和渗流量满足（Ⅲ-Ⅴ级）土石坝工程的精度要求。

水力学法的基本思路是把坝内渗流区域划分为若干段，建立各段水流的运动方程式，并根据渗流的连续性原理解渗流要素和浸润线。

坝体计算方法分为不透水地基均质坝的渗流计算、有限深度透水地基土石坝的渗流计算、没有截水墙的斜墙坝渗流计算、没有水平铺盖的斜墙坝渗流计算、总渗流量计算。

（2）渗流的数值计算方法。

数值方法分为有限单元法和差分法两种。

应用有限单元法进行渗流计算，首先建立数学模型来描述渗流运动的数学方程式和初始条件、边界条件，然后将研究的渗流区域离散化即在空间上分割为有限个小区域，在时间上划分为若干时段进行计算求解，这样，未知量（水力要素）随空间和时间的变化过程就被模拟出来。

由于描述流体的控制方程是二阶非线性的，精确解只适合于高度简化的理想情况。

在非稳定渗流中，渗流自由面随时间而变化，渗流场的形状和边界条件也较复杂，且不同程度的具有非均质各向异性的特点。

特别是根据不同情况改变任意单元的形状和大小时，有限单元法更能体现出其优越性。

有限单元法是目前解决复杂渗流问题的最有效方法，对ⅠⅡ级坝和高坝应采用数值法计算渗流场的要素。

（3）流网法：在稳定渗流的情况下，渗流场中还存在着许多势能相等的点，把它们连接起来构成的曲线，称为等势线。

渗流场内由这两束线构成的网格，称为流网。

用手工绘制流网，利用流网求解平面渗流问题的水力要素，也可用来解决较复杂的边界问题。

2渗流分析的基础理论
水或其它流体在岩土等孔隙或裂隙介质中的流动，可以统称为渗流，其流动的性质取决于作为渗流骨架的岩土性质与其流体的性质。

多孔介质中的地下水运动，包括两大类，运动特点各不相同，分别满足于孔隙水和裂隙岩溶水的特点。

第一类为地下水在多孔介质的孔隙或遍布于介质中的裂隙运动，具有统一的流场，运动方向基本一致；另一类为地下水沿大裂隙和管道的运动，方向没有规律，
分属不同的地下水流动系统。

2.1达西定律
达西定律是反映水在岩土孔隙中渗流规律的实验定律。

地下水在土体孔隙中渗透时，由于渗透阻力的作用，沿程必然伴随着能量的损失。

达西定律（1856年）表达式：Q=KAJ=KA(H1-H2)/L, V=Q/A=KJ
其中:
Q——渗透流量，亦即通过过水断面A的流量(m3/d)；
V——渗流速度（cm/s）
K——多孔介质的渗透系数(m/d)；
A——过水断面面积(m2) ；
H1、H2——上、下游过水断面的水头(m)；
L——渗透途径(m)；
J——水力梯度（J = (H1-H2)/L），等于两个计算断面之间的水头差除以渗透途径，亦即渗透路径中单位长度上的水头损失。

（2）在实际的地下水流中，水力坡度往往是各处不同，此时达西定律的微分形式：V=KJ=-KdH/dn, 式中：-dH/dn——水力坡度（水力比降）。

Ｖx＝－KdH/dx，Vy=－ＫdH/dy，Vz=－ＫdH/dz
（3）达西定律的矢量形式：＝Ｖx＋Ｖy＋Ｖz
（4）适用范围：Re1—10，P.Forchheimer(1901)公式：J=aV+bV2或J=aV+bVm公式中的a、b由实验确定的常数，1.6≤m≤2 。

②当a=0时，有chezy公式：V=KcJ1/2
. ③Ward(1964)公式：J= V+V2 ，式中K=d2/360, 其中d2是颗粒直径。

（2）渗流连续性方程
①定义：由于渗流场中各点的渗流速度大小、方向不同，在各向异性含水介质中取一微小立方体，以这个微小立方体的多孔介质为均衡体，以△t为均衡时段，建立其质量守恒方程，即渗流连续性方程。

②非稳定流的渗流连续方程：
-[++]△x△y△z=
此式表达了渗流区内任何一个“局部”所必须满足的质量守恒定律，又称为质量守恒方程。

③稳定流的渗流连续性方程：
div(v)= ++=0，此式表明了在同一时间内流入单元体的水体积等于流出的水体积，即体积守恒。

④连续性方程是研究地下水运动的基本方程，各种研究地下水运动的微分方程都根据连续性方程和反映质量守恒定律的方程建立起来的。

（9）劈裂灌浆。

适用于坝体质量普遍不好，坝后坡有大面积散浸或多处明漏，问题性质和部位不能完全确定的隐患。

适应于均质土及土砂坝基，不适应于粗砂及卵砾石坝基。

劈裂灌浆通过钻孔用压力粘性土泥浆沿坝轴线方向有控制地劈开坝体，灌注泥浆，充填集中漏水通道，并使浆坝互压，最后形成10～50cm 厚的连续整体泥墙，同时泥浆使坝体湿化，产生沉陷，增加坝体的密实度。

优点：可以就地取材，施工简便，工期短，投资省，效果显著。

缺点：施工时节受到限制，在雨季及库水位较高时，不宜进行灌浆，施工工艺要求高，难掌握。

（10）倒挂井防渗墙。

它是利用在坝轴线上游1～2m处，沿轴线分成若干个井组，每个井组有4孔，每个孔互相搭接，井内回填混凝土或粘土，构成整体防渗墙。

优点：单井施工，利用圆井土拱作用，土压力小，施工安全度高，同时单井工程量小，相应设备易解决。

缺点：由于防渗墙接缝多，副井开挖时，要凿除主井接触部混凝土表面，以利新老混凝土结合，施工比较困难，影响进度，难以保证质量。

（11）深层搅拌连续防渗墙。

此方法是运用特制的多头直径深层搅拌桩机把水泥浆喷入土体并搅拌形成一道具有防渗效果的水泥土墙。

土体中喷入水泥浆经搅拌后，水泥和土在固化过程中产生水泥的水解和水化反应、离子交换与团粒化反应、硬凝反应和石灰硬化反应，从而形成具有一定强度和防渗能力的水泥土。

主要适用于黏土、淤泥、砂土、含少量砾石的砂砾层。

优点：适用地层范围广，成墙均匀、连续性好，不需开槽，施工工效高，工程造价低。

缺点：处理深度较小，且在深度较大时钻孔不易监测和控制，墙体下部质量难以检测。

（12）振动沉模防渗墙。

它是利用强力振动原理将空腹模板沉入土中，向空腹内注满浆液，边振动边拔模，浆液留于槽孔中形成单块板墙，将单板连接起来，形成连续的防渗墙帷幕。

该项技术主要用于砂、砂性土、粘性土、淤泥质土及砂砾石地层建造混凝土连续防渗墙，造墙深度可达20m左右，厚度8～25cm，最厚可达30cm。

优点：技术先进，质量可靠，工效高，工程造价低，工艺简单，易于操作，设备性能稳定，机械化程度高。

缺点：对卵石含量高的厚地层沉入困难，不能沉入基岩和大块石中，造墙深度尚不能超过25m。

（13）造槽防渗墙。

机械造槽防渗墙是利用专用的造槽机械营造槽孔，并在槽孔内注满泥浆，以防孔壁坍塌，最后用导管在注满泥浆的槽孔中浇注混凝土并置换出泥浆，筑成墙体。

机构造槽防渗墙较适用于砂、土和直径小于10mm的砂砾石层基础，不适用于基岩和大块石基础。

优点是质量可靠经久，缺点是机械化程度要求较高，造价也偏高。

4渗流监测及评价
4.1堤坝安全监测的概述
（1）国际上大坝安全监测的发展
大坝安全监测是一门新兴的边缘技术学科。

20世纪70年代以前称为大坝原型观测，当时原型观测的主要目的是研究大坝的实际变形、温度和应力状态，其重点在于验证设计，改进坝工理论。

伴随着上世纪30到70年代世界各国的筑坝高潮，大坝失事的事件时有发生，大坝观测由原先主要为设计、施工、科研技术项目的服务，进而发展成为监视大坝的安全运行这个关系到社会公共安全的一个不容忽视的重要事业。

70年代以来，各国均致力于大坝监测技术的发展，各类新型的监测仪大量涌现，大坝安全监测的理论和方法不断完善。

随着现代科学技术的进步，大坝安全监测和管理的自动化、现代化也获得了空前的进展。

（2）我国大坝安全监测的发展
同国际上大坝监测领域的发展进程相类似，我国从20世纪50年代起开始了大坝原型观测的研究和应用，也经历了一个从注重大坝的微观观测到关注宏观监测的发展过程。

国内刚开始的大坝观测工作，正处于国际社会加强大坝性态研究的高潮时期。

我国首先实施的是内部观测的自动化，先后于1980年和1983年在龚嘴和葛洲坝安装了大坝内部参数自动采集装置，其数据处理和安全管理功能很弱。

到1990年国电自动化研究院根据国家“七五”科技项目的要求，研制成功第一套软硬件齐全的自动化大坝安全监测系统，并通过工程的大量应用不断改进和完善。

90年代中后期，大坝安全监测自动化技术在我国得到了快速的发展，它标志着大坝安全监测自动化技术已成熟，并且有广阔的应用前景。

目前采用的大坝安全自动监测系统按采集方式粗略地分为三类：即集中式、分布式和混合式，各自有优缺点和适用范围。

4.2堤坝渗流监测的内容和方法
（1）内容：渗流安全在堤坝安全中有着十分重要的地位，渗流监测是大坝安全监测的重要组成部分。

渗流监测的内容概括为：绕坝渗流及地下水位监测、浸润线及孔隙压力监测、扬压力及渗水压力等。

不同的监测项目，观测点的位置和布置不同，监测系统的设计应结合工程的实际情况，合理安排测点的布置。

（2）方法：堤坝渗流监测的方法包括巡视检查和仪器监测。

巡视检查分为日常巡视检查、年度巡视检查和特别巡视检查三类。

仪器监测法分为测压管法、孔隙压力计法、量水堰法、容积法、透明度法等。

①测压管：是观测渗流的传统方法，但实践证明，由于滞后时间较长，只有在渗透系数K＞10-3Lm/s的岩石或土壤中才能获得较好的效果。

观测测压管中水位或水压力方法有：电测水位器、测响锤、示数水位器、压气U形管、遥测水位仪、压力表、压差计等。

②孔隙压力计：适用于各种渗流水位、水压力以及孔隙水压力的观测。

一般没有滞后现象，能反映测点的实际情况下，土坝或混凝土坝采用都很适宜。

分为差动电阻式、钢弦式、充气式等三种形式。

③量水堰：一般是观测堰上水头然后换算成渗流量。

观测方式有：水尺法、遥测法。

④容积法：一种是利用干、湿棉絮的重量差和浸湿时间可求出渗流量。

另一种是容器截水法：利用容器集水并记录时间求算流量，要求集水时间不得小于10秒。

⑤透明度法：先制作一块5号汉语拼音铅字底板，置于透明度管底下4cm 处，将水样摇匀后注入管内；从管口通过水样观看铅印字体，如看不清即打开阀门放水，直至看清字样为止；从管壁刻度读出水柱高度，即为渗水透明度，大于30cm为清水，愈小说明愈浑浊，应固定专人操作。

每次观测要在同等光亮下进行，但应避免阳光照射字板，上述观测应重复两次，差值不应大于±1cm。

4.3监测资料整编分析
监测资料应及时进行整编分析，以便通过监测资料及时了解大坝的性状，为大坝渗流安全评价提供基本资料。

进行资料整理时，一般要绘制以下几种曲线：过程线、相关线、分布图等。

5小王水库堤坝渗流与防渗技术分析
5.1小王水库概况
将乐县小王水库位于将乐县池湖溪上游的小王溪支流，工程所在地系将乐县小王村，由大坝、溢洪道、电站和左右干渠组成。

该水库于1976年开工建设，1985年竣工验收，是一座以灌溉、防洪、发电、供水等综合利用的重要中型水库。

小王水库控制流域面积39.7平方公里，河道长10.7km，河道平均坡降22‰，库区正常水位278.35米时，库容量为1360万立方米，主坝长216米，宽6.0米，最大坝高29.4米，坝顶高程280.4米（罗零高程），小王灌区设计灌溉面积0.97万亩，枢纽工程由拦河坝、放水系统、溢洪道等组成，拦河坝坝型为粘土心墙坝。

水库建成后发现主坝左岸严重漏水，随之进行处理，除堵塞的白蚁洞已停止漏水外，其他漏水现象未彻底根治，1990年后又对主坝左岸桩号0+060到0+145范围做灌浆处理，处理后，漏水量明显减少，数年后有所增加，水库处于带病运行状态。

5.2问题产生原因
主坝存在三处漏水，影响坝体安全。

第一处，位于左岸坝端；第二处，位于右岸坝段0+110～0+145，长约35m，沿断层带和破碎的岩脉渗漏是其漏水的主要途径；第三处，位于主河床段，桩号为0+060～0+118，坝基节理密集带和破碎的岩脉以及坝内涵管的伸缩缝为主要漏水途径。

5.3问题解决措施
工程运行20余年，主坝渗水问题多次进行处理，但始终得不到彻底解决，2008年12月对该水库投入1049万元进行除险加固处理，针对主坝渗漏原因复杂性，对坝体及坝基防渗提出二个方案进行比较选择。

第一方案：灌浆方案；第二方案：土工膜防渗结合坝基帷幕灌浆处理。

从直接费投资上作比较，第一方案比第二方案节约186万元；从工期和合理性上比较，第一方案可以在水库不放空情况下施工，且施工期短，第二方案必须放空水库，水库将无法供水灌溉，施工时也无法导流。

通过方案比较，最后选择第一方案灌浆处理为主坝除险加固方案。

根据小王水库大坝漏水原因分析及物探结论，考虑以前灌浆浆液有可能产生干缩等原因，从桩号0+030～0+108、0+115～0+185在坝顶布设二排灌浆孔，其余坝段在坝顶布设一排灌浆孔。

双排孔排距2.5m，孔距3.0m，一排孔孔距3.0m，第一排孔距防浪墙内边缘1.2m，第二排孔距第一排孔2.5m。

全坝段共布设188孔，孔底深入相对隔水层5～8m，每孔深度为8.5～37.5m，灌浆钻孔共4652m，其中钻进基础为1445m，2010年工程竣工决算790万元。

5.4工程经济效益
小王水库除险加固工程完成后可提高大坝安全系数，使水库提高到正常蓄水位运行，每年可多蓄水量200多万m3，为水库增加直接经济效益约30万元。

并能更有效地保护大坝下游近1万多人民生命财产安全，具有显著的社会效益。

结论与展望
随着我国水利水电建设的快速发展，众多的堤坝建设被提上了日程，渗流和渗透控制是堤坝工程的一项极其重要课题，直接关系到工程的安全和投资。

同时，做好堤坝渗流监测，进行渗流分析，合理选择堤坝防渗处理方案是堤坝除险加固的重中之重。

总结我市近年来的水库除险加固工程经验，提出以下几点建议仅供参考。

（1）分析利弊，择优选择防渗方案。

不同的方案在资金、防渗效果、技术条件、施工条件等方面各有利弊，必须深入分析，认真比较，才能扬长避短，合理选择。

（2）结合坝体和坝基实际情况选择。

在方案设计和审查、审批过程中，要按不同类型的水库大坝、不同性质的病险情况，区别对待，对症下药，才能收到好的效果。

（3）注重安全监测，加强工程管理。

无论采用何种工程防渗措施，虽能收到一定的效果，但并非一劳永逸，因此，堤坝除险加固后，仍要加强堤坝安全检测，加强工程运行管理，确保堤坝正常运行。

参考文献
[1]王英华，陈晓东，叶兴.水工建筑物.北京：中国水利水电出版社，2004（2009重印）.
[2]关锦荣.土坝下游浸润线逸出点上移的危害及除险加固对策.福州：水利科技，2009，（4）.
[3]肖长来.渗流理论基础.吉林大学环境与资源学院，2006-3.
[4]邱集照.小型水库土石坝防渗处理方案选择.福州：水利科技，2010，（3）.。