土石坝渗流研究综述

土石坝渗流研究综述（丁树云 蔡正银） 2008年10月http://www.hwcc.com.cn 1日

《人民长江》 编辑：宋志宁

摘要: 渗流和渗透控制是土石坝工程中的一项极其重要的课题，直接关系到工程的安全和投资。许多水工建筑物的失事都与渗流有关。从渗流量计算、渗透变形、渗透控制、渗流的数值模拟和渗透变形试验几个方面总结了国内外的研究现状和成果。认为今后研究重点应放在研制能够测定宽级配料在有围压条件下垂直向、水平向临界水力坡降与渗透系数的设备上，并应开展相应的理论分析。还应该研究建立渗透分析模型，利用其分析散粒体颗粒间受力相互作用发生变形的过程，并确立相应的数值模拟方法。

关 键 词: 渗透变形; 数值模拟; 渗流量计算; 临界水力比降; 土石坝 1 概述

随着我国水利水电建设的快速发展和“西电东输”水电项目的实施，众多高土石坝的建设被提上了日程，特别在深厚覆盖层河谷，地质条件差，地震烈度高，多数坝高较大（尤其200m 以上）的大坝选择或拟选择建土石坝。渗流和渗透控制是土石坝工程中的一项极其重要的课题，直接关系到工程的安全和投资。许多水工建筑物的失事都与渗流有关，例如1964年鲍德温山（Baldwin Hills）坝由于铺盖与基础接触面产生渗透破坏而失事，1976年堤堂（Teton ）坝由于右岸一个窄断层发生渗透破坏，不到6h 就发生了跨坝事故。根据我国对241座大型水库曾发生的1000个工程安全问题所作的统计，其中有37.1%的安全问题是由于渗流引起的。

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、计算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，已能解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:①渗流研究中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;②渗流机理研究的试验手段日益先进。

土石坝是挡水建筑物，它和渗流并存，有土石坝就有渗流，土石坝的发展史也就是渗流理论和渗流控制理论的发展史。本文从渗流基本规律、渗流中的数值模拟计算、渗透特性的试验研究3个方面分析国内有关渗流问题的研究现状。

2 渗流基本规律研究

复杂的渗流问题需要深入认识渗流的机理，对其正确认识是建立完善的数学模型的前提，并有助于为生产实践提出有关的建议。土石坝的渗流问题归根到底主要是3个方面:①渗流计算;②渗透变形;③控制渗流。

2.1 渗流量计算

在土石坝设计和运行管理中，渗流计算常占有重要的位置。设计土石坝时，需要通过渗流计算来确定渗漏损失和合理的防渗排渗措施，而坝和坝型的断面尺寸也经常需要借助渗流计算来比较确定。从理论上讲，土石坝渗流计算是在已知定解条件（初始条件、边界条件）下解渗流基本方程，以求出土石坝渗流场的水头分布，进而计算渗流量和渗流水力坡降等。迄今为止，已有大量文献介绍了建立在透水或不透水地基上的土石坝渗流计算方法。这些方法可概括为流体力学解法和水力学解法两类。流体力学解法是一种严格的解析法，它在满足定解条件下求解渗流基本方程，然后得到解的解析表达式。水力学解法是一种近似的解析法，它基于对土石坝渗流作某些假定以及对局部急变渗流区段应用流体力学解析解的某些成果而求得渗流问题的解答，因此它并不适用于渗流基本方程的求解。近代计算技术的发展和计算机的应用为土石坝渗流计算开辟了新的途径，各种复杂情况下的土石坝渗流都可以在计算机上模拟出来，同时出现了很多用于渗流分析的程序。

2.2 渗透变形

渗透变形是指坝体及坝基中的渗流，由于其机械或化学作用，使土体产生局部破坏。渗透变形的形式与土料性质、土粒级配、水流条件以及防渗、排渗措施等因素有关。粗粒土渗透变形破坏坡降的大小是水利水电工程中需要考虑的问题，我国科学家在总结前人的经验基础上，根据单颗粒水力平衡关系，总结出了管涌的临界水力坡降简化式，国内外一些渗流理论专家根据力学平衡原理，通过理论推导，得出一些管涌和流土的临界水力坡降模型公式。如太沙基模型公式、伊斯托明娜管涌型土的抗渗坡降公式、扎马林模型公式、沙金煊公式、中国水利水电科学研究院公式等，其具体形式在这里不再列举，这些公式都未考虑与级配特征有关的参数。目前的试验研究发现，这些理论公式与实测值之间存在一些差距，在工程中未能得到较好的应用。

有关渗透变形的研究，大多学者是从试验的角度进行的探索。郭爱国［1］ ，朱崇辉［2］ ，刘杰等［3］ 分别从渗透试验中发现随着粗细颗粒级配的不同，土的渗透机理将会发生改变，粗粒料较多时，粗粒形成骨架，细颗粒充填其中，土的渗透破坏性质取决于粗颗粒的特征，当粗粒含量较少时，不足以形成骨架，粗颗粒是散乱地堆积在细颗粒当中，土的渗透稳定性类似于细粒料。不均匀系数小的土，颗粒大小均匀，骨料与填料区别不明显，土体不能形成骨架结构，如果粒径较小，在较

小的水头下，出口处小颗粒被水流带走，并逐渐发展为流土破坏。如果不均匀系数较大，曲率系数也较大，土体缺乏中间粒径，在土体结构中，大颗粒形成的骨架结构空隙较大，小颗粒在大空隙中处于自由状态，在较小的水力坡降下，小颗粒土体被带走，形成管涌破坏，这种破坏形式由于粗颗粒骨架还存在，还能承担一定的水力坡降，土体结构并未完全破坏。如土体不均匀系数较大，曲率系数为1～3，土体级配良好，土体中颗粒大小渐变，空隙中填料被约束而处于固定状态，渗透破坏形式表现为流土破坏。朱崇辉［2］ 通过试验发现:同类土体的渗透变形与土体的密度有关，密度越小土体越疏松，在渗透水流的作用下容易发生渗透破坏; 渗透变形还与土体的粘聚力有关，粘聚力越大，土体间作用力越强，土体越稳定，越不容易发生渗透破坏。薛星祖［4］ 分析砾质土的渗透变形i ～V 曲线图，将其分为3个阶段:第1阶段，水力坡降和渗透流速呈直线关系，土样未破坏; 第2阶段，在一定渗透水流作用下发生管涌之前，土体先出现压密或变松，细颗粒开始移动，开始出现潜蚀，即内部管涌，移动的细颗粒淤积在通道的孔隙中，使流速变小，出现i ～V 曲线的第1折点，说明在土体内首先发生了颗粒的调整和移位，已有内部管涌发生; 第3阶段，出现骨架变形时为第2折点，线段几乎与流速坐标平行，这是管涌通道发展的最终结果，这个阶段很短，而且变化很快。何永红［5］ 等在分析砂卵石的渗透变形的形成条件的基础上，对渗透变形的形式进行了简要评价，并提出了渗透变形临界坡降的计算方法。葛建［6］ 、曾有丽［7］ 阐述了堤防、水工建筑物渗透变形的类型、成因、规律，对渗透稳定性问题进行了分析研究。朱伟［8］ 结合某工程问题，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做了分析和讨论。李振［9］ 比较详尽地介绍了黑河土石坝筑坝材料在各种组合情况下的渗透稳定性及其特点，比较全面地分析了各种渗透势下的渗透变形机理。

根据上述分析，前面列举的与级配特征无关的计算式计算出的单一结果与多组不同级配特征下实测结果产生较大差距成为必然，认为用一个统一的与级配无关的模型公式表示级配复杂多样的粗粒土的渗透破坏坡降，从理论上讲本身就存在缺陷，故应当考虑粗粒土的级配对渗透变形的影响。朱崇辉［10］ 建议将级配特征相近的粗粒土进行分类研究，建立分段统一的渗透破坏坡降模型表达式，将级配特征参数引入渗透破坏模型公式。

2.3 渗流控制

从20世纪80年代开始，闸坝基础渗流控制的原则逐渐明确为防渗、排渗与反滤层保护渗流出口相结合。对土石坝透水地基渗流控制方法主要有:设置截水槽，浇筑混凝土防渗墙或设灌浆帷幕，铺筑上游水平防渗铺盖。

3 渗流的数值模拟计算

近代计算技术的发展和计算机的应用为土石坝渗流计算开辟了新的

途径。各种复杂情况下的土石坝渗流，都可以在计算机上模拟出来。实践证明，利用数值方法求解均质或非均质、各向异性或各向同性以及复杂边界条件的土石坝渗流问题，虽然得到的解是近似的，然而却是满意的解答，对于土石坝渗流问题，已基本上可取代模拟试验。由于数值模拟无需复杂而专门的设备，不像常规物理试验那样需要很长的时间，修改算法和模型都比较方便，并且可以程序化，因而近年来有关渗流分析的数值计算和模拟发展尤为迅速，使得许多渗流力学难于解答的问题得以重新认识。

在渗流的数值模拟方面，有科研院所自己编制的程序，如南京水利科学研究院结合生产任务应用有限元法研制的土坝渗流计算程序

UNSST2，饱和—非饱和渗流计算程序UNSAT2，也有一些大型商业软件中含有的渗流分析模块，如理正渗流分析软件，Plaxis 中的PlaxFlow 渗流分析模块，GeoStudio 中的SEEP3D 模块，SUSAP 饱和—非饱和土渗流分析软件，GMS 中SEEP2D 模块等，更有广大科研工作者自己编制的适用于各种特殊情况下的小程序。采用的数学模型主要有有限单元法、有限差分法、离散元法、无单元元法等。

目前研究渗透变形的方法大都是基于连续介质力学理论，采用有限元法对工程进行模拟计算，殷建华［11］ 利用有限元方法，采用饱和稳定渗流模型模拟了管涌区长度和渗流系数改变对渗流场的影响，分析由此引起的最大流速和总流量的变化; 张家发［12］ 运用非稳定渗流场中渗透变形扩展的数值模拟方法和有限元模拟程序SDFEM ，对砂槽试验模型进行了数值模拟，并将模拟结果与试验结果进行了对比分析; 杨林德［13］ 等将饱和土体视为均质、连续的各向异性弹塑性多孔介质，根据虚位移原理推导出饱和土体内各向异性渗流直接耦合的有限元法计算公式;Tien kuen Huang （1996）［14］ 用有限元分析了土石坝蓄水后在稳定渗流下的渗透稳定性，张我华［15］ 根据机理模型从影响堤防和土石坝管涌发生的诸多复杂因素中选出对管涌发生影响显著的几种因素作为系统输入来求解此问题;Neuman ，Shlomo P（1973）［16］ 建立了一个饱和—非饱和渗流模型，该模型可用于垂直渗流，也可用于水平渗流，可以分析轴对称情况下三维渗流;Y.-Q.Xu ，K.Unami ，T.Kawachi （2003）［17］ 用饱和—非饱和渗流模型分析了一座土石坝断面的渗透稳定性; 陈建生、李兴文等［18］ 对堤防渗流管涌发生后产生集中渗漏通道的机理进行了深入的分析探讨。倪小东、王媛［19］ 将颗粒流程序运用于管涌发展阶段的研究，从散粒体组成的多孔介质的细观力学特征出发，运用离散单元法研究了土体管涌机理，并得出管涌破坏的影响因素; 对于基于有限元法计算无压渗流时，渗流自由面（浸润线）难以确定的问题，引入无单元法来求解渗流问题; 党发宁等［20］ 提出了一种渗流分析的改变渗透系数的固定网格法。Xu ，Y.-Q （1984）［21］ ;Lam.L（1984）［22］ 提出了非饱和土有限元分析模型。

4 渗透特性的试验研究

描述渗流运动的数学物理方程更加符合实际和进一步优化基本方程

的求解固然是渗流科技人员在不断深化的课题，但努力使研究计算模型的边界和计算参数的选择尽可能接近客观实际，是当前工程中更重要、更迫切的任务。如果计算模型的边界和计算参数的选择与客观情况不符，无论我们采用多么准确的基本方程，使用多么精确的数值计算，结果仍免不了是一堆复杂而空洞的数字游戏。因而，在当前的研究水平下，室内试验对渗流分析仍具有非同寻常的意义，并且也是检验数值模拟是否可行的重要手段，并为其提供现实的支持。

土石坝坝壳、过渡料大多采用粗粒土，高坝心墙一般趋向于采用宽级配砾质土，依据《土工试验规程》SL-237-1999中的《粗粒土的渗透及渗透变形试验》SL237-056-1999的规定，试验模型截面直径或边长应该不小于试样粒径特征值D85 的4～6倍。目前常用的室内测定土体渗透系数的仪器主要有70型渗透仪、南55型渗透仪和垂直渗透变形仪等。从适用范围来看，以上试验仪器均无法测试巨粒土和巨粒混合土水平方向的渗透系数及巨粒混合土发生渗透破坏时的临界水力梯度，目前还没有合适的室内试验仪器测试巨粒混合土的渗透系数和巨粒混合土发生渗透破坏时临界水力梯度的现状。基于此，张永福等［23］ 研制了粗颗粒土渗透系数及土体渗透变形测试仪，该仪器设置了密封抽气饱和装置，可以对土样进行抽气饱和，测试试样垂直向、水平向渗透破坏时的临界水力坡降。水利部岩土力学与工程重点试验室也自制了高压力大流量渗透变形和高压供水系统，并利用该系统对水布垭面板堆石坝施工中的垫层料和过渡料在高水压力下垂直方向向上向下的渗透稳定性进行了试验研究; 张家发［24］ 基于渗透变形的扩展规律进行试验设计，通过室内砂槽试验模拟渗透变形的扩展过程及悬挂式防渗墙的控制作用; 李广信等［25］ 利用比例为1∶100的有机玻璃模型槽进行模型试验，模拟二元堤基条件及不同防渗墙深度下，堤基内管涌的发生和发展过程，利用拍照还原等方式，得到管涌口出砂面积，并采用彩色砂作为示踪材料，切片观察测量管涌发生后试样的局部剖面，从而验证了二元结构堤基的渗透破坏模式; 李永乐［26］ 、徐永福［27］ 、孙大松［28］ 利用自制的非饱和土渗透仪研究了非饱和土的渗透系数。

渗透系数是渗流计算中一个重要的参数，其取值直接关系到计算的渗流量和采取的防渗措施。但由于测试方法的不同，其试验值差别很大，有时甚至达到一个数量级以上，且土体的渗透系数具有各向异性，这就需要测定水平方向的渗透系数。防渗体是在其自身重力和水压力的双重作用下工作的，因而在试验时应尽可能模拟其在有围压和不同水头作用下的渗透性能。在这方面，国内不少学者做过研究，欧孝夺等［29］ 通过四川田尾矿的渗压试验，进行了孔隙比、上附土压力和渗透系数的拟合分析; 徐永福［30］ 分析了压应力对渗透系数的影响，并从土体空隙分布的分形模型导出非饱和土渗透系数的表达式; 孙陶［31］ 分析了影响无粘性粗粒土渗透系数的若干因素，并对现有的渗透系数的经验公式进行了分析补充; 肖红宇等［32］ 基于粘性土的达西定律和水流连续性原则，建立了考虑起始水力坡降时粘性土的渗透系数公式和起始水头计算公式，并通过渗透系数的极差、反算水头和实测水头的最大偏差和均

方差来评价所提出公式的误差; 朱崇辉等［10］ 通过对不同级配粗粒土的渗透试验研究和相关性分析，指出粗粒土的渗透系数与不均匀系数和曲率系数存在较大的相关性，并将原有公式修正为与级配参数相关的函数表达式; 张士辰［33］ 通过粗砂渗透变形重复试验，分析了粗砂渗透系数与抗渗强度概型分布，发现二者具有很好的相关性。Qiu Xiande（2002）［34］ 把颗粒大小及分布函数的某些参数和渗透率联系起来，建立了堆石体颗粒的概率统计分布模型。另外，不少学者对大坝运行过程中，防渗体的渗透系数进行了反分析，根据反分析的数据再来预测坝体及坝基的渗透稳定性，何翔等［35］ 主要是基于神经网络对大坝渗透系数进行的反演分析，傅志敏，向衍，周志芳［36］ 和李康宏等［37］ 也用不同的方法对大坝的渗透系数进行了反演。

5 展望

如上所述，我国土石坝渗流研究无论是机理研究，还是数值模拟，亦或试验研究，都取得了丰硕的成果，在已建和在建的超级高土石坝工程中，由于砾质土经碾压后一般可获得较高的密实度及强度、较低的压缩性，故而被广泛地用作防渗材料。但这种土料颗粒级配范围宽广，且多具有不均匀、不稳定、不连续的特点，其工程性质的研究一直是土石坝工程的一项重要研究内容。但由于试验设备尺寸的限制，目前有关于掺砾心墙料防渗体的渗透特性研究成果较少。且以往进行室内渗透试验过程中，堆石体处于常规自重应力下，由于试件尺寸不大，室内模型的自重应力很小，而对于300m 级的高坝工程，其最大主应力将近6MPa ，故不加围压条件下室内试验与坝体实际所处的应力状态有很大的不同。在这么高的应力条件下，土石颗粒有可能会被压碎，这时土的渗透性能会有什么样的变化呢? 另外，大坝运行期间，其水位会有变化，在加卸荷的循环荷载作用下，其渗透特性又会有什么样的变化呢? 水位的变化，同时又会引起其固结应力比的变化，目前有关这方面的研究报道很少。因此开展复杂高应力条件下坝体的渗透特性研究是高土石坝防渗体迫切需要解决的问题。

为此，今后的研究可以放在研制能够测定宽级配料在有围压条件下垂直向、水平向临界水力坡降、渗透系数的设备上，并开展相应的理论分析，以研究各种级配土石料在各种应力状态下的渗透变形，渗透破坏特性，还应该研究建立渗透分析模型，利用其分析散粒体颗粒间受力相互作用发生变形位移的过程，并确立相应的数值分析方法。

参考文献:

［1］ 郭爱国，凤家骥，汪洋等. 砂砾石坝料渗透特性试验研究. 武汉水利电力大学学报，1999，32（3）.

［2］ 朱崇辉，王增红，刘俊民. 粗粒土渗透破坏坡降与颗粒级配的关系研究. 中国农村水利水电，2006，（3）.

［3］ 刘杰. 土石坝渗流控制理论基础及工程经验教训. 北京:中国水利水电出版社，2006.

［4］ 薛星祖，赵先玲. 浅谈砾质土渗透变性试验. 吉林水利，2004，

（2）.

［5］ 何永红，王建明，李粉灵. 粗粒土渗透变形机制浅析. 西北水利，2002，（2）.

［6］ 葛建. 堤坝渗透变形及稳定性分析. 水科学与工程技术，2005，

（6）.

［7］ 曾友丽，葛建. 水工结构渗透破坏及渗透稳定机理研究. 南通职业大学学报，2005，19（4）.

［8］ 朱伟，山村和也. 堤防地基渗透破坏机制及其治理. 水利水运科学研究，1999，（4）.

［9］ 李振，李鹏，任瑞英. 黑河土石坝筑坝材料的渗透稳定性. 防渗技术，2002，8（2）.

［10］ 朱崇辉，刘俊民，王增红. 粗粒土的颗粒级配对渗透系数的影响规律研究. 人民黄河，2005，27（12）.

［11］ Yin Jianhua.FE Modeling of Seepage in Embankment Soils with Piping Zone.岩石力学与工程学报，1998，（6）.

［12］ 张家发，朱国胜，曹敦侣. 堤基渗透变性扩展过程及悬挂式防渗墙控制作用的数值模拟研究. 长江科学院院报，2004，21（6）.

［13］ 杨林德，杨志锡. 各向异性饱和土体的渗流耦合分析和数值模拟. 岩石力学与工程学报，2002，21（10）.

［14］ Tien kuen Huang.Stability Analysis of an earth dam under steady state seepage.Computer&Structure，1996，58（6）.

［15］ 张我华，余功栓，蔡袁强. 堤与坝管涌发生的机理及人工智能预测与评定. 浙江大学学报，2004，38（7）.

［16］ Neuman，Shlomo P.Saturated-unsaturated Seepage by Finite Elements.ASCE J Hydraul Div，1973，99（HY12）.

［17］ Y.-Q.Xu，K.Unami ，T.Kawachi.Optimal hydraulic design of earth dam cross section usingsaturated-unsatura-ted seepage flowmodel.Ad-vances in Water Resources，2003，26.

［18］ 刘建刚，陈建生，赵维炳. 典型地基渗漏的完整井管涌模型及其涌沙影响范围. 工程勘察，2002，（4）.

［19］ 倪小东，王媛. 运用离散单元法研究土体管涌机理初探. 水工渗流研究与应用进展，2006.

［20］ 党发宁. 有自由面渗流分析的变单元渗透系数法. 西北水力发电，2004，20（1）.

［21］ Xu Y-Q ，Unami K ，Kawachi T.Optimal hydraulic design of earth dam cross section using saturated-unsaturated seepage flow model.Advances in Water resources，2003，26（1）.

［22］ Lam L.Fredlund D G.Saturated-Unsaturated Transient Finite Element Seepage Model for Geotechnical.Advances in Water Resources ，1984，7（3）.

［23］ 张永福. 粗颗粒土渗透系数及土体渗透变形仪的研制. 水利水电科技进展，2006，26（4）.

［24］ 张家发，朱国胜，曹敦侣. 堤基渗透变性扩展过程及悬挂式防渗墙控制作用的试验模拟. 水力学报，2002，（9）.

［25］ 李广信，周小杰. 堤基管涌发生发展过程的试验模拟. 水利水电科技进展，2005，25（6）.

［26］ 李永乐，刘翠然，刘海宁等. 非饱和土的渗透特性试验研究. 岩石力学与工程学报，2004，23（22）.

［27］ 徐永福，兰守奇，孙德安等. 一种能测量应力状态对非饱和土渗透系数影响的新型试验装置. 岩石力学与工程学报，2005，24（1）.

［28］ 孙大松，刘鹏，夏小和等. 非饱和土的渗透系数. 水利学报，2004，（3）.

［29］ 欧孝夺，易念平，陆增建等. 尾矿砂土渗透系数与其埋深之间的关系分析. 广西大学学报，2001，26（3）.

［30］ 徐永福，叶翠明，赵书权等. 压应力对非饱和土渗透系数的影响. 上海交通大学学报，2004，38（6）.

［31］ 孙陶. 无粘性粗粒土渗透系数的近似计算. 四川水力发电，2003，22（2）.

［32］ 肖红宇，黄英，孙宏啵等. 考虑起始水力坡降时粘性土渗透

系数的确定. 铁道科学与工程学报，2006，3（1）.

［33］ 张士辰，李雷. 粗砂渗透系数与抗渗强度概型分布. 水利水运工程学报，2004，（3）.

［34］ Qiu Xiande，Yan Zongling.Probability distribution charact eristics of particle-size of rockfill.New development in rock mechanics and rock engineerings.The proc-eedings of the2nd international conference，Sheny-ang ，China ，2002.

［35］ 何翔，李守巨，刘迎曦等. 基于遗传神经网络的坝基岩体渗透系数识别. 岩石力学与工程学报，2004，23（5）.

［36］ 傅志敏，向衍，周志芳. 基于Mar 的混凝土坝与坝基渗透系数反演. 水利水运工程学报，2005，（1）.

［37］ 李康宏，邓祥辉，何萌等. 基于钻孔资料的某尾矿坝渗透系数反演分析有限元模型建立. 岩石力学与工程学报，2004，23（增1）.

作者简介: 丁树云，女，南京水利科学研究院，博士研究生。 来源：《人民长江》2008年第2期