堤防的渗透破坏及其治理方法综述

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堤防的渗透破坏及其治理方法综述

陈西安

河海大学岩土工程研究所，南京（210098）

E-mail ：摘 要：大量的洪灾资料表明，堤基与堤身渗流对河道堤坝破坏危害最大，其发生的数量多，分布范围广，其易诱发重大溃堤险情。本文对堤防渗透破坏的研究现状作了总结，详细归纳了堤防渗透破坏的类型和分类方法；渗透破坏类型的判别方法；总结了堤防渗透破坏的各种计算方法及其优缺点，分析了各种计算模型的原理和特点。简要介绍了堤防工程中的垂直防渗工程，其中悬挂式防渗墙在阻滞渗透破坏中的作用有待于进一步研究。

关键词：堤防渗透破坏；管涌；分类；判别; 悬挂式防渗墙

1引言

洪涝灾害是我国危害最大、造成损失最严重的自然灾害。而大量的洪灾资料表明，堤基与堤身渗流对河道堤坝破坏危害最大，其发生的数量多，分布范围广，其易诱发重大溃堤险情 [1]。

中国已修建江河湖海堤防长度达26km ，不少工程质量很差，需进行防渗加固处理的占相当大的比例；已建成水库8.5万多座，其中病险水库约占1/3，加固任务十分艰巨紧迫[2]。1998年长江流域大水，除个别江堤决口外，沿江发生管涌冒沙等险情9405处，其中因渗漏问题出险的7548处，出现了险情丛生的紧张局面。长江中游540个重要堤防险情中有90%是由堤基问题引起的，其中90%又是为管涌所致[3]。

2堤防渗透破坏的分类

在渗流水作用下土颗粒群体运动，称为“流土”。填充在骨架空隙中的细颗粒被渗水带走，称为“管涌”。通常将上述两种渗透破坏称为管涌（又称翻沙鼓水，泡泉）。其实，堤防工程中常说的管涌基本上都是土力学中的流土破坏。

2.1堤身渗透破坏的分类

堤身的渗透破坏包括三种类型：渗水（散浸）造成的堤坡冲刷、漏洞和集中渗流造成的接触冲刷。分述如下：

1. 堤坡冲刷

堤坡冲刷系由背水堤坡渗水所致。一种是堤坡的出溢比降大于允许比降而产生的渗透破坏，另一种是渗水集中后造成对坡面的水流冲刷。

2. 堤身漏洞

堤防背水坡及堤脚附近出现贯穿堤身的流水孔洞称为漏水洞。由于漏水洞中的集中水流对土体的冲刷力很强，因此对堤防的危害性极大。

3. 堤身接触冲刷

当堤身发生集中渗流且冲刷力大于土体的渗透强度时，在集中渗流处就会产生接触冲刷

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破坏。由于接触冲刷的发展速度往往较快，因此对堤防的威胁很大，必须对其进行除险加固。

2.2堤基渗透破坏的分类

堤基的渗透破坏常表现为泡泉、沙沸、土层隆起、浮动、膨胀、断裂等，通常统称为管涌。一般来讲，堤防地基的表土层一般很少是砂砾层，因此，堤基的渗透破坏一般均为土力学中的流土破坏。

3 渗透破坏类型的判别

在渗流作用下，为判别土体是否发生管涌、流土破坏，国内外专家提出多种方法。我国各有关设计规程、规范都规定了不同的判别方法。北京水科院和南京水科院也都提出了不完全相同的判别方法，现归纳如下。

3.1用土的不均匀系数CU 判别

前苏联伊斯托明娜提出。这种方法不够准确，对于C U ＜10的土，一般来说较为准确；而对于C U ＞20的土，仍有可能产生流土破坏。

3.2细粒含量判别法

3.2.1北京水科院刘杰提出的细粒含量判别法

对于不同均匀系数C U ＞5的土，可分为级配不连续的土和级配连续的土，应分别先按以下方法，区分细粒径d 及相应的含量P 。

3.2.1.1级配不连续土粗细粒径的区分及相应含量P 1的确定

按不连续土分布曲线，确定细粒径d (分布曲线断裂谷点或含量小于3%点），再在颗粒级配曲线上确定小于对应点粒径的对应含量P 1 。

3.2.1.2级配连续土粗细粒径的区分及相应含量P 2的确定

按计算平均几何粒径确定细粒径 d=（d 70 d10）1/2

再在级配曲线上确定小于细粒径d 对应含量P 2。

3.2.1.3管涌和流土判别方法

对于级配连续或不连续的土，从工程实际应用出发，均可按下式判别：

P 1（或P 2）＞35% 流土型

P 1（或P 2）＜25% 管涌型

P 1（或P 2）=25%～35% 过渡型

以上计算方法是假定充满粗粒孔径的细粒含量按下式确定：

P OP =(0.30+3n2-n)/(1-n)

3.2.2南京水科院提出的细粒含量判别法（水闸设计规范推荐此法）

不分布均匀系数大小及级配连续与否，均按下式判别：

P Z /＞P Z 流土

P Z /＜P Z 管涌

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式中：

P Z —骨架（粗粒）空隙体积所占百分比

P Z =（a n1/2）/(1+n1/2)

n --孔隙率

a --修正系数，a =0.95～1.0

P Z / —粗细分界粒径d=2㎜以下对应的细粒含量(d≤2㎜)

3.2.3堤防工程地质勘察规程（征求意见稿）提出的细粒含量判别法（刘杰提出）

不均匀系数C U ＞5的粗粒土（大于0.1㎜的粒径超过总重的50%的土）

P c ≥100/[4(1-n)] 流土

P c ＜100/[4(1-n)] 管涌

100/[4(1-n)]可以理解为骨架（粗粒）孔隙体积

P c 级配不连续的土不连续土分布曲线对应细粒径以下含量

P c 级配连续土，d=（d 70 d10）1/2对应细粒径以下含量

3.3细粒直径（d3 d5）与孔隙直径D0比较法

这种方法适用于连续级配的土。将连续级配的土视为一整体，按整体土的孔隙尺寸与可移动的颗粒的粒径小于土体的孔隙直径，这部分细粒容易被带出土体外，破坏形式表现为管涌型，相反，细颗粒全部大于土的平均孔隙平均直径，细颗粒物可能被渗透带出，土的渗流破坏必然是整体的，即表现为流土型。

4堤防渗透破坏的渗流计算方法

4.1渗流计算的内容要求

通过渗流计算应得到堤身渗流长的水体（浸润线、出逸点、水压力等）、渗透比降和渗流量等水力要素。

4.2计算剖面选择和地层概化的要求

选择计算剖面时应综合考虑堤身、堤基的工程地质和水文地质条件，取有代表性的、结果偏于安全的剖面进行渗流计算。对洪水期发生过较大险情的地段应重点考虑。

由于工程水文地质条件的复杂性，在进行渗流计算时往往需要对地质剖面进行概化。概化的原则是，在满足计算精度的前提下尽量使地层简单化，以方便计算。根据我国河、湖堤防堤基的实际情况，可以降低方地基改换为三种类型：单层透水堤基、双层透水堤基和多层堤基。

4.3渗流计算方法

4.3.1数值计算方法

常用的渗流场数值计算方法有两种，即有限单元法和有限差分法，以有限单元法最为

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常用。这种方法的优点是：能够适应各种复杂的工程地质条件，不需要对地层进行太多的简化，计算精度高，速度快，比模型试验省时身力。

殷建华[5]利用有限元法，模拟了管涌区长度和渗流性对堤身渗流的影响，发现如果管涌区越长和渗透系数越大，流向或流入管涌区的水量就越多。由于渗流速度的增大，作用在土颗粒上的作用力就越大，从而导致管涌区范围的增大和渗透性的提高。

谢红、张家发[6]通过数值模拟分析了心墙堆石坝坝体、坝基河两岸山体的渗流分布规律和防渗帷幕的作用效果。结合有关渗透稳定性试验成果，对坝体及坝基的渗流状态作了初步的分析和评价，提出了相应的渗流控制措施。

Peter [7]第一次提出了管涌的随机特性，分析了密西西比河和多瑙河的渗流通道，得出了管涌发生的概率与距离堤脚的距离大致成指数递减的结论。

朱伟[8]结合日本阿武隈川地基渗漏防治工程中遇到的问题，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作了分析和讨论。认为地基渗透破坏的发生与否、强度与地基条件、地下水条件、洪水条件、降雨条件密切相关。

陈东平[9]运用实测资料对江边距的地下水位及外江水位进行数理分析，运用多元回归理论，借助计算机进行统计分析，提出了计算江边距与地下水位关系的经验公式和计算了防治管涌堆土高度。

提出使用有限元迭代搜索方法模拟基坑李守德[10] 基于对基坑渗流场特性的分析研究，

工程管涌发生过程，对搜索条件等问题进行了探讨。使用数值方法分析了土坝管涌发展过程的渗流场时空分布特性；揭示了管涌发展过程中渗透力集中状况及其变化规律。

考虑地下水管状渗流与渗流介唐益群[11]应用有限元对流土通道边界条件进行了分析，

质的相互作用以及由此引起地下水渗流的变化，建立关于流土破坏的有限元数值模拟的解决方法。

提出了一种预测判定管涌张我华[12]等分析了管涌发生的过程和影响管涌发生的因素，

发生可能性的机理模型，建立了管涌发生的人工智能方法。

4.3.2模型试验方法

渗流场的模型试验方法主要有砂槽模型方法和电模拟方法两种类型。电模拟方法又分导电介质方法（导电液或导电纸等）和电阻网络方法。但与数值计算方法相比，相对费时费力。

Bligh [13]最早用试验的方法研究管涌的发生、发展过程，并用来防治堤坝的渗透破坏。 Lan [14] 发展了另外一种经验性方法来研究堤坝的管涌破坏。

Turnbull 和 Mansur[15][16] 在美国陆军工程师经验的基础上，总结了洪水造成的堤防渗透破坏的类型，以及相应的防治方法。

Terzaghi [17]通过尺寸模型试验观察到了导致管涌的两个过程—表层下的侵蚀和体检的隆起。建议必须对这种现象进行安全验证。他还观察到了桶状容器的一边的砂拱，得出当砂层的厚度是容器厚度的1/3时砂拱完全发展的结论。

Skempton 和 Brogan[18]对两种内部不稳定土进行试验模拟了管涌发生的现象。在水头梯度较小时，渗流速度与之成正比，符合Darcy 渗流定律。随着水头梯度和渗流强度的增大，细小颗粒开始起动，并被冲出土体，这时土的透水性增强，渗流速度迅速增大，从而使较大

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的颗粒起动，土体的透水性增强。达到临界水头后，土颗粒完全重新调整。这种调整通常导致孔隙率加大，渗透性提高。

林志[19]通过模型试验和有限元结合得到了管涌发展程度和水头差之间的关系，求出使管涌通道到达平衡时的最大水头差，认为管涌通道的最大平衡长度等于渗径的40%～50%。

张家发[20]通过砂槽模型模拟了渗透变形发生和扩展过程，说明了悬挂式防渗墙渗流控制效果不显著这一已有的结论，另一方面说明了悬挂式防渗墙在一定条件下对险情的扩展可以起到控制作用。

Ojha .C.S.P. [21]通过试验得出发生管涌破坏的临界水头依赖于结构物的尺寸、土的性质和水力条件。渗透性强的土对临界水头的尺寸的影响要比渗透性弱的土低。同时建立了依赖于临界流速的模型来预测临界水头，试验结果表明比Terzaghi 的模型要好。

沙金煊[22]根据电模拟试验得到的渗流场图形，作了合理的简化和假设，并引入了附加阻力后，推导了堤坝下游减压井到三维渗流计算的一个近似解。

刘忠玉[23]等通过对骨架孔隙中细颗粒的受力分析，建立了描述无粘性土中管管涌发生、发展的毛管模型。通过分析得到了可动颗粒起动的临界水头梯度公式和考虑细颗粒流失的渗透系数公式。

周红星[24]等利用砂槽模拟北江大堤双层堤基，研究二元堤基表层若透水层对管涌破坏变形的影响，提出在不同性质以及压重的覆盖层条件下，管涌破坏上溯发展的机理并不一样。

室内试验的优点在于试验原理简单明了，现象十分直观，所得到的抗渗坡降非常适合于局部砂颗粒。但是管涌通道存在后，降低了渗流区的渗透坡降，提高了整个土体的抗渗能力，所以室内试验的结果很难推广到大范围的土体的抗渗分析。

4.3.3水力学计算方法

根据水力学和渗流力学理论，通过对工程水文地质剖面的概化，在一些特定条件下可以采用水力学方法对渗流场进行理论求解。但由于这种方法对地层情况的适应性差，过多的地层概化又往往影响精度，因此其应用受到限制。

曹敦侣[25]提出了渗流管涌的随机模型。认为地层的抗渗强度各处不同，同时孔隙的大

小不一，分布也不均匀。他考虑了孔隙介质渗透特性的随机性，模拟了管涌发展的形象[16]。

陈建生，李兴文[26]首次利用地下水动力学中的井流理论，分完整井和非完整井两种情况分析管涌这个水与土共同作用的复杂力学过程，刻画了管涌的发展过程。对堤防渗流管涌后产生集中渗漏通道的机理进行了深入的分析探讨。

仅仅考Ojha.C.S.P. [21][27]分析了颗粒的大小和土体的渗透性对于管涌模型是至关重要的，

虑颗粒大小是不够的。

刘忠玉[28]考虑到可动颗粒起动的随机性，建立了管涌的随机模型，可模拟管涌过程中土颗粒级配的变化。通过计算，发现拖拽力的不标准对可动颗粒的起动、管涌临界水头梯度有很大影响。

刘建刚[29]对二元结构性地基，分析了渗漏涌砂的成因，提出了堤基渗漏涌砂的两个理论模型，即均质各向同性砂砾石中的完整井和非完整井模型。建立了洪水期管涌临界面方程，确定了临界面形状及随江水位上涨临界面的发展趋势。

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滕凯[30]将管涌产生初期涌水点附近透水层看作是各向同性介质，并利用地下水井流理论，推求出管涌形成后的出水流量，临界面及破坏界面孔口尺寸的计算公式。

王有祥[31]等将管涌产生初期涌水点附近透水层看作是各向同性均质，利用地下水井流理论，推出了管涌产生后的出水流量，临界面及破坏界面孔口尺寸的计算公式。

5堤防中的垂直防渗工程

5.1垂直防渗工程中有关问题的讨论

5.1.1防渗墙的不同结构型式

根据渗流场的规律，改善堤身堤基渗流状态的措施可以简单概括为“上堵下排”四个字

[32]。防渗墙是防渗处理中最为有效的一种[33]。合理设计的防渗墙能够有效的改善堤身、堤

根据堤基的地层结构、防渗墙的施工技术，以及加固工程的投资情况，防渗墙可能有三基的渗流状态，使渗透稳定和抗浮稳定状态得以满足，并明显地降低自由面和出逸的高度。 种结构型式：悬挂式、半封闭式和全封闭式[34]。

悬挂式防渗墙在水库大坝中是防渗的主要措施之一[35]。悬挂式防渗墙的底面仍位于相对强透水层中。半封闭式防渗墙穿过相对强透水层，进入相对弱透水层并与之一起形成统一的防渗结构体系，该相对弱透水层下面还有相对强透水层存在。全封闭式防渗墙与半封闭式防渗墙的不同在于防渗墙底面所在相对弱透水层下面没有相对强透水层。

5.1.2环境影响评价

垂直防渗墙对环境的影响评价，大家最关心的是垂直防渗墙建成后江水、地下水的补排关系可能遭到破坏，从而带来地下水环境问题。针对该问题，长江建管局组织了专题研究，并已得到初步结论[34]：①悬挂式防渗墙对堤内地下水环境没有明显影响，不会造成或加剧堤内的渍害。②半封闭式和全封闭式防渗墙在汛期降低了堤内堤线附近的地下水位，因而有利于防治和减轻渍害。③枯水季节半封闭式防渗墙对离堤200米范围内的地下水有一定的影响。但不会使地下水位抬高至排渍深度以内。

5.2堤基悬挂式防渗墙的研究现状

5.2.1悬挂式防渗墙的渗控作用

在堤坝工程中悬挂式防渗墙的防渗作用几乎是被否定的[36]。不过对于堤防截渗来说，仍值得多方面的研究讨论。

毛昶熙[37]研究认为：悬墙对渗流量减小有限，直到墙深达透水地基的0.8时才开始显著，但悬挂式截墙顺乎自然界的水力联系。

张家发[38] [34]等认为：防渗墙在透水土层内可以降低水流速度，减少土层内水流量。但悬挂式防渗墙的渗流控制效果不显著。

吴昌瑜[39]得出结论：仅当贯入比接近100%时即防渗墙几乎全部截断强透水层时，平台脚垂直出逸比降才会显著降低，堤基的渗流状态才会明显改善。

李思慎[33]认为：对长江中下游堤基防渗而言，悬墙的防渗效果甚微。造成这一结果的

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主要原因是：堤基为二元结构，表层为相对弱透水，河床深切透水层，渗透水流由河床近于水平流向堤内。

5.2.2悬挂式防渗墙阻滞管涌险情的发展

毛昶熙[37]研究认为：悬墙虽然不能防止管涌现象的发生，但有防止管涌险情继续发展的作用。

刘敦高[40]等认为：悬墙对渗透变形的发生条件影响很小，但对渗透变形的扩展及模型破坏的条件影响显著。

张家发[38]等认为：悬墙切断了渗透变形的优先扩展路径，其垂直临界比降（大于其水平临近比降）起控制作用，所以渗透变形更难以扩展。

5.2.3悬挂式防渗墙在堤坝渗透破坏中的分析方法

目前对于悬墙在堤坝渗透破坏中的分析方法主要有试验研究、数值模拟和理论分析。 毛昶熙[37] [41]等根据砂模型试验绘制不同贯入度情况下管涌发展过程的试验结果图，即水头与渗径关系曲线；并且对宽水槽与窄水槽砂模型试验结果进行了对比分析；同时对涌砂范围及涌蚀的继续发展进行了理论分析；并得出结论认为只要悬挂式防渗墙深入砂层3～4米，就可以在防汛期间无虑于堤内地面的管涌险情。

吴昌瑜[39]等通过室内试验和数值模拟研究悬挂式防渗墙对渗透变形扩展过程的控制作用。

张家发[38]等通过砂槽试验模型模拟了渗透变形发生和扩展过程，建立了非稳定渗流场中渗透变形扩展的模拟方法，编写的计算机程序实现了渗透变形扩展过程的数值模拟。

郑水清[42]通过电模拟试验研究认为悬挂式防渗墙一种可行的方法，其设计关键是保证地下水渗出点的水力比降不超出允许比降。

杨秀竹[43]通过有限元分析认为当悬挂防渗帷幕达到一定的深度和厚度要求时，除帷幕底部小范围内存在较大的水流速度外，其它地区的渗流速度以及下游出溢处的水力梯度均有显著较低。只要采取必要的措施保证帷幕底部具有较好的抗冲刷能力，悬挂式防渗帷幕完全可以达到预期的防渗目的，从而有效保护水工建筑物的安全。

6结语

⑴本文对堤防工程中的渗透破坏类型进行了分析，指出堤防工程中常说的管涌实际上是土力学中的流土破坏，澄清了对渗透破坏类型的一些错误认识。

⑵总结了渗透破坏类型的判别方法：①用土的不均匀系数C U 判别；②细粒含量判别法；③细粒直径（d 3 d5）与孔隙直径D 0比较法。

⑶介绍了堤防渗透的常用计算方法：数值计算方法、模型计算方法、水利学计算方法，并指出了各种方法的优缺点，以及目前的研究现状。

⑷讨论了堤防工程中的垂直防渗方法及其存在的问题，指出为了减小工程对环境的影响，采用悬挂式防渗墙不失为一种有效的工程措施。对悬挂式防渗墙的防渗效果有待于进一步的研究。

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The summary of dike seepage and the way to control

Chen Xi’an

hohai university

Abstract

A lot of materials of flood indicate that the seepage of body and foundation of dikes is harmful to dikes and dams greatly, with the large quantity and scope, and it can cause serious situations. This text makes a summary of the current situation of seepage failure to the dikes in domestic and international, and sums up the types and classification of the seepage failure of dikes in detail; the methods to measure the dangerous situation of piping; summarizes various kinds of computing methods of seepage failure of dikes, and analyses various kinds of characteristics of the calculating models. It introduces the vertical preventing measures in piping prevention project, and the affects of suspended cut-off walls in hindering the river embankment is worth researching further.

Keywords: river embankment；seepage failure; classification; differentiate; suspended cut-off wall

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