1.2　渗流破坏及控制的研究现状

1.2.1　土石坝坝基渗透破坏的原因及主要形式

概括来看，渗透破坏的原因主要可分为以下两类：

（1）因渗流量太大，引起对坝基冲刷造成的破坏。

（2）因孔隙水压力太高，引起坝基承载力降低乃至崩塌造成的破坏。

坝基的渗透破坏形式及其发生发展过程，与地质条件、土粒级配、水力条件、防渗排渗措施等因素有关，通常有管涌、流土、接触冲刷和接触流土4种类型（图1.1）。

（1）管涌：在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒间形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透流速不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。管涌主要发生在内部结构不稳定的砂砾石层中。

（2）流土：在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象称为流土。任何类型的土，只要达到一定的水力坡降，都会发生流土破坏。流土主要发生在渗流出口无任何保护的部位。

（3）接触冲刷：渗流沿着两种不同的介质接触面流动时，把其中颗粒层的细粒带走。这里所指的接触面，其方向是任意的。

（4）接触流土：渗流垂直于两种不同介质的接触面流动时，把其中一层的细粒移入到另一层中去，例如反滤层的淤塞就是这种变形。

但就单一土层来说，渗透变形主要是流土和管涌两种基本形式。

1.2.2　渗流控制的措施

渗流控制的基本方法是防渗和排渗，并在渗流出口等部位设滤层保护。

防渗有垂直和水平两种基本形式。对于土石坝来说，垂直防渗有心墙、斜墙、截水槽、灌浆帷幕等防渗体；水平防渗主要是上游水平铺盖。防渗体由透水性很小的材料组成，例如黏土、混凝土、沥青混凝土和土工膜等。

排渗也可分为垂直与水平两种形式。垂直排渗有坝体内稍倾斜的直立式排水、贴坡排水以及深入地基的减压沟和减压井排水；水平排渗主要有坝体内的褥垫排水、水平滤管式排水和下游坝趾的堆石棱体排水。排水体由强透水的材料组成，主要有砂、石子、卵（块）石、砂砾石混合料、土工织物等。

防渗设施的位置一般要靠近坝体上游或中部以消杀大部分渗流能量，再让渗水从下游排渗出口流出。基于这种要求，通常把土石坝材料分区堆筑，使前部透水弱，后部透水强，即“上防下排”，这种布置的本身也是一种好的渗流控制方法。

1.2.3　土石坝渗流控制计算的主要任务

土石坝渗流控制计算的主要任务可归纳为以下5点：

（1）计算通过土石坝和坝基的渗流量，以确定大坝上游水库的渗漏损失水量，分析该损失对水库蓄水的影响，以及是否需要采取更严格的防渗措施来减少渗漏损失。

（2）计算土石坝坝体内的浸润线，以便分析土石坝坝坡的稳定性。

（3）计算土石坝及其地基内各点处的水头和压力，并确定其分布和变化，用以预测产生渗透变形的可能性。

（4）计算作用在土石坝底部的扬压力，以便分析大坝的稳定性及应采取的防渗、排渗措施。

（5）计算土石坝及其地基内各点处的渗透流速和水力坡降，特别是渗流出逸处的渗透流速和水力坡降，以便分析其渗透稳定性，并为采取防渗、排渗措施提供设计依据。

1.2.4　渗流控制的分析计算方法

渗流理论发展至今，已经形成了很多种分析计算方法，但归纳起来可分为两大类，分别是理论分析方法和试验分析方法。

1.2.4.1　理论分析方法

理论分析法可以分为解析法、数值法和图解法3类。

（1）解析法。所谓解析法，是指利用有关数学手段直接求解基本微分方程的方法。通过解析，可以得出关于水头函数在所研究区域内分布的表达式，它既要满足基本方程，又必须满足给定的边界条件。一般来说，解析解是比较精确的，但实用性较差，因为大部分的解析解都是针对各向同性均质渗流介质和简单边界条件而求得的。解析法又可分为直接解法、复变函数法、组合法和水力学法。直接解法是采用直接解渗流基本微分方程的方法来计算渗流要素的一种方法；复变函数法是利用复变函数保角变换理论，将实际的渗流问题变换为一个有解的区域，从而使问题得以解答；组合法是将复杂的渗流区域划分为几个简单的渗流区段来进行计算的一种方法；水力学法是利用达西定律和杜平假定，建立坝体各段的运动方程，根据水流连续性求解流速、流量和浸润线等。

（2）数值法。数值法目前主要有有限单元法、边界元法和差分法。这些方法都是将偏微分方程的边值问题化为代数方程问题，然后用计算机求出基本未知量的值。有限元法的基本思想是用一个较简单的问题代替复杂的问题后再求解。随着各种商业软件（如ANSYS）的发展，有限元法已经是目前工程应用最为广泛的数值方法；边界元法是继有限元法之后又一种有效的数值计算方法，它的特点是降低问题的维数，只以边界的未知量作为基本未知量，通过把求解域的边界剖分为若干个单元，化边界积分方程为线性代数方程组来求解，域内未知量可以通过边界未知量来求出。差分法是从微分方程出发，将研究区域经过离散处理后，近似地用差分和差商来代替微分和微商，即将渗流基本方程转变为差分方程，并采用逐步逼近的计算方法来求得渗流场中各点的水头。

（3）图解法。图解法是通过绘制渗流区流线和等势线的网状图形，并以此来计算渗流要素的一种方法。

1.2.4.2　试验分析方法

目前常采用的试验分析方法有砂槽（土槽）模型法、黏滞流模型法（也称缝隙水槽法）、水力网模型法、水力积分仪法、电拟试验法和电阻网模型法等。下面简要介绍砂槽试验法、缝隙水槽模型试验法和电拟试验法。

（1）砂槽试验法。砂槽试验是用砂或砂性土做模型，放置在木质或钢制的槽内，当模型的上下游保持与建筑物上下游相应的水位时，由于上下游水头差的作用，模型内即产生渗流。此时可以通过量测工具实测出渗流参数（如水头、流量等）。

（2）缝隙水槽模型试验法。缝隙水槽模型试验是用两块玻璃板或有机玻璃板做成模型，相互平行地安装在试验槽内，并使两块板之间保持一定的缝隙宽度。缝隙水槽试验观测的方法，一般是在玻璃板上顶先画上方格，然后在上游液体的不同高程处添入颜色，以便使模型中流线能明显地显示出来，便于观测。

（3）电拟试验法。电拟试验法是基于电场和渗流场符合同一种形式的控制方程而进行求解的。电拟模型对渗流场来说是个数学模型，而不是物理模型。电拟试验法目前有两种模型，即导电液和电网络模型。由于导电液模型为连续介质模型，故便于模拟急变渗流区问题，但它无法模拟非均质各向异性渗透介质，也不能适应复杂的地质和边界条件。为了模拟更加复杂的渗流场，逐步发展了电网络模型，即电网络法。该方法既可基于差分原理建立，也可基于变分原理建立。电网络法还吸收了有限元法的优点，该方法在模拟曲线边界和各向异性渗透性方面得到一定的改进。