1.渗流理论基础

（1）渗流模型。由于自然界中孔隙分布情况十分复杂，为简化分析，引进渗流模型理论（图4.110）。该理论设定：不考虑渗流在土壤孔隙中流动途径的迂回曲折，只考虑渗流的主要流向；认为渗流的全部空间（土壤颗粒架和孔隙的总和）均被渗流水所充满；看作是连续空间内的连续介质运动。所以渗流是流体和孔隙介质所占据的渗流空间场，其边界形状和边界条件均维持不变。

图4.110　渗流模型示意图

为了使假想的渗流模型在水力特征方面和真实渗流相一致，渗流模型必须满足下列条件：对于同一过水断面，模型的渗流量等于实际的渗流量；作用于模型中某一作用面上的渗流压力等于真实的渗流压力；模型中任意体积内所受的阻力等于同体积内真实渗流的阻力，也就是说两者水头损失相等。

由于作为渗流通道的孔隙尺寸微小但数量众多，且表面积很大，所以渗流阻力较大，渗流流动速度较慢，因而惯性力和动能往往可以忽略不计。由于模型渗流流速小于真实渗流流速，一般不加说明时，渗流流速是指模型中的渗流流速。

（2）渗流基本定律。法国工程师达西（Henri Darcy）在1852-1855年利用沙质土壤进行了大量实验，得到线性渗流定律，即达西定律：

式中：v为渗流断面各点渗流流速，m/s；J为水力坡度，且J=；k为渗透系数，孔隙介质透水能力系数，常通过实验室试验、现场测定、经验公式计算等方法确定，可参考表4.7。

达西定律适用于无压均匀渗流，也可写成如下形式：

无压渐变渗流的一般公式为裘皮幼（J.Dupuit）公式：

在无压渗流中，其自由液面称为浸润面，顺流向所作的铅垂面与浸润面的交线称为浸润线（图4.111）。

表4.7　土壤渗透系数参考值

图4.111　无压渗流示意图

2.坝（闸）基渗透压力计算方法

（1）坝基的扬压力包括浮托力以及渗透压力。浮托力是由坝体下游水深产生的，渗透压力是在上下游水头的作用下，水流通过裂隙、软弱破碎带产生的向上静水压力。

扬压力是一个铅直向上的力（图4.112），它减小了建筑物作用在地基上的有效压力，从而降低了坝底的抗滑能力，因此它是一种不利荷载。为此，常在建筑物及其地基内设置阻渗和排水设施以减小扬压力。通常在坝踵附近的基岩内灌浆形成防渗帷幕，并在防渗帷幕的下游侧钻孔形成排水帷幕；在距上游坝面3～5m处设置坝身孔，有时还在孔前采用抗渗能力较强的混凝土形成防渗层。当下游尾水位较高、浮托力较大时，可采用抽排降压措施，以减小浮托力。对于土基，常在坝踵或闸的上游端附近采用防渗措施，如铺盖、板桩、混凝土防渗墙以及灌浆帷幕等。

如图4.112（b）所示，设坝基沿轴线长度为L，宽为B，则扬压力Fz为

图4.112　坝底扬压力分布图

其中，浮托力

渗透力

如果考虑设置防渗设施和排水孔时对降低渗透压力的作用和效果，渗透力需要乘以一个折减系数α。

（2）与上述情况类似，闸基渗流降低了闸室的抗滑稳定及两岸翼墙和边墩的侧向稳定性，可能引起地基的渗透变形，严重的渗透变形会使地基受到破坏，甚至失事，所以要进行防渗排水设计。岩基上的水闸基底渗透压力计算可采用4.8.2节例题中采用的流网法，也可参考坝基全截面直线分布渗透压力计算法，如图4.113所示，同时也要考虑设置防渗帷幕和排水孔时对降低渗透压力的作用和效果（图4.114）。

土基上水闸基底渗透压力计算可采用改进阻力系数法或流网法；复杂土质地基上的重要水闸，推荐采用数值计算法。

图4.113　闸底渗流及流网图

图4.114　岩基上水闸基底渗透压力计算示意图

3.土石坝渗流分析

土石坝挡水时，由于上下游水位差的作用，水将经坝体和坝基的颗粒孔隙向下游渗透，将使水库水量流失，而且可能引起坝体或者坝基产生管涌、流土等渗透变形，导致溃坝事故。坝体浸润线以下土体为饱和状态，其抗剪强度指标也将相应降低，对坝坡稳定不利。为此，应设置防渗和排水措施，以保证坝坡的稳定性及减少水库的渗漏损失。

（1）渗流分析目的：确定坝体浸润线的位置，为坝体稳定分析和布置观测设备提供依据；确定坝体和坝基的渗透流量，以估算水库的渗漏损失；确定坝体和坝基渗流逸出区的渗透坡降，检查产生渗透变形的可能性，以便采取适当的防渗反虑控制措施。

（2）分析方法包括流体力学法、水力学法、流网法、数值解法、试验方法等。其中水力学法是在一些假定基础上的近似解法，只能求得某一断面的平均渗透要素，不能准确求出任一点的渗透要素。此法计算简单，所确定的浸润线、平均流速、平均坡降和渗流量等，一般也能满足工程设计要求的精度，所以在实际工程中应用广泛。流网法是用绘制流网来求解平面渗流问题中的各个渗流要素，故又称为图解法，可用于边界条件复杂的情况。

（3）防止渗透变形的工程措施。土石坝在渗流的作用下可能发生管涌、流土、接触冲刷与接触流失四种类型的渗透变形，需采取相应的防治措施。据1998年长江防洪抢险的统计资料，由渗透变形造成的险情约占险情总数的70%。

土体发生渗透变形的条件主要取决于渗透坡降和土料性质、颗粒组成等。因此，防止土坝及坝基渗透变形的工程措施，应从降低渗透坡降和增加渗流逸出处土体抵抗渗透变形能力两方面考虑，具体措施如下。

1）设置防渗设备。防渗设备可以拦截渗透水流，增加渗流途径，消耗渗透水头，从而降低渗透坡降，如防渗墙、截水槽、灌浆帷幕、防渗铺盖等（图4.115和图4.116）。

图4.115　黏土截水槽

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图4.116　混凝土防渗墙（单位：m）

2）设置排水沟或减压井。当坝基透水层的上面有相对不透水层，且未设置截断透水层的垂直防渗体时，为消除由于水库蓄水后引起承压水头的危害，可根据不透水层的厚薄采用排水沟或减压井切入下游部透水层，以减小上层的承压水头，防止渗透破坏。

3）设置反滤层。反滤层的作用是滤土排水，防止渗透水流从坝体或坝基逸出处将土体中的细颗粒带走而形成管涌。

4）设置排水设施。排水的目的是有计划地将渗入坝内的水排至下游，降低浸润线位置，避免渗流直接从下游坝坡逸出，使下游坝体大部分土料处于较干燥状态，以增加坝坡的稳定性，防止土壤的渗透变形和冻胀破坏等。排水设备应始终保持充分的排水能力，排水设备周围的土壤不应产生渗透破坏；应在排水设备与坝体和土基的接触面上设置反滤层；应便于检查和维修。土石坝常见的排水型式有贴坡排水、棱体排水、褥垫排水、管式排水、综合式排水等（图4.117）。

土石坝的渗流计算内容，如确定渗流流量，确定浸润线的位置，确定渗透压强和渗透压力，确定渗透流速等，请参考相关规范或资料。

4.堤防渗流险情简介

我国堤防在防洪减灾方面发挥重要作用，但每年汛期，各江河堤防总有险情出现。与堤防渗流情况有关的堤防险情通常包括堤身漏洞、堤基管涌、堤坡渗水、堤防滑坡、河堤崩岸等（图4.118）。

（1）堤身漏洞。漏洞的出口一般发生在背水坡或堤脚附近（图4.119），如漏洞出浑水，或由清变浑，或时清时浑，则表明漏洞正在迅速扩大，堤防有发生蛰陷、坍塌甚至溃口的危险。漏洞险情的另一个表现特征是水深较浅时，漏洞进水口的水面上往往会形成漩涡，在背水侧查险发现渗水点时，应立即到临水侧查看是否有漩涡产生。因此，若发生浑水漏洞，必须慎重对待，全力以赴，迅速进行抢护。

图4.117　土石坝排水型式

图4.118　堤防抢险实例

（2）堤基管涌。汛期高水位时，沙性土在渗流力作用下被水流不断带走，形成管状渗流通道的现象，即为管涌（图4.120）。

图4.119　堤身漏洞险情示意图

图4.120　堤防管涌险情示意图

管涌一般发生在背水坡脚附近地面或较远的潭坑、池塘或洼地，多呈孔状冒水冒沙。管涌出水口冒沙并常形成“沙环”，故又称为沙沸。在黏土和草皮固结的地表土层，有时管涌表现为土块隆起，称为牛皮包，又称为鼓泡。出水口孔径小的如蚁穴，大的可达几十厘米。个数少则一两个，多则数十个，称作管涌群。

（3）堤坡渗水。高水位下浸润线抬高，背水坡出逸点高出地面，引起土体湿润或发软，有水逸出的现象，称为渗水，又称为散浸或洇水，是堤防较常见的险情之一（图4.121）。当浸润线抬高过多，出逸点偏高时，若无反滤保护，就可能发展为冲刷、滑坡、流土，甚至陷坑等险情。

图4.121　堤坡渗水示意图

许多渗水状况的恶化都与雨水的作用关系甚密，特别是填土不密实的堤段。在降雨过程中应密切注意渗水的发展，该类渗水易引起堤身凹陷，从而使一般渗水险情转化为重大险情。另外，穿堤建筑物与土体结合部位，由于施工质量问题，或不均匀沉陷等因素发生开裂、裂缝，形成渗水通道，造成结合部位土体的渗透破坏。这种险情造成的危害往往比较严重。

（4）堤防滑坡。堤防滑坡俗称脱坡，是由于边坡失稳下滑造成的险情。堤防滑坡通常先由裂缝开始，开始在堤顶或堤坡上产生裂缝或蛰裂，随着裂缝的逐步发展，主裂缝两端有向堤坡下部弯曲的趋势，且主裂缝两侧往往有错动。根据滑坡范围，一般可分为深层滑动和浅层滑动。堤身与基础一起滑动为深层滑动，滑动面较深，滑动面多呈圆弧形，滑动体较大，堤脚附近地面往往被推挤外移、隆起；堤身局部滑动为浅层滑动，滑动范围较小，滑裂面较浅。以上两种滑坡都应及时抢护，防止继续发展。

汛期一旦发现堤顶或堤坡出现了与堤轴线平行而较长的纵向裂缝时，必须引起高度警惕。如果裂缝开度继续增大，裂缝的尾部走向出现了如图4.122所示的明显向下弯曲的趋势，发生滑坡的可能性很大。

（5）河堤崩岸。河堤崩岸是在水流冲刷下堤防临水面土体崩落的险情（图4.123）。当堤外无滩或滩地极窄的情况下，崩岸将会危及堤防的安全。堤岸被强环流或高速水流冲刷淘深，岸坡变陡，使上层土体失稳而崩塌。

图4.122　堤防滑坡险情示意图

崩岸险情发生前，堤防临水坡面或顶部常出现纵向或圆弧形裂缝，进而发生沉陷和局部坍塌。因此，裂缝往往是崩岸险情发生的预兆。必须仔细分析裂缝的成因及其发展趋势，及时做好抢护崩岸险情的准备工作。

图4.123　2016年湖北咸宁河堤崩岸抢险

崩岸险情的发生往往比较突然，事先较难判断。不仅常发生在汛期的涨、落水期，在枯水季节也时有发生；随着河势的变化和控导工程的建设，原来从未发生过崩岸的平工也会变为险工。因此，凡属主流靠岸、堤外无滩、急流顶冲的部位，都有发生崩岸险情的可能，都要加强巡查，加强观察。

习题

【思考题】

1.渗流分析的目的是什么？

2.达西定律的适用范围是什么？

3.达西公式与杜比幼公式形式相似，本质上有什么不同？

4.土石坝渗透变形有哪几种型式？该采取哪些工程措施？

5.闸基渗透压力如何确定？

6.为什么要设置排水？

7.渗流有哪些主要特征？

8.什么是渗流模型？它应满足哪些条件？它与实际渗流有什么区别？

【计算题】

某渠道与河道平行，中间为透水土层，如计算题图4.124所示。已知不透水层底坡i=0.025，土层的渗透系数k=0.002cm/s，河道与渠道之间距离l=300m，上端入渗水深h1=2.0m，下端出渗水深h2=4.0m。试求单宽渗流量q，并计算浸润线。

图4.124　[计算题]图