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摘 要：堤防是防洪的重要屏障，但多数堤防缺乏可靠的渗流控制，这也是汛期产生洪灾险情的主要原因。本文就小流域堤防渗流设计进行了探讨，并将结合某工程实例，详细介绍了堤防渗流的要点，可供参考。
关键词：堤防渗流；渗流计算；小流域
堤防与水库土坝渗流的主要区别在于水库是长期蓄水，坝内可以形成稳定渗流，而堤防是在汛期短期挡水，属于一种挡水建筑。但当遇上季节性暴雨，就要考验堤防渗流控制的稳定性了。因此，要做好堤防渗流的设计，首先要判别土料的渗透变形，然后要对堤防进行渗透稳定的正确分析与计算，从而满足渗透稳定的要求，保障堤防的质量。
1 渗流分析
渗流分析计算时选用为小流域堤防典型断面均质土堤，堤身高6m，上游水头5m，下游无水，上、下游堤坡均为1：2.0，堤顶宽3m。基础为单层基础，厚5m，典型断面见图1。
图1 堤防典型断面图
1.1 稳定渗流计算
分别采用公式法及渗流有限元分析两种方法对不同情况进行分析计算，当堤防基础的渗透系数比堤身的渗透系数小100倍及以上时，认为地基为不透水地基。
1）公式法—不透水堤基渗流计算
根据《堤防工程设计规范》（以下簡称规范）附录E中相关公式，分别改变堤防上游边坡m1、下游边坡m2及堤身渗透系数k，研究堤身渗漏量（q）、出逸点高度（h0）及堤脚渗透比降JA，JB与这些参数之间的关系，计算成果见表1。
表1 不透水地基渗透稳定影响因素分析表
从表1可知，堤身渗漏量与渗透系数大小成正比，但渗透系数大小不影响出逸点高度h0及渗透比降JA，JB。堤脚的渗透比降仅与下游边坡m2的大小有关，下游边坡越缓，堤脚渗透比降越小。考虑到在小流域堤防渗流控制中，控制的关键为渗透稳定性，故可认为在不透水地基上的小流域堤防，可通过适当放缓下游堤坡的方式，减小堤脚的渗透比降。
2）公式法—透水堤基渗流计算
根据《规范》附录E中相关公式，分别改变堤身渗透系数k和堤基渗透系数k0，研究渗漏量q、出逸点高度h0与渗透系数k，k0之间的关系。计算结果见表2。
表2 透水地基渗透系数与出逸点高度相关关系表（公式法）
注：k=0.864m/d相当于k=10-3cm/s。
由计算可知，出逸点高度与k/k0值相关，k/k0值越小，出逸点高度也越低。也就是说，在堤基渗透系数一定的情况下，可通过减小堤身的渗透系数来降低出逸点的高度。
根据《规范》，透水地基均质土堤沿渗出段AB的渗透比降为，沿地基段BC的渗透比降为。
从上述公式可以看出，透水地基的渗透比降同不透水地基情况类似，均与下游堤坡m2相关，当下游边坡为1：2时，JA=0.447，JC=0.354，放缓下游堤坡可降低堤脚的渗透比降。但该公式在靠近坡脚B点处计算出的水力比降J=∞，说明公式在该段内的计算是存在缺陷的，同时也说明该部位易发生渗透破坏，设计需引起注意。
3）有限元法—透水地基
与表2相对应，采用“理正渗流分析软件”对透水地基堤防进行有限元法计算，成果见表3。
表3 透水地基公式法与有限元法计算成果比较表
由表3可知，采用有限元法计算下游堤坡的出逸点，渗透比降与公式法计算结果基本相同。下游堤坡与地面相交处的渗透比降最大，根据对典型断面的计算结果，该处渗透比降可达到0.65，此数值大于一般堤防填筑材料的允许渗透比降，若洪水过程持续时间长，堤身能形成稳定渗流。
鉴于良好的反滤保护可大幅度提高无粘性土的允许渗透比降，故渗流控制措施的重点是对下游堤脚的反滤排水进行合理设计。非管涌型土在良好的反滤保护下，允许渗透比降可达到0.75以上，即可满足堤防渗透稳定要求。管涌型土在良好的反滤保护下，允许渗透比降仅能达到0.3～0.75，不能满足堤身渗透稳定要求，故堤身填筑应避免采用管涌型土，堤防及基础如果为管涌型土，仅靠出口的反滤保护是不够的，需要放缓堤防下游边坡或在上游侧采取防渗措施。
1.2 非稳定渗流计算
小流域堤防的挡水是季节性的，在挡水时间内不一定能形成稳定渗流的浸润线，这与小流域洪水的持续时间密切相关，故对不同地区小流域的洪水过程进行统计分析，发现流域集雨面积越小，洪水持续时间越短，该工程洪水持续时间基本在1d以内。
注：小流域堤防设计中对洪水过程的关注度不高，一般不计算洪水过程，故收集不同地区水库设计中相关资料，洪水过程持续时间按照大于10%Q洪峰统计。
根据《规范》，不稳定渗流浸润线计算见图2。
图2 不稳定渗流计算简图
渗流在背水坡坡脚出现所需时间T为：
式中：n0—土的有效孔隙率，n0=n（1-SW%），n为孔隙率，SW%为饱和度；k—堤身渗透系数，采用大值平均值或试验数据中的较大值；H—上游水头，m；t—洪水持续时间。
当洪水持续时间t 现假设k=1×10-3cm/s，孔隙率n=0.3（砂砾石），饱和度Sw=50%（很湿），对典型断面图3进行非稳定渗流计算，渗流在背水坡坡脚出逸所需时间为6.3d，远远大于小流域内一场洪水持续的时间。因此可以认为小流域内的洪水一般形不成稳定渗流，渗流浸润线一般不会在下游堤坡上出逸。
2 结语
综上所述，堤防渗流设计的重点是要让堤防建设满足渗流稳定的要求，这就要求我们要做好有关渗流稳定的分析和计算，当然为了保障堤防的质量，还可以通过降低下游堤坡的方式降低堤脚的渗透比降，还可以设置反虑保护，从而保证堤防渗流安全。
参考文献
[1] 刘铁龙.堤防渗流控制特点及其设计[J]西北水电，2004（04）
[2] 卢玉明等.堤防渗流计算的基本方法与渗流控制措施[J]中国水利水电科学研究院学报，2007（04）
关键词：堤防渗流；渗流计算；小流域
堤防与水库土坝渗流的主要区别在于水库是长期蓄水，坝内可以形成稳定渗流，而堤防是在汛期短期挡水，属于一种挡水建筑。但当遇上季节性暴雨，就要考验堤防渗流控制的稳定性了。因此，要做好堤防渗流的设计，首先要判别土料的渗透变形，然后要对堤防进行渗透稳定的正确分析与计算，从而满足渗透稳定的要求，保障堤防的质量。
1 渗流分析
渗流分析计算时选用为小流域堤防典型断面均质土堤，堤身高6m，上游水头5m，下游无水，上、下游堤坡均为1：2.0，堤顶宽3m。基础为单层基础，厚5m，典型断面见图1。
图1 堤防典型断面图
1.1 稳定渗流计算
分别采用公式法及渗流有限元分析两种方法对不同情况进行分析计算，当堤防基础的渗透系数比堤身的渗透系数小100倍及以上时，认为地基为不透水地基。
1）公式法—不透水堤基渗流计算
根据《堤防工程设计规范》（以下簡称规范）附录E中相关公式，分别改变堤防上游边坡m1、下游边坡m2及堤身渗透系数k，研究堤身渗漏量（q）、出逸点高度（h0）及堤脚渗透比降JA，JB与这些参数之间的关系，计算成果见表1。
表1 不透水地基渗透稳定影响因素分析表
从表1可知，堤身渗漏量与渗透系数大小成正比，但渗透系数大小不影响出逸点高度h0及渗透比降JA，JB。堤脚的渗透比降仅与下游边坡m2的大小有关，下游边坡越缓，堤脚渗透比降越小。考虑到在小流域堤防渗流控制中，控制的关键为渗透稳定性，故可认为在不透水地基上的小流域堤防，可通过适当放缓下游堤坡的方式，减小堤脚的渗透比降。
2）公式法—透水堤基渗流计算
根据《规范》附录E中相关公式，分别改变堤身渗透系数k和堤基渗透系数k0，研究渗漏量q、出逸点高度h0与渗透系数k，k0之间的关系。计算结果见表2。
表2 透水地基渗透系数与出逸点高度相关关系表（公式法）
注：k=0.864m/d相当于k=10-3cm/s。
由计算可知，出逸点高度与k/k0值相关，k/k0值越小，出逸点高度也越低。也就是说，在堤基渗透系数一定的情况下，可通过减小堤身的渗透系数来降低出逸点的高度。
根据《规范》，透水地基均质土堤沿渗出段AB的渗透比降为，沿地基段BC的渗透比降为。
从上述公式可以看出，透水地基的渗透比降同不透水地基情况类似，均与下游堤坡m2相关，当下游边坡为1：2时，JA=0.447，JC=0.354，放缓下游堤坡可降低堤脚的渗透比降。但该公式在靠近坡脚B点处计算出的水力比降J=∞，说明公式在该段内的计算是存在缺陷的，同时也说明该部位易发生渗透破坏，设计需引起注意。
3）有限元法—透水地基
与表2相对应，采用“理正渗流分析软件”对透水地基堤防进行有限元法计算，成果见表3。
表3 透水地基公式法与有限元法计算成果比较表
由表3可知，采用有限元法计算下游堤坡的出逸点，渗透比降与公式法计算结果基本相同。下游堤坡与地面相交处的渗透比降最大，根据对典型断面的计算结果，该处渗透比降可达到0.65，此数值大于一般堤防填筑材料的允许渗透比降，若洪水过程持续时间长，堤身能形成稳定渗流。
鉴于良好的反滤保护可大幅度提高无粘性土的允许渗透比降，故渗流控制措施的重点是对下游堤脚的反滤排水进行合理设计。非管涌型土在良好的反滤保护下，允许渗透比降可达到0.75以上，即可满足堤防渗透稳定要求。管涌型土在良好的反滤保护下，允许渗透比降仅能达到0.3～0.75，不能满足堤身渗透稳定要求，故堤身填筑应避免采用管涌型土，堤防及基础如果为管涌型土，仅靠出口的反滤保护是不够的，需要放缓堤防下游边坡或在上游侧采取防渗措施。
1.2 非稳定渗流计算
小流域堤防的挡水是季节性的，在挡水时间内不一定能形成稳定渗流的浸润线，这与小流域洪水的持续时间密切相关，故对不同地区小流域的洪水过程进行统计分析，发现流域集雨面积越小，洪水持续时间越短，该工程洪水持续时间基本在1d以内。
注：小流域堤防设计中对洪水过程的关注度不高，一般不计算洪水过程，故收集不同地区水库设计中相关资料，洪水过程持续时间按照大于10%Q洪峰统计。
根据《规范》，不稳定渗流浸润线计算见图2。
图2 不稳定渗流计算简图
渗流在背水坡坡脚出现所需时间T为：
式中：n0—土的有效孔隙率，n0=n（1-SW%），n为孔隙率，SW%为饱和度；k—堤身渗透系数，采用大值平均值或试验数据中的较大值；H—上游水头，m；t—洪水持续时间。
当洪水持续时间t
2 结语
综上所述，堤防渗流设计的重点是要让堤防建设满足渗流稳定的要求，这就要求我们要做好有关渗流稳定的分析和计算，当然为了保障堤防的质量，还可以通过降低下游堤坡的方式降低堤脚的渗透比降，还可以设置反虑保护，从而保证堤防渗流安全。
参考文献
[1] 刘铁龙.堤防渗流控制特点及其设计[J]西北水电，2004（04）
[2] 卢玉明等.堤防渗流计算的基本方法与渗流控制措施[J]中国水利水电科学研究院学报，2007（04）