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[摘 要]土石坝的渗流破坏现象严重，在设计中进行分析，从土石坝的渗流破坏形式采取防渗措施，通过物理模型和软件计算土石坝的渗流情况，比较粘土和混凝土心墙的防渗效果，研究土石坝的防渗措施并进行总结。
[关键词]土石坝1 渗流破坏2 滲流计算3 模型试验4
中图分类号：TV223.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）23-0150-02
1.引言
土石坝的历史要追溯到很久很久之前，土石坝的建设在历史上大多数国家中居于首要位置。土石坝有以下一些特点：它的取材很方便，就近原则，而且价格低廉；工程施工的速度非常快；施工导流易处理，拆除围堰简便；抵抗地震的能力好；有丰富的土坝修建经验，对于以前不能处理的一些技术性难题也伴随着生产力的不断发展和科技水平的提高，部分得到克服，这更加促进了人们大批量修建土石坝。而土石坝发生事故的案例也是最多的，可以说所谓大坝安全，主要是指土石坝安全。史上最严重溃坝——板桥水库。两座大型水库板桥水库和石漫滩水库在1975年8月差不多同时溃坝，这时因为暴雨发生，产生的溃坝灾害波及河南省南部驻马店地区的29个县市，一千多万人受灾，680余间房屋被毁，京广线铁路一百多公里路段被冲毁，48天无法正常通车，造成约100亿的直接经济损失。
2.渗流控制的形式与目的
2.1 粘性土渗透变形与渗透破坏形式
（1）流土：粘土在表层和其它细粒土共同组成的土体，其发生的流土破坏的现象。具体表现为土体的表面隆起顶穿、断裂、剥落。在出逸面无盖重的条件下发生的概率比较大。
（2）接触流土：在相邻两土层的渗透系数数值相差悬殊情况下，渗流沿着接触面垂直流动。土层中的小颗粒，由渗透系数较小的土层进入较大的土层中。在粘性土与粗粒材料接触处，渗流出逸的体积在土体产生毁坏之前，略微有增大的趋势，土冠升起或有裂缝出现，产生的流土呈圆锥状脱离表层。
（3）剥落：在经过粘性土，渗透水流向设有粗料材料盖重的一面渗透时，产生逐渐剥落形成深洼。发生的部位是在没有被粗料材料遮盖住的地方。粗粒土孔隙直径D0的1/2约为剥落深度。
（4）接触冲刷：沿着粗细土层的接触面产生渗流流动时，细颗粒随着渗流沿土层面被带走。
（5）发展性管涌：是指在一定的渗透水流作用下，管涌随时间不断发展，最终造成土体破坏。
2.2 土石坝渗流破坏的主要形式
（1）表层弱透水层被砂层地基的承压水顶穿，先形成局部的流土、管涌，并持续发展，最终穿透地基的上游形成连通的管道。
（2）大区域的沙沸发生在背水坡面，从而使坝脚逐渐软化引起塌落滑坡现象。
（3）渗流在下游排水装置顶部位置以上溢出，那么大面积散浸区会出现在下游坝面处，使坝体填土含水量增加变软，或者造成坝坡失稳。
（4）上游水位突然下降，大量的水储存在坝体内而不能够快速排出大坝，留存的水使孔隙水压力变大，下降速度超过了设计允许值，在下降水位附近可能形成滑坡现象。
（5）在防渗铺盖处或坝体的一些部位出现裂缝，造成漏水短路，使渗透压力增大或产生集中渗流，使坝体破坏。
2.3 渗流控制措施
研究渗流对土石坝造成的破坏情况，并且能够总结出渗流对土石坝造成的破坏的一般规律，对于破坏预防，正确发挥大坝的工程效益和社会效益，保障人民的生命和财产安全等各个方面具有重要的实际意义。确定水头位置、水流的流速和流量等基本物理量是土石坝渗流控制计算的最主要任务，再通过设计计算对工程的安全问题与带来的经济效益考虑，选择合理有效的渗流控制措施。
2.3.1 总体概述
渗流控制措施实际上使渗流的路径加长，在水头损失不变的情况下使渗透坡降在允许坡降的范围内，从而确保土石坝的渗透稳定性能，综合情况采用合理的排水方法来达到保障。土石坝渗流控制采用的是“上截下排”，就是堵截渗流途径要在坝轴线以上部位，反滤导渗等排水措施则布置在下游。水平防渗是在坝体上游加防渗铺盖，延长它的渗流路径，从而坡降就减小，渗漏损失也减小。垂直防渗分为水泥灌浆和化学灌浆这两种的灌浆帷幕，以及土工合成材料，即为土工膜，铺设起来工序简单，抗拉强度和塑性变形能力比较强。以及一般为粘土墙填筑的土质防渗体，用来控制确定大坝内浸润线的位置，从而保证渗流稳定。
2.3.2 具体介绍
（1）首先分析大坝上的某一点渗漏损失对整体水库蓄水的影响，再计算坝体的渗流量，并判断是否要采取防渗措施来减少坝体的渗流量。
（2）计算土石坝坝体的浸润线，分析土石坝坝坡是否处于稳定状态。
（3）计算坝基和坝体各个点处的孔隙水压力与水头数值，并确定分布和变化，预测产生渗透变形的概率。
（4）计算坝基和坝体各个点处的水力比降和渗流流速，尤其是渗流出逸处的渗流流速和水力比降要特别注意，并分析渗透稳定状态，为提高防渗、排渗的措施提供计算依据。
3.渗流模型简述
3.1 概述
渗流物理模型试验是数学模型确定计算参数，验证计算成果的一个重要途径，就是用与原型（坝体、岩体、或其它人工结构等）力学性质相似的材料按几何相似常数缩制成的模型。与数值模拟相比，更加直观，在无法描述渗流规律的微分方程的情况下，从试验中通过肉眼直接观察渗流现象。
将混凝土心墙与粘土心墙进行比较，采用物理模型与有限元分析结合的形式通过采用希尼尔水库大坝的外形，采用不同的心墙材质，测量与比较渗流情况。
坝体情况（表1）：
[土层信息]（表2，图1）
3.2 具体过程
两次试验大坝模型除心墙外均是均质的，粘土、细沙、石子的体积比均为8：3：1。采用层层铺垫的方式制作物理模型。大坝模型放于沙槽内，为长方体，尺寸为600mm×300mm×150mm，采用厚度为4mm的透明亚克力板，以便试验过程观察渗流情况。上游水位6米，下游水位0.5米。土石坝的渗透系数为0.027m/d，粘土心墙的渗透系数为0.015m/d，混凝土心墙的渗透系数为0.00001m/d.根据试验操作步骤，观察并记录两个试验的渗透情况，
3.2.1 粘土心墙（表3）
得到以下数据：
计算流量（表4）：
渗流量=0.02953m3/天
3.2.2 混凝土心墙（表5）：
得到以下数据：
计算流量（表6）：
渗流量=0.02784m3/天
4.结果分析
混凝土心墙和粘土心墙作为挡水建筑物的核心部位，保证大坝不透水，使其能够正常运行，是心墙的共同作用。而且它们都是位于坝体内部，暴露面小，受外部环境条件影响小。
通过试验数据压力水头，总水头，准流网图以及各点比降分析，对混凝土心墙与粘土心墙进行了直观的比较，在外部渗透系数相同的情况下，混凝土心墙的渗流量更小。
混凝土心墙材料为矿质材料按照一定的配合比配置而成，粘土心墙材料即为当地的粘土。混凝土心墙制作过程中要求结合面干净、干燥，对于细小的裂缝，通过混凝土覆盖后可自愈。粘土心墙要求结合面表面无松土、无砂砾及其他杂物、无积水且结合面必须湿润，当制作过程中出现细小裂缝时要洒水浸润一段时间后，并用苔布覆盖。
本试验通过对混凝土心墙和粘土心墙的渗流情况研究，为工程的设计以及施工方面提供理论依据，可以从施工方面注意这两种材质的主要质量控制点，尽可能满足质量要求以及在施工技术方面有所提高和创新。
参考文献
[1] 刘杰，土的渗透稳定与渗流控制[M].北京：中国水利水电出版社，1992.
[2] 魏光辉，复合土工膜防渗体系下的希尼尔水库大坝渗流分析[B].水电站设计，2014.
[3] 白俊文，无限深透水地基上土石坝坝基渗流控制计算模型研究[D].新疆农业大学硕士学位论文，2006.
[4] 顾慰慈，渗流计算原理及应用[M].北京：中国建材工业出版社，2000.
[5] 徐超，土工合成材料[M].北京：机械工业出版社，2010.
[关键词]土石坝1 渗流破坏2 滲流计算3 模型试验4
中图分类号：TV223.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）23-0150-02
1.引言
土石坝的历史要追溯到很久很久之前，土石坝的建设在历史上大多数国家中居于首要位置。土石坝有以下一些特点：它的取材很方便，就近原则，而且价格低廉；工程施工的速度非常快；施工导流易处理，拆除围堰简便；抵抗地震的能力好；有丰富的土坝修建经验，对于以前不能处理的一些技术性难题也伴随着生产力的不断发展和科技水平的提高，部分得到克服，这更加促进了人们大批量修建土石坝。而土石坝发生事故的案例也是最多的，可以说所谓大坝安全，主要是指土石坝安全。史上最严重溃坝——板桥水库。两座大型水库板桥水库和石漫滩水库在1975年8月差不多同时溃坝，这时因为暴雨发生，产生的溃坝灾害波及河南省南部驻马店地区的29个县市，一千多万人受灾，680余间房屋被毁，京广线铁路一百多公里路段被冲毁，48天无法正常通车，造成约100亿的直接经济损失。
2.渗流控制的形式与目的
2.1 粘性土渗透变形与渗透破坏形式
（1）流土：粘土在表层和其它细粒土共同组成的土体，其发生的流土破坏的现象。具体表现为土体的表面隆起顶穿、断裂、剥落。在出逸面无盖重的条件下发生的概率比较大。
（2）接触流土：在相邻两土层的渗透系数数值相差悬殊情况下，渗流沿着接触面垂直流动。土层中的小颗粒，由渗透系数较小的土层进入较大的土层中。在粘性土与粗粒材料接触处，渗流出逸的体积在土体产生毁坏之前，略微有增大的趋势，土冠升起或有裂缝出现，产生的流土呈圆锥状脱离表层。
（3）剥落：在经过粘性土，渗透水流向设有粗料材料盖重的一面渗透时，产生逐渐剥落形成深洼。发生的部位是在没有被粗料材料遮盖住的地方。粗粒土孔隙直径D0的1/2约为剥落深度。
（4）接触冲刷：沿着粗细土层的接触面产生渗流流动时，细颗粒随着渗流沿土层面被带走。
（5）发展性管涌：是指在一定的渗透水流作用下，管涌随时间不断发展，最终造成土体破坏。
2.2 土石坝渗流破坏的主要形式
（1）表层弱透水层被砂层地基的承压水顶穿，先形成局部的流土、管涌，并持续发展，最终穿透地基的上游形成连通的管道。
（2）大区域的沙沸发生在背水坡面，从而使坝脚逐渐软化引起塌落滑坡现象。
（3）渗流在下游排水装置顶部位置以上溢出，那么大面积散浸区会出现在下游坝面处，使坝体填土含水量增加变软，或者造成坝坡失稳。
（4）上游水位突然下降，大量的水储存在坝体内而不能够快速排出大坝，留存的水使孔隙水压力变大，下降速度超过了设计允许值，在下降水位附近可能形成滑坡现象。
（5）在防渗铺盖处或坝体的一些部位出现裂缝，造成漏水短路，使渗透压力增大或产生集中渗流，使坝体破坏。
2.3 渗流控制措施
研究渗流对土石坝造成的破坏情况，并且能够总结出渗流对土石坝造成的破坏的一般规律，对于破坏预防，正确发挥大坝的工程效益和社会效益，保障人民的生命和财产安全等各个方面具有重要的实际意义。确定水头位置、水流的流速和流量等基本物理量是土石坝渗流控制计算的最主要任务，再通过设计计算对工程的安全问题与带来的经济效益考虑，选择合理有效的渗流控制措施。
2.3.1 总体概述
渗流控制措施实际上使渗流的路径加长，在水头损失不变的情况下使渗透坡降在允许坡降的范围内，从而确保土石坝的渗透稳定性能，综合情况采用合理的排水方法来达到保障。土石坝渗流控制采用的是“上截下排”，就是堵截渗流途径要在坝轴线以上部位，反滤导渗等排水措施则布置在下游。水平防渗是在坝体上游加防渗铺盖，延长它的渗流路径，从而坡降就减小，渗漏损失也减小。垂直防渗分为水泥灌浆和化学灌浆这两种的灌浆帷幕，以及土工合成材料，即为土工膜，铺设起来工序简单，抗拉强度和塑性变形能力比较强。以及一般为粘土墙填筑的土质防渗体，用来控制确定大坝内浸润线的位置，从而保证渗流稳定。
2.3.2 具体介绍
（1）首先分析大坝上的某一点渗漏损失对整体水库蓄水的影响，再计算坝体的渗流量，并判断是否要采取防渗措施来减少坝体的渗流量。
（2）计算土石坝坝体的浸润线，分析土石坝坝坡是否处于稳定状态。
（3）计算坝基和坝体各个点处的孔隙水压力与水头数值，并确定分布和变化，预测产生渗透变形的概率。
（4）计算坝基和坝体各个点处的水力比降和渗流流速，尤其是渗流出逸处的渗流流速和水力比降要特别注意，并分析渗透稳定状态，为提高防渗、排渗的措施提供计算依据。
3.渗流模型简述
3.1 概述
渗流物理模型试验是数学模型确定计算参数，验证计算成果的一个重要途径，就是用与原型（坝体、岩体、或其它人工结构等）力学性质相似的材料按几何相似常数缩制成的模型。与数值模拟相比，更加直观，在无法描述渗流规律的微分方程的情况下，从试验中通过肉眼直接观察渗流现象。
将混凝土心墙与粘土心墙进行比较，采用物理模型与有限元分析结合的形式通过采用希尼尔水库大坝的外形，采用不同的心墙材质，测量与比较渗流情况。
坝体情况（表1）：
[土层信息]（表2，图1）
3.2 具体过程
两次试验大坝模型除心墙外均是均质的，粘土、细沙、石子的体积比均为8：3：1。采用层层铺垫的方式制作物理模型。大坝模型放于沙槽内，为长方体，尺寸为600mm×300mm×150mm，采用厚度为4mm的透明亚克力板，以便试验过程观察渗流情况。上游水位6米，下游水位0.5米。土石坝的渗透系数为0.027m/d，粘土心墙的渗透系数为0.015m/d，混凝土心墙的渗透系数为0.00001m/d.根据试验操作步骤，观察并记录两个试验的渗透情况，
3.2.1 粘土心墙（表3）
得到以下数据：
计算流量（表4）：
渗流量=0.02953m3/天
3.2.2 混凝土心墙（表5）：
得到以下数据：
计算流量（表6）：
渗流量=0.02784m3/天
4.结果分析
混凝土心墙和粘土心墙作为挡水建筑物的核心部位，保证大坝不透水，使其能够正常运行，是心墙的共同作用。而且它们都是位于坝体内部，暴露面小，受外部环境条件影响小。
通过试验数据压力水头，总水头，准流网图以及各点比降分析，对混凝土心墙与粘土心墙进行了直观的比较，在外部渗透系数相同的情况下，混凝土心墙的渗流量更小。
混凝土心墙材料为矿质材料按照一定的配合比配置而成，粘土心墙材料即为当地的粘土。混凝土心墙制作过程中要求结合面干净、干燥，对于细小的裂缝，通过混凝土覆盖后可自愈。粘土心墙要求结合面表面无松土、无砂砾及其他杂物、无积水且结合面必须湿润，当制作过程中出现细小裂缝时要洒水浸润一段时间后，并用苔布覆盖。
本试验通过对混凝土心墙和粘土心墙的渗流情况研究，为工程的设计以及施工方面提供理论依据，可以从施工方面注意这两种材质的主要质量控制点，尽可能满足质量要求以及在施工技术方面有所提高和创新。
参考文献
[1] 刘杰，土的渗透稳定与渗流控制[M].北京：中国水利水电出版社，1992.
[2] 魏光辉，复合土工膜防渗体系下的希尼尔水库大坝渗流分析[B].水电站设计，2014.
[3] 白俊文，无限深透水地基上土石坝坝基渗流控制计算模型研究[D].新疆农业大学硕士学位论文，2006.
[4] 顾慰慈，渗流计算原理及应用[M].北京：中国建材工业出版社，2000.
[5] 徐超，土工合成材料[M].北京：机械工业出版社，2010.