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摘要：本文分析了在堤防设计中判别渗透破坏型式的重要性，阐述了三类基本判别方法，并介绍了渗透破坏型式判别方法的发展方向及应用。
关键词：堤防设计;渗透破坏型式;判别
0 引言
我国已建成堤防工程近30万公里，其中大部分为土堤[1]。随着汛期水位升高，堤防两侧的水头差越来越大，不仅堤坝浸润线抬升，渗流产生的渗透比降也会不断增大，当堤坝实际渗透比降超过筑堤土体临界渗透比降时，就会引起土体渗透破坏。据统计，由渗透破坏引起的溃堤比例超过30%，因渗流因素造成的病险堤坝比例超过50%[2]。渗透破坏包括管涌、流土、接触冲刷和接触流土四种形式。管涌和流土主要出现在单一土层中，而接触冲刷和接触流土多出现在多种土层中[3]。管涌和流土是渗透破坏的基本形式[4]。管涌主要发生在比较疏松的无黏性土中，即在渗流作用下土中细颗粒被水流由骨架空隙通道中被连续带走，常出现于堤坝下游坡面或下游地基表面砂砾土层渗流逸出处。流土是指在向上渗流作用下，表层土体出现隆起、被顶穿或土体中的粗细颗粒同时浮动的现象。通常，黏性土或类似主要由细颗粒组成的土层会发生被顶起现象，不均匀砂性土多出现粗细颗粒同时浮动的现象。区分渗透破坏形式的意义在于，堤防设计时只有选择合适的筑堤材料、防渗结构形式等措施，才能有效控制渗流，并防止渗透破坏对堤坝造成危害和不利影响。但实际筑堤土料非常复杂，渗透破坏型式常受到多种因素的影响，很多时候渗透特性难以简单地进行概括，渗透破坏形式的判别也存在着多种方法，每一种方法也都有一定适用范围，这对设计工作提出了更高要求，本文对有关研究成果进行了概括总结，现分述如下。
1 渗透破坏型式的基本判别方法
1.1 不均匀系数法
这种方法最早是由前苏联的伊斯托明娜（1957）[3～5]提出的，她认为土体受到自下而上的渗流作用时，渗流破坏型式主要是由土的不均匀系数（
）决定的，同时她给出判别关系：
<10，流土;10≤
≤20，流土或管涌;
>20，管涌。经过实践证明，只有
<10时较为准确，
>10误差较大。《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487-2008）附录G“土的渗透变形判别”引用了部分成果，将无黏性土
≤5判为流土，
>5采用细粒含量法判别。
1.2 细粒粒径对比法
该方法采用土体中某一细粒粒径与土体空隙平均直径之比作为判别土的渗透破坏型式的依据。例如普拉维登ГХ[4]指出：天然土颗粒满足
（
为土体孔隙率），则渗透破坏型式为流土，否则即为管涌。实践证明，该方法仅适用于连续级配土。再如康德拉切夫ВН提出依据土的颗粒组成曲线形状与混合料中粗料孔隙率（
）这两种因素来判别渗透破坏型式，并将无黏性土颗粒组成形状分为单峰土和双峰土。单峰土为连续级配土，双峰土为缺少中间粒径的土。对于单峰土，
>50%为流土;
<50%为非危险性管涌。对于双峰土，水力当量孔径
>
为危险性管涌，否则为非危险性管涌。 1.3 土体细粒含量判别法
我国水利水电科学研究院刘杰和南京水利科学研究院金煊[4，5]分别提出了细粒含量判别法。刘杰给出的临界细粒含量计算式为
，渗透破坏判别关系为：
<25%，管涌;25%<
<35%，过渡型;
>35%，流土。金煊的临界细粒含量计算式为
，渗透破坏判别关系为：实际土体中的细粒含量
>
，流土;
<
，管涌。《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）采用
计算临界细粒含量，实际土的细粒含量
≥
为流土，
<
为管涌，但GB 50487-2008取消了该判别式，条文说明中给出的理由是实际应用中存在一定不确定性。对于
>5的无黏性土，GB 50487的判别关系近似刘杰的方法，其中
的确定方法是：对于不连续级配土，采用颗粒分布曲线上形成的平缓段的最大粒径与最小粒径的平均值或最小粒径作为粗细颗粒区分粒径
，相应这个粒径的细粒含量;对于连续级配土，采用
确定区分粒径，其对应的细粒含量。同时，GB 50487给出了接触冲刷和接触流土判别方法，这里不再赘述，请读者参阅GB 50487附录G。
2 渗透破坏型式判别方法的发展与应用
2.1 渗透破坏型式判别方法的发展 前面介绍的几种方法在特定条件下对土的渗透破坏型式判别准确，一些比较复杂情况的判别不准确或者不确定，例如单一无黏性土的渗透破坏型式可能是流土，也可能是管涌，这与土体内部空隙率及可移动的细粒数量有关，在过渡区域就无法判定是流土还是管涌。目前，研究人员主要从以下几个方向解决这些难题：一是利用一些已在其他学科成功应用的理论解决比较复杂的问题，如人工神经网络、多元统计分析中的Fisher判别法、分形理论等;二是通过渗透变形试验确定渗透破坏型式和过程，如砂槽模拟试验;三是采用数值方法进行模拟，如有限单元法等;四是根据堤防渗透稳定性不确定性因素，采用基于可靠度理论风险评价方法，通过分析渗透破坏的风险概率，建立渗透破坏的临界值。下面对这些方法进行简要介绍。
2.2几种理论方法的应用
人工神经网络（ANN）是目前应用非常广的一个方法，其最大特点是模拟人脑神经系统，具有自适应、自学习、自组织能力。往常，应用ANN需要熟练的计算机编程能力，这对一般人来说有些困难。Matlab是世界三大著名数学软件之一，里面的神经网络工具箱可用于土的渗透破坏型式判别。赵正信等[5]利用三层BP神经网络建立无黏性管涌型土的预测模型，采用14个已知渗透破坏型式的试验样品进行训练，抽取这些样品中
、
、
、
、
、
和
（孔隙率）作为特征数据。经过13次训练达到目标误差要求后，再以另25种土样进行预测，预测结果与试验结果完全吻合，说明这种方法可行。
Fisher判别分析法是多元统计分析中的一种方法，其实质是将难以识别的高维数据（特征向量）投影到低维空间上（例如一条直线上），也就是高维压缩成一维，再根据一定规则（例如不同类之间距离最远、同类内部距离最小）建立判别函数（如一元方差分析函数），就可以进行判别了。这种方法已经在多个领域得到应用，岩土工程领域也有应用，如砂土液化预测。姜春露等[4]采用Fisher判别分析法建立了渗透破坏类型判别的FDA模型，也就是利用上述赵正信等人的39个样本中的30个计算出模型函数系数，再利用回代估计法进行检验，结果误判率为0。然后采用另外9个样本数据进行预测，同样与试验结果有良好的吻合。如同赵正信等人利用Matlab软件，姜春露等人利用了著名统计软件SPSS中“分析（analyze）”菜单下“分类（classify）”子菜单中的“判别（discriminant）”工具。
分形理论是法国数学家Mandelbrot创立的，根据自然界中特有的自相似性（局部与整体的相似性）进行分维处理，可以解决土的渗透破坏类型判别复杂的问题。段祥宝等[2]将37组土样根据颗粒分析、干密度、渗透系数、渗透变形试验结果进行了分形，计算了分维数，并进行了分区，得到了特征参数与分维数的关系，例如土体渗透变形分形特征，
≤2.35为流土变形区，2.35<
≤2.65为流土或管涌，
>2.65为管涌区。
2.3试验方法的应用
如前所述，堤防的渗透破坏极具复杂性和随机性，尽管已经开展了大量理论研究，目前仍无法完全脱离试验解决所有问题，理论和试验结合是解决复杂问题的最有效途径。刘运化等[1]对无黏性土及黏性土的渗透破坏进行了试验，对渗透破坏过程进行了观察和分析。试验装置采用了《土工试验规程》（SL237-1999）SL237-014中3.1.1的装置。通过不同土体渗透变化特征，可判别渗透破坏型式。例如土体渗透破坏都会经历孕育-发生-发展-破坏过程，流土型无黏性土已进入发展阶段稳定性较差，但管涌型砂砾料处于第四阶段未破坏骨架时仍具有一定稳定性，这就容易判别这两种土的渗透破坏类型。
2.4数值方法的应用
数值方法也是基于现有理论或已知试验数据进行建模，然后就可以对未知渗透破坏类型的土样进行模拟研究并预测其形式。与试验方法比较，数值方法周期较短，花费较省，但仍采用现有试验数据进行验证。刘先珊等利用3维颗粒流数值模型对砂土介质的渗透性进行了模拟研究，为从宏细观角度了解和判别砂沸、管涌和流土等特征提供了新的技术手段。
3 结语
基于实际工程土体的复杂性，渗透破坏型式的研究一直十分活跃。作
为水工设计人员不仅应该熟悉规范或教科书中的判别方法，还应当了解新的方法，这样在设计过程中加以应用，必定有益于设计工作，对于提高设计质量肯定也是有帮助的。
参考文献：
[1]刘运化，杨超，段祥宝，等.无粘性土及粘性土渗透破坏试验与渗透变形分析[J].水电能源科学，2013，31（7）：104-107.
[2]段祥宝，刘运化，杨超，等.土体渗透变形及渗透破坏过程中分形特征初探[J].水电能源科学，2013，31（7）：100-103，214.
[3]林继镛，王光纶.水工建筑物[M].5版.北京：中国水利水电出版社，2009.
[4]姜春露，姜振泉，孙强，等.基于Fisher判别分析法的无粘性土渗透破坏类型判别[J].应用基础与工程科学学报，2012，20（5）：820-827.
[5]赵正信，陈建生，陈亮.无黏性管涌型土的BP神经网络判别法研究[J].岩土工程学报，2008，30（4）：536-540.
[6]刘先珊，刘洋.考虑流固耦合效应的饱和砂土渗透破坏数值模拟[J].兰州大学学报（自然科学版），2013，49（5）：633-638，643.
关键词：堤防设计;渗透破坏型式;判别
0 引言
我国已建成堤防工程近30万公里，其中大部分为土堤[1]。随着汛期水位升高，堤防两侧的水头差越来越大，不仅堤坝浸润线抬升，渗流产生的渗透比降也会不断增大，当堤坝实际渗透比降超过筑堤土体临界渗透比降时，就会引起土体渗透破坏。据统计，由渗透破坏引起的溃堤比例超过30%，因渗流因素造成的病险堤坝比例超过50%[2]。渗透破坏包括管涌、流土、接触冲刷和接触流土四种形式。管涌和流土主要出现在单一土层中，而接触冲刷和接触流土多出现在多种土层中[3]。管涌和流土是渗透破坏的基本形式[4]。管涌主要发生在比较疏松的无黏性土中，即在渗流作用下土中细颗粒被水流由骨架空隙通道中被连续带走，常出现于堤坝下游坡面或下游地基表面砂砾土层渗流逸出处。流土是指在向上渗流作用下，表层土体出现隆起、被顶穿或土体中的粗细颗粒同时浮动的现象。通常，黏性土或类似主要由细颗粒组成的土层会发生被顶起现象，不均匀砂性土多出现粗细颗粒同时浮动的现象。区分渗透破坏形式的意义在于，堤防设计时只有选择合适的筑堤材料、防渗结构形式等措施，才能有效控制渗流，并防止渗透破坏对堤坝造成危害和不利影响。但实际筑堤土料非常复杂，渗透破坏型式常受到多种因素的影响，很多时候渗透特性难以简单地进行概括，渗透破坏形式的判别也存在着多种方法，每一种方法也都有一定适用范围，这对设计工作提出了更高要求，本文对有关研究成果进行了概括总结，现分述如下。
1 渗透破坏型式的基本判别方法
1.1 不均匀系数法
这种方法最早是由前苏联的伊斯托明娜（1957）[3～5]提出的，她认为土体受到自下而上的渗流作用时，渗流破坏型式主要是由土的不均匀系数（
）决定的，同时她给出判别关系：
<10，流土;10≤
≤20，流土或管涌;
>20，管涌。经过实践证明，只有
<10时较为准确，
>10误差较大。《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487-2008）附录G“土的渗透变形判别”引用了部分成果，将无黏性土
≤5判为流土，
>5采用细粒含量法判别。
1.2 细粒粒径对比法
该方法采用土体中某一细粒粒径与土体空隙平均直径之比作为判别土的渗透破坏型式的依据。例如普拉维登ГХ[4]指出：天然土颗粒满足
（
为土体孔隙率），则渗透破坏型式为流土，否则即为管涌。实践证明，该方法仅适用于连续级配土。再如康德拉切夫ВН提出依据土的颗粒组成曲线形状与混合料中粗料孔隙率（
）这两种因素来判别渗透破坏型式，并将无黏性土颗粒组成形状分为单峰土和双峰土。单峰土为连续级配土，双峰土为缺少中间粒径的土。对于单峰土，
>50%为流土;
<50%为非危险性管涌。对于双峰土，水力当量孔径
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为危险性管涌，否则为非危险性管涌。 1.3 土体细粒含量判别法
我国水利水电科学研究院刘杰和南京水利科学研究院金煊[4，5]分别提出了细粒含量判别法。刘杰给出的临界细粒含量计算式为
，渗透破坏判别关系为：
<25%，管涌;25%<
<35%，过渡型;
>35%，流土。金煊的临界细粒含量计算式为
，渗透破坏判别关系为：实际土体中的细粒含量
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，流土;
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计算临界细粒含量，实际土的细粒含量
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为流土，
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为管涌，但GB 50487-2008取消了该判别式，条文说明中给出的理由是实际应用中存在一定不确定性。对于
>5的无黏性土，GB 50487的判别关系近似刘杰的方法，其中
的确定方法是：对于不连续级配土，采用颗粒分布曲线上形成的平缓段的最大粒径与最小粒径的平均值或最小粒径作为粗细颗粒区分粒径
，相应这个粒径的细粒含量;对于连续级配土，采用
确定区分粒径，其对应的细粒含量。同时，GB 50487给出了接触冲刷和接触流土判别方法，这里不再赘述，请读者参阅GB 50487附录G。
2 渗透破坏型式判别方法的发展与应用
2.1 渗透破坏型式判别方法的发展 前面介绍的几种方法在特定条件下对土的渗透破坏型式判别准确，一些比较复杂情况的判别不准确或者不确定，例如单一无黏性土的渗透破坏型式可能是流土，也可能是管涌，这与土体内部空隙率及可移动的细粒数量有关，在过渡区域就无法判定是流土还是管涌。目前，研究人员主要从以下几个方向解决这些难题：一是利用一些已在其他学科成功应用的理论解决比较复杂的问题，如人工神经网络、多元统计分析中的Fisher判别法、分形理论等;二是通过渗透变形试验确定渗透破坏型式和过程，如砂槽模拟试验;三是采用数值方法进行模拟，如有限单元法等;四是根据堤防渗透稳定性不确定性因素，采用基于可靠度理论风险评价方法，通过分析渗透破坏的风险概率，建立渗透破坏的临界值。下面对这些方法进行简要介绍。
2.2几种理论方法的应用
人工神经网络（ANN）是目前应用非常广的一个方法，其最大特点是模拟人脑神经系统，具有自适应、自学习、自组织能力。往常，应用ANN需要熟练的计算机编程能力，这对一般人来说有些困难。Matlab是世界三大著名数学软件之一，里面的神经网络工具箱可用于土的渗透破坏型式判别。赵正信等[5]利用三层BP神经网络建立无黏性管涌型土的预测模型，采用14个已知渗透破坏型式的试验样品进行训练，抽取这些样品中
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（孔隙率）作为特征数据。经过13次训练达到目标误差要求后，再以另25种土样进行预测，预测结果与试验结果完全吻合，说明这种方法可行。
Fisher判别分析法是多元统计分析中的一种方法，其实质是将难以识别的高维数据（特征向量）投影到低维空间上（例如一条直线上），也就是高维压缩成一维，再根据一定规则（例如不同类之间距离最远、同类内部距离最小）建立判别函数（如一元方差分析函数），就可以进行判别了。这种方法已经在多个领域得到应用，岩土工程领域也有应用，如砂土液化预测。姜春露等[4]采用Fisher判别分析法建立了渗透破坏类型判别的FDA模型，也就是利用上述赵正信等人的39个样本中的30个计算出模型函数系数，再利用回代估计法进行检验，结果误判率为0。然后采用另外9个样本数据进行预测，同样与试验结果有良好的吻合。如同赵正信等人利用Matlab软件，姜春露等人利用了著名统计软件SPSS中“分析（analyze）”菜单下“分类（classify）”子菜单中的“判别（discriminant）”工具。
分形理论是法国数学家Mandelbrot创立的，根据自然界中特有的自相似性（局部与整体的相似性）进行分维处理，可以解决土的渗透破坏类型判别复杂的问题。段祥宝等[2]将37组土样根据颗粒分析、干密度、渗透系数、渗透变形试验结果进行了分形，计算了分维数，并进行了分区，得到了特征参数与分维数的关系，例如土体渗透变形分形特征，
≤2.35为流土变形区，2.35<
≤2.65为流土或管涌，
>2.65为管涌区。
2.3试验方法的应用
如前所述，堤防的渗透破坏极具复杂性和随机性，尽管已经开展了大量理论研究，目前仍无法完全脱离试验解决所有问题，理论和试验结合是解决复杂问题的最有效途径。刘运化等[1]对无黏性土及黏性土的渗透破坏进行了试验，对渗透破坏过程进行了观察和分析。试验装置采用了《土工试验规程》（SL237-1999）SL237-014中3.1.1的装置。通过不同土体渗透变化特征，可判别渗透破坏型式。例如土体渗透破坏都会经历孕育-发生-发展-破坏过程，流土型无黏性土已进入发展阶段稳定性较差，但管涌型砂砾料处于第四阶段未破坏骨架时仍具有一定稳定性，这就容易判别这两种土的渗透破坏类型。
2.4数值方法的应用
数值方法也是基于现有理论或已知试验数据进行建模，然后就可以对未知渗透破坏类型的土样进行模拟研究并预测其形式。与试验方法比较，数值方法周期较短，花费较省，但仍采用现有试验数据进行验证。刘先珊等利用3维颗粒流数值模型对砂土介质的渗透性进行了模拟研究，为从宏细观角度了解和判别砂沸、管涌和流土等特征提供了新的技术手段。
3 结语
基于实际工程土体的复杂性，渗透破坏型式的研究一直十分活跃。作
为水工设计人员不仅应该熟悉规范或教科书中的判别方法，还应当了解新的方法，这样在设计过程中加以应用，必定有益于设计工作，对于提高设计质量肯定也是有帮助的。
参考文献：
[1]刘运化，杨超，段祥宝，等.无粘性土及粘性土渗透破坏试验与渗透变形分析[J].水电能源科学，2013，31（7）：104-107.
[2]段祥宝，刘运化，杨超，等.土体渗透变形及渗透破坏过程中分形特征初探[J].水电能源科学，2013，31（7）：100-103，214.
[3]林继镛，王光纶.水工建筑物[M].5版.北京：中国水利水电出版社，2009.
[4]姜春露，姜振泉，孙强，等.基于Fisher判别分析法的无粘性土渗透破坏类型判别[J].应用基础与工程科学学报，2012，20（5）：820-827.
[5]赵正信，陈建生，陈亮.无黏性管涌型土的BP神经网络判别法研究[J].岩土工程学报，2008，30（4）：536-540.
[6]刘先珊，刘洋.考虑流固耦合效应的饱和砂土渗透破坏数值模拟[J].兰州大学学报（自然科学版），2013，49（5）：633-638，643.