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土石坝渗流研究综述（丁树云
蔡正银）
2008
年
10
月
1
日
《人民长江》
编辑：
宋志宁
摘要
:
渗流和渗透控制是土石坝工程中的一项极其重要的课题，直
接关系到工程的安全和投资。
许多水工建筑物的失事都与渗流有关。从
渗流量计算、渗透变形、渗透控制、渗流的数值
模拟和渗透变形试验几
个方面总结了国内外的研究现状和成果。认为今后研究重点应放在
研制
能够测定宽级配料在有围压条件下垂直向、水平向临界水力坡降与渗透
系数的设备上，并应开展相应的理论分析。还应该研究建立渗透分析模
型，利
用其分析散粒体颗粒间受力相互作用发生变形的过程，并确立相
应的数值模拟方法。
关
键
词
: <
/p>
渗透变形
;
数值模拟
;
渗流量计算
;
临界水力比降
;
土石坝
1
概述
随着我国水利水电建设的快速发
展和“西电东输”水电项目的实
施，众多高土石坝的建设被提上了日程，特别在深厚覆盖
层河谷，地质
条件差，地震烈度高，多数坝高较大（尤其
200
m
以上）的大坝选择或拟
选择建土石坝。
渗流和渗透控制是土石坝工程中的一项极其重要的课题，
直接关系到工程的安全和投资
。许多水工建筑物的失事都与渗流有关，
例如
1964
年鲍德温山（
Baldwin Hills
）坝
由于铺盖与基础接触面产生
渗透破坏而失事，
1976
年堤堂（
Teton
）坝由于右岸一个窄断层发
生渗
透破坏，
不到
6h
就发生了跨坝事故。
根据我国对
241
座大型水库曾发生
的
1000
个工程安全问题所作的统计，其中有
37.1%
的安全问题是由
于渗
流引起的。
渗流是一门与水力学
和岩土力学有着密切关系的学科，随着近代科
学技术的不断发展，渗流在基本理论、试验
手段、计算方法和应用等方
面都得到了极大发展，逐渐成为一门专门的学科，已能解决各
种复杂的
工程问题。理论的发展与研究手段的进步是分不开的，主要表现在两个
方面:①渗流研究中已经比较普遍地使用了现代电子计算技术，
发展了数
值模拟方法;②渗流机理研究的试验手段日益先进。
土石坝是挡水建筑物，它和渗流并存，有土石坝就有渗流，土石坝
的发展
史也就是渗流理论和渗流控制理论的发展史。本文从渗流基本规
律、渗流中的数值模拟计
算、渗透特性的试验研究
3
个方面分析国内有
< br>关渗流问题的研究现状。
2
渗流基本规律研究
复杂的渗流问题需
要深入认识渗流的机理，对其正确认识是建立完
善的数学模型的前提，并有助于为生产实
践提出有关的建议。土石坝的
渗流问题归根到底主要是
3
个方面:①渗流计算;②渗透变形;③控制渗
流。
2.1
渗流量计算
在土石坝设计和运行管理中，渗流计算常占有重要的位置。设计土
石坝时
，需要通过渗流计算来确定渗漏损失和合理的防渗排渗措施，而
坝和坝型的断面尺寸也经
常需要借助渗流计算来比较确定。
从理论上讲，
土石坝渗流计算
是在已知定解条件（初始条件、边界条件）下解渗流基
本方程，以求出土石坝渗流场的水
头分布，进而计算渗流量和渗流水力
坡降等。迄今为止，已有大量文献介绍了建立在透水
或不透水地基上的
土石坝渗流计算方法。这些方法可概括为流体力学解法和水力学解法两
类。流体力学解法是一种严格的解析法，它在满足定解条件下求解渗流
< br>基本方程，
然后得到解的解析表达式。
水力学解法是一种
近似的解析法，
它基于对土石坝渗流作某些假定以及对局部急变渗流区段应用流体力学<
/p>
解析解的某些成果而求得渗流问题的解答，因此它并不适用于渗流基本
方程的求解。近代计算技术的发展和计算机的应用为土石坝渗流计算开
辟了新的途径
，各种复杂情况下的土石坝渗流都可以在计算机上模拟出
来，同时出现了很多用于渗流分
析的程序。
2.2
渗透变形
渗透变形是指坝体及坝基中
的渗流，由于其机械或化学作用，使土
体产生局部破坏。渗透变形的形式与土料性质、土
粒级配、水流条件以
及防渗、排渗措施等因素有关。粗粒土渗透变形破坏坡降的大小是水
利
水电工程中需要考虑的问题，我国科学家在总结前人的经验基础上，根
据单颗粒水力平衡关系，总结出了管涌的临界水力坡降简化式，国内外
一些渗流
理论专家根据力学平衡原理，通过理论推导，得出一些管涌和
流土的临界水力坡降模型公
式。如太沙基模型公式、伊斯托明娜管涌型
土的抗渗坡降公式、扎马林模型公式、沙金煊
公式、中国水利水电科学
研究院公式等，其具体形式在这里不再列举，这些公式都未考虑
与级配
特征有关的参数。目前的试验研究发现，这些理论公式与实测值之间存
在一些差距，在工程中未能得到较好的应用。
有
关渗透变形的研究，大多学者是从试验的角度进行的探索。郭爱
国［
1
］
，朱崇辉［
2
］
，刘杰等［
3
］
分别从渗透试验中
发现随着粗
细颗粒级配的不同，土的渗透机理将会发生改变，粗粒料较多时，粗粒
形成骨架，细颗粒充填其中，土的渗透破坏性质取决于粗颗粒的特征，
当粗粒含量较少时，不足以形成骨架，粗颗粒是散乱地堆积在细颗粒当
中，
土的渗透稳定性类似于细粒料。
不均匀系数小的土，颗粒大小均匀，
骨料与填料区别不明显，土体不能形成骨架结构，如果粒径较小，在较
小
的水头下，出口处小颗粒被水流带走，并逐渐发展为流土破坏。如果
不均匀系数较大，<
/p>
曲率系数也较大，
土体缺乏中间粒径，在土体结构中，
大颗粒形成的骨架结构空隙较大，小颗粒在大空隙中处于自由状态，在
较小
的水力坡降下，小颗粒土体被带走，形成管涌破坏，这种破坏形式
由于粗颗粒骨架还存在
，还能承担一定的水力坡降，土体结构并未完全
破坏。如土体不均匀系数较大，曲率系数
为
1
～
3
，土
体级配良好，土体
中颗粒大小渐变，空隙中填料被约束而处于固定状态，渗透破坏形式表
现为流土破坏。
朱崇辉［
2
］
通过试验发现
:
同类土体的渗透变形与土体
的密度有关，密度越小土体越疏松，在渗
透水流的作用下容易发生渗透
破坏
;
渗
透变形还与土体的粘聚力有关，
粘聚力越大，
土体间作用力越强
，
土体越稳定，越不容易发生渗透破坏。薛星祖［
4
］
分析砾质土的渗透
变
形
i
～
V
曲线
图，将其分为
3
个阶段
:
第
1
阶段，水力坡降和渗透流速
呈直线关系，
土样未破坏
;
第
2
阶段，
在一定渗透水流作用下发生管涌之
前，土体先出现压密或变松，细颗粒开始移动，开始出现潜蚀，即内部
< br>管涌，
移动的细颗粒淤积在通道的孔隙中，
使流速变小，
出现
i
～
V
曲
线
的第
1
折点，说明在土体内首先发生
了颗粒的调整和移位，已有内部管
涌发生
;
第
3
阶段，
出现骨架变形时为第<
/p>
2
折点，
线段几乎与流速坐标平
行，这是管涌通道发展的最终结果，这个阶段很短，而且变化很快。何
永
红［
5
］
等
在分析砂卵石的渗透变形的形成条件的基础上，对渗透变
形的形式进行了简要评价，并提
出了渗透变形临界坡降的计算方法。葛
建［
6
< br>］
、曾有丽［
7
］
阐述了堤防、水工建筑物渗透变形的类型、成<
/p>
因、规律，对渗透稳定性问题进行了分析研究。朱伟［
8
］
结合某工程
问题，
应用有限元饱和—非饱和渗流解析，对地基渗透破坏发生机制及
其影响因素做了分析和讨
论。李振［
9
］
比较详尽地介绍了黑河土石坝
筑坝材料在各种组合情况下的渗透稳定性及其特点，比
较全面地分析了
各种渗透势下的渗透变形机理。
根据上述分析，前面列举的与级配特征无关的计算式计算出的单一
结果与多组
不同级配特征下实测结果产生较大差距成为必然，认为用一
个统一的与级配无关的模型公
式表示级配复杂多样的粗粒土的渗透破坏
坡降，从理论上讲本身就存在缺陷，故应当考虑
粗粒土的级配对渗透变
形的影响。朱崇辉［
10
］
建议将级配特征相近的粗粒土进行分类研究，
建立分段统一的渗透破坏坡降模型表达式，将级配特征参数引入渗透破
坏模型公式。
2.3
渗流控制
从
20
世纪
80
年代开始，
闸坝基础渗流控制的原则逐渐明确为防渗、
排渗与反滤层保护渗流出口相结合
。对土石坝透水地基渗流控制方法主
要有
:
设置截水槽，
浇筑混凝土防渗墙或设灌浆帷幕，
铺筑上游水
平防渗
铺盖。
3
渗流的数值模拟计算
近代计算技术的
发展和计算机的应用为土石坝渗流计算开辟了新的
途径。各种复杂情况下的土石坝渗流，
都可以在计算机上模拟出来。实
践证明，利用数值方法求解均质或非均质、各向异性或各
向同性以及复
杂边界条件的土石坝渗流问题，虽然得到的解是近似的，然而却是满意
的解答，对于土石坝渗流问题，已基本上可取代模拟试验。由于数值模
拟无需复杂而专门的设备，不像常规物理试验那样需要很长的时间，修
改算法和模型都
比较方便，并且可以程序化，因而近年来有关渗流分析
的数值计算和模拟发展尤为迅速，
使得许多渗流力学难于解答的问题得
以重新认识。
在渗流的数值模拟方面，有科研院所自己编制的程序，如南京水利
科学研究
院结合生产任务应用有限元法研制的土坝渗流计算程序
UNSST2
，饱和—非饱和渗流计算程序
UNSAT2
，也有一些大型
商业软件中
含有的渗流分析模块，如理正渗流分析软件，
Pla
xis
中的
PlaxFlow
渗
流分析模块，
GeoStudio
中的
SEEP3D
模块，
SUSAP
饱和—非饱和土渗流
分析软件，
GMS
中
SEEP2D
模块等，更有广大科研工作者自己编
制的适用
于各种特殊情况下的小程序。采用的数学模型主要有有限单元法、有限
差分法、离散元法、无单元元法等。
目前研究
渗透变形的方法大都是基于连续介质力学理论，采用有限
元法对工程进行模拟计算，殷建
华［
11
］
利用有限元方法，采用饱和稳
定渗流模型模拟了管涌区长度和渗流系数改变对渗流场的影
响，分析由
此引起的最大流速和总流量的变化
;
张家发［
12
］
运用非稳定渗流场中
渗透变形扩展的数值模拟方法和有限元模拟程序
SDFEM
，对砂槽试验模
型进行了数值模拟
，并将模拟结果与试验结果进行了对比分析
;
杨林德
［
13
］
等将饱和土体视为均质、
连续的各向异性弹塑性多孔介质，根据
虚位移原理推导出饱和土体内各向异性渗流直接耦合的有限元法计算公
式
;Tien
kuen
Huang
（
1996
）［
14
］
用有限元分析了土石坝蓄水后在稳
定渗流下的渗透稳定性，
张我华
［
15
］
根据机理
模型从影响堤防和土石
坝管涌发生的诸多复杂因素中选出对管涌发生影响显著的几种因素
作为
系统输入来求解此问题
;Neuman
，
Shlomo P
（
1973<
/p>
）［
16
］
<
/p>
建立了一个
饱和—非饱和渗流模型，该模型可用于垂直渗流，也可
用于水平渗流，
可以分析轴对称情况下三维渗流
;Y.-
，
，
i
（
2003
）
［
17
］
用饱和—非饱和
渗流模型分析了一座土石坝断面的渗透稳定性
;
陈建生、
李兴文等［
18
］
对堤防渗流管涌发生后产生集中渗漏通道的机
理进行了深入的分
析探讨。倪小东、王媛［
19
］
将颗粒流程序运用于管
涌发展阶段的研究，从散粒体组成的多孔介质
的细观力学特征出发，运
用离散单元法研究了土体管涌机理，
并
得出管涌破坏的影响因素
;
对于基
于有
限元法计算无压渗流时，渗流自由面（浸润线）难以确定的问题，
引入无单元法来求解渗
流问题
;
党发宁等［
20
］
提出了一种渗流分析的
改变渗透系数的固定网格法。
Xu
，
Y
.-Q
（
1984
）［
21
］
Lam.L
（
1984
）
［
22
］
提出了非饱和土有限元分析模型。
4
渗透特性的试验研究
描述渗流运动的数学物理方程更加符合实际和进一步优化基本方程
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