堤防稳定渗流形成条件初探

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堤防稳定渗流计算是堤防工程设计的重要组成部分，依据《堤防工程设计规范》条文说明8.1.2、8.1.3“大江大湖堤防，汛期挡水时间长，能形成稳定渗流浸润线，海堤及有些江湖堤防挡水时间短，在汛期往往未能形成稳定渗流，因此，应根据实际情况按稳定渗流或不稳定渗流计算浸润线及渗流稳定性”。如何判断堤防能否形成稳定渗流，笔者就这一问题提出初步思路，以供探讨。

　　1.影响稳定渗流形成因素分析

　　1.1设计洪水过程我国河流众多，其所处地理、气候条件差异很大，各次洪水成因及特性亦不相同。暴雨形成的洪水过程常为峰高、量大、涨水急剧、落水缓慢。而冰雪融化所造成的洪水，流量涨落较缓慢。此外，洪水过程线形状与流域产汇流条件密切相关，山区河流因坡陡流急，多出现峰高、量小、暴涨暴落的洪水，而大江大河多出现涨落平缓、历时很长的洪水。

　　在堤防断面形成稳定渗流的洪水，往往需要一定的历时（T=L/V，T为堤防断面某一特征水位形成稳定渗流所需时间，V为渗流速度，L为渗径），因此，能够在堤防断面形成稳定渗流的洪水，需要长历时、高水位的洪水过程，相应设计洪水过程线要选取相对峰型稍胖、峰值较高的过程。一般来说，大江大河的堤防工程易形成稳定渗流，山区河流堤防相对不易形成稳定渗流，另外蓄滞洪区堤防在大洪水期挡水时间较长，也容易形成稳定渗流。

　　另外，对于设计洪水过程，其水位—历时呈反比函数关系，水位越大，历时越短，对于能够形成稳定渗流的堤防，由于所采用设计水位为峰值水位，持续时间很短，不易形成稳定渗流，而只有持续时间足够长的某一腰值水位及其以下水位，才会在堤防断面形成稳定渗流，设计时应考虑最不利情况，以能形成稳定渗流的最高水位最为计算水位，进行稳定渗流分析，当然，对《堤防工程设计规范》中另有规定的大江大湖的堤防或中小河湖重要堤段应按设计洪水位稳定渗流计算。

　　1.2堤基及堤防填筑料一般来说，形成稳定渗流主要与堤基及堤防填筑材料的渗透系数ks有关，此外受孔隙率等条件影响，这些因素直接决定堤防渗流速度，依据达西定律（V=ks×J ， ks—渗透系数， J—水力坡降），渗透系数越大，越容易形成稳定渗流。因此，对于由砂土、砂壤土等渗透系数较大的材料构筑的堤防，较粘土、壤土构筑的堤防形成稳定渗流容易，强透水性堤基较弱透水堤基易形成稳定渗流。

　　1.3堤防断面形式堤防断面形式直接影响稳定渗流的形成。

　　①堤顶宽度越大，比降越缓，渗径越长，越不容易形成稳定渗流；而堤防高度越大，说明该处地面较低，相应堤脚以上水位持续时间较长，形成稳定渗流的可能越大。

　　②堤防上游坡的防渗情况亦很大程度决定着稳定渗流的形成，上游坡如果有良好的防渗措施，如防渗土工布铺设、粘土斜墙、基础截渗墙等，通过对水头的削减降低平均流速，使稳定渗流不易形成。

　　2.稳定渗流计算水位的确定

　　2.1设计洪水与设计洪水过程线设计洪水一般以设计洪峰流量、设计时段洪水总量、设计洪水过程线来表达，设计洪水的洪峰、洪量计算通过特大洪水重现期调查、系列频率分析、合理性检查确定，与水库等水利工程相同。而稳定渗流计算时，其设计洪水过程的选择原则应有所不同

　　1）典型洪水过程应具有代表性，应在汛期大洪水中选取。洪水的历时、峰量关系、主峰位置均能代表汛期流域较大洪水特性的实测洪水过程。

　　2）尽量选择高水位、长历时的洪水过程，设计洪水过程线要选取相对峰型稍胖、峰值较高的过程。主峰位置偏后的洪水，更为危险。因前面的洪水已经形成一定的浸润线，又来了洪水主峰，浸润线的叠加使稳定渗流更易形成，因此是最不利的典型，而水库工程典型洪水过程的选取一般是以“峰高量大、主峰位置偏后”为原则。

　　日本国土开发技术研究中心编著出版的《河流土工手册》中指出“在堤防设计时，如果设计洪水位低、洪水历时短，可以认为安全上没有什么特殊问题。对于设计洪水位高、洪水历时长的区间要充分考虑地基和堤体的条件、背后地的条件及河流特性，设计洪水位和洪水持续时间，确定堤身稳定度。”从另一方面说明，应以高水位、长历时作为典型洪水过程的选取原则。

　　按照上述条件可以选择一个或多个典型洪水过程线，经分时段同频率放大后作为设计洪水过程，供计算选用。

　　设计洪水过程确定后，分别在腰值选定一组水位，求出其持续时间，在坐标纸上点绘其不同时间对应水位，绘制一组设计洪水水位—历时曲线。

　　典型洪水过程只发生在某水文站断面处的洪水，但往往能代表该段河段的洪水过程，河道其它断面处洪水可采取等量移植法，认为其涨水降水速度是相等的。

　　2.2渗流水位—历时关系的推求选择堤防代表断面，拟定不同水位进行稳定渗流分析计算，反算所需要的渗流时间，首先经试算确定不同水位在堤防断面形成的渗流浸润线（可采用原能源部、水利部水利水电规划设计总院1990年推广采用的（DQB）土石坝二向稳定及非稳定渗流计算程序计算），求出不同水位的稳定渗流比降J，根据达西定律V=ks×J，计算假想平均流速，则其所需相应渗流历时T=L/V，得到一组渗流水位—历时关系。

　　2.3计算水位的确定将设计洪水过程所确定的洪水水位—历时关系及稳定渗流水位—历时关系绘制于同一张坐标纸上，其交点对应水位即为所求计算水位，如果有几组洪水过程的水位—历时曲线都与渗流水位—历时关系曲线相交，其交点对应水位最高的水位为所要求计算水位，如果不能相交，则该堤防断面不能形成稳定渗流。