本 科 生 毕 业 论 文
题 目：堤坝渗流分析与防渗技术研究
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层 次： 专科起点本科
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完成日期： 2021 年9月13日
堤坝渗流分析与防渗技术研究是堤坝除险加固的重要环节，堤坝渗流的破坏具有隐蔽性，特别是土质堤坝，渗透破坏在堤坝工程中非常普遍，要做好渗透破坏的除险加固工作，就要摸清险情，对症下药。首先要了解渗透破坏的类型并进行成因分析，然后根据渗流控制原则和具体的工程地质条件，选择经济合理的除险措施，最后按所选的防渗技术进行精心施工，达到根除渗透破坏的目的。
本文概述了堤坝渗流的危害、理论发展、主要计算方法、渗流分析的基础理论以及具体的防渗加固措施，并对不同的防渗处理方法的利弊作简要分析探讨，最后以红朝门水库土石坝防渗除险加固为实例，具体分析大坝渗流产生原因和采取防渗措施以及工程处理后的实际效果，总结土石坝防渗处理方法选择的一般性规律，供后期同类水库堤坝除险加固参考。
关键词：堤坝；渗流理论；防渗加固措施
目 录
建国以来,国家重视水利水电事业发展，堤坝的建设建设也得到了迅猛地发展，坝是水利工程中重要的一环，而在我国堤坝是应用最广的一种坝型，广泛用作水库的拦河坝及江河湖海的防护堤。江河湖泊的防 护堤几乎全部是堤坝。研究中，堤坝的经济效益和安全是人们关注的热点。经济效益主要涉及到堤坝渗漏情况，而堤坝的安全问题也 主要是由渗透破坏引起的，所以堤坝的渗流问题是研究的重点。 渗流分析是堤坝设计的重要组成部分，所设计工程能否安全可靠 和经济合理，很大程度上取决于能否正确进行渗流分析和选择合理 的渗流控制措施。堤坝运行管理中，由于实际建成的堤坝很难和设计阶段所预想的完全一致，同时有许多因素会促使运行中的堤坝渗 流条件不断改变，因此，也经常需要通过渗流计算分析坝体的稳定性，拟定必要的加固措施和方案
对于堤坝的渗流控制，应遵循“前堵、中截、后排”的原则。在堤坝除险加固工程中，防渗处理方案的选择，具体取决于防渗技术的功能性、可实施性、经济性、环境和安全性。因此，为了保证堤坝运行安全，对堤坝渗流进行安全检测并进行认真细致的分析，然后选择经济合理的防渗措施尤为重要。
1.1 堤坝渗流的危害
堤坝以及水库有部分建造在软土地基上，尤其是土石坝的筑坝土与坝基土渗透系数较大，如果不进行渗流分析和采取正确的防渗措施，往往会造成坝身、坝基渗漏过大，从而产生较大的危害，渗流产生的危害主要有：
①堤坝渗流过大，损失水库蓄水量。一般来说，水库坝身、坝基透水性比较强。如果防渗不当，那么水库水大量下渗，应有的蓄水量减少，工程效益降低，甚至导致水库无法蓄水的现象，并引发水库周围土地沼泽化，污染环境。
②浸润线过高，影响坝体稳定。严重的坝身和坝基渗漏，常会导致坝身浸润线抬高，使下游坝坡出现散浸现象，降低坝体的抗剪强度，甚至造成坝体滑坡。
③渗透破坏。在坝身或坝基发生渗流时，若渗流的渗透坡降大于临界坡降，将诱使土体发生管涌或流土等渗透变形，甚至产生集中渗漏，导致垮坝失事。
1.2 堤坝渗流理论的发展
随着我国水利水电工程建设的迅速发展，水工建筑物的安全性越来越受到重视。而渗流作用对堤坝的影响不容忽视，所以对渗流理论进行研究并采取正确的防渗处理措施就显得越来越重要。
渗流理论的研究大致经历了三个大的发展阶段：即
（1）初始阶段。1856年法国的工程师亨利.达西通过长期试验得出水通过均质砂的渗透规律，即著名的达西定律，该定律是对地下水运动规律定量化认识的开始，目前它仍是研究地下水运动的基础理论。
与达西同时期的J.丢普依特（1863）根据Darcy定律研究了地下水一维稳定流动和水井稳定运动规律。P.弗克海那（1901）等又研究了更为复杂的地下水渗流问题，从而奠定了地下水稳定渗流理论的基础。
稳定渗流理论不包括时间变量，只能用以描述地下水所能达到的一种暂时的、相对的平衡状态，而不能反应不断变化的地下水实际运动状态。这一阶段的主要标志是以C.列宾逊、M.麦斯盖特等学者利用一般的有关连续介质力学的概念建立了以研究水井渗流问题为特征的古典水动力学渗流理论。
（2）发展阶段。梅内泽（1928）研究了地下水运动的不稳定性及承压含水层的贮水性质；C.V.Theis（1935）在此基础上提出了地下水向承压水井的非稳定渗流公式，将热传导求解技术应用到研究地下水运动规律的领域。而后，博尔顿，汉图什，纽曼等进行了不同条件下地下水非稳定渗流运动的理论研究，并各自推导出各种条件下地下水非稳定渗流运动的解析公式，推广了Theis公式，同时建立了地下水渗流理论和潜水含水层的非稳定流理论。
这一阶段的主要特点是出现了各种严格定量的水动力学方法，从宏观研究入手，用连续介质方法对均质液体的各种渗流问题进行了大量的理论研究。
（3）深化阶段。从二十世纪五十年代至六十年代前期，以电网络为代表的模拟技术逐渐成为研究地下水渗流问题的主要手段。六十年代以后，以计算机为基础的数值模拟技术又使人们在分析地下水运动问题的能力获得了突破性进展。数值解法早期多采用有限差分法，1956年，扎克维兹（Zienkiewicz）将有限元引入地下水渗流领域，威尔逊提出了地下水渗流运动方程的广义变分原理，为用有限元法求解渗流问题奠定了数学物理基础，纽曼，普林德等又进一步完善了有限元的求解过程。
1.3 堤坝渗流计算的主要方法
堤坝渗流计算可采用理论解法和数值解法。
（1）渗流的理论计算方法。堤坝渗流的理论分析方法有流体力学法和水力学法两类。
流体力学法是根据流体力学原理及渗流边界条件直接解渗流问题的一种方法，计算结果比较精确，可以计算渗流场中任意一点的渗流要素(如渗流水头、渗透压力、渗透坡降、渗透流速和通过任意截面的渗流量)，但是这种方法计算比较复杂，目前只能对几种比较简单的渗流边界有解答。水力学法是建立在对渗流条件作某些简化基础上的一种方法。该法主要是对上和下游坝段及流线作一些假定，将渗流域简化，一般对上游三角形坝段有平均流线法和矩形替代法，对下游有垂直等势线法、圆弧形等势线法、折线等势线法等。水力学法计算比较简单，能用于计算各种实际渗流问题，但这种方法能得出渗流场中某一渗流截面的平均渗流要素，同时由于其基本假定与实际情况有一定出入，所以计算结果存在一定误差。为了弥补这一缺陷，目前采取的方法是由流体力学和试验方法对水力学法进行局部修正，以提高其计算精度。
（2）渗流的数值计算方法。数值方法分为有限单元法和差分法两种。
应用有限单元法进行渗流计算，首先建立数学模型来描述渗流运动的数学方程式和初始条件、边界条件，然后将研究的渗流区域离散化即在空间上分割为有限个小区域，在时间上划分为若干时段进行计算求解，这样，未知量（水力要素）随空间和时间的变化过程就被模拟出来。由于描述流体的控制方程是二阶非线性的，精确解只适合于高度简化的理想情况。在非稳定渗流中，渗流自由面随时间而变化，渗流场的形状和边界条件也较复杂，且不同程度的具有非均质各向异性的特点。特别是根据不同情况改变任意单元的形状和大小时，有限单元法更能体现出其优越性。有限单元法是目前解决复杂渗流问题的最有效方法，对ⅠⅡ级坝和高坝应采用数值法计算渗流场的要素。
差分法是将渗流基本方程转变为差分方程，并采用逐步逼近的计算方法来求得渗流场中各点处的水头。差分法原理简单易懂、算式简单、有简单的理论基础，但往往局限于规则的差分网格，对曲线边界和渗透介质的各向异性模拟比较困难。有限单元法是将实际的渗流场离散为有限个单元体，并首先求得单元体节点处的水头，同时假定在每个单元内的渗透水头成线形变换，因此可求得渗流场中任一点处水头和其它渗流要素。
1.4 本章小结
我国水利水电工程建设的迅速发展，水工建筑物的安全性越来越受到重视。而渗流作用对堤坝的影响不容忽视，所以对渗流理论进行研究并采取正确的防渗处理措施就显得越来越重要。如果不进行渗流分析和采取正确的防渗措施，往往会造成坝身、坝基渗漏过大，从而产生较大的危害。堤坝渗流计算可采用理论解法和数值解法。
水或其它流体在岩土等孔隙或裂隙介质中的流动，可以统称为渗流，其流动的性质取决于作为渗流骨架的岩土性质与其中流体的性质。
多孔介质中的地下水运动，包括两大类，运动特点各不相同，分别满足于孔隙水和裂隙岩溶水的特点。第一类为地下水在多孔介质的孔隙或遍布于介质中的裂隙运动，具有统一的流场，运动方向基本一致；另一类为地下水沿大裂隙和管道的运动，方向没有规律，分属不同的地下水流动系统。
地下水的运动除与水的物理性质有关外，岩土的特性对水的渗透性质有很大的影响，一般可将岩土分类为(一)均质岩土 渗透性质与渗流空间的位置无关。均质岩土又分成：(1)各向同性岩土，其渗透性质与渗流的方向无关，例如沙土。(2)各向异性岩土，渗透性质与渗流方向有关，例如黄土、沉积岩等。(二)非均质岩土 渗透性质与渗流场空间点位置有关。
2.1 达西定律
达西定律是反映水在岩土孔隙中渗流规律的实验定律。地下水在土体孔隙中渗透时，由于渗透阻力的作用，沿程必然伴随着能量的损失。
达西定律（1856年）
表达式：Q=KAJ=KA(H1-H2)/L, V=Q/A=KJ
其中:
Q——渗透流量，亦即通过过水断面A的流量(m3/d)；
V——渗流速度（cm/s）
K——多孔介质的渗透系数(m/d)；
A——过水断面面积(m2) ；
H1、H2——上、下游过水断面的水头(m)；
L——渗透途径 (m)；
J——水力梯度（J = (H1-H2)/L），等于两个计算断面之间的水头差除以渗透途径，亦即渗透路径中单位长度上的水头损失。
（2）在实际的地下水流中，水力坡度往往是各处不同，此时达西定律的微分形式：V=KJ=-KdH/dn, 式中：-dH/dn—— 水力坡度（水力比降）。
Ｖx＝－KdH/dx，Vy=－ＫdH/dy，Vz=－ＫdH/dz
（3）达西定律的矢量形式：＝Ｖx＋Ｖy＋Ｖz
