堤防設(shè)計(jì)中滲透破壞型式判別方法

摘要：本文分析了在堤防設(shè)計(jì)中判別滲透破壞型式的重要性，闡述了三類基本判別方法，并介紹了滲透破壞型式判別方法的發(fā)展方向及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：堤防設(shè)計(jì);滲透破壞型式;判別

0"引言

我國已建成堤防工程近30萬公里，其中大部分為土堤[1]。隨著汛期水位升高，堤防兩側(cè)的水頭差越來越大，不僅堤壩浸潤線抬升，滲流產(chǎn)生的滲透比降也會不斷增大，當(dāng)?shù)虊螌?shí)際滲透比降超過筑堤土體臨界滲透比降時，就會引起土體滲透破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由滲透破壞引起的潰堤比例超過30%，因滲流因素造成的病險堤壩比例超過50%[2]。滲透破壞包括管涌、流土、接觸沖刷和接觸流土四種形式。管涌和流土主要出現(xiàn)在單一土層中，而接觸沖刷和接觸流土多出現(xiàn)在多種土層中[3]。管涌和流土是滲透破壞的基本形式[4]。管涌主要發(fā)生在比較疏松的無黏性土中，即在滲流作用下土中細(xì)顆粒被水流由骨架空隙通道中被連續(xù)帶走，常出現(xiàn)于堤壩下游坡面或下游地基表面砂礫土層滲流逸出處。流土是指在向上滲流作用下，表層土體出現(xiàn)隆起、被頂穿或土體中的粗細(xì)顆粒同時浮動的現(xiàn)象。通常，黏性土或類似主要由細(xì)顆粒組成的土層會發(fā)生被頂起現(xiàn)象，不均勻砂性土多出現(xiàn)粗細(xì)顆粒同時浮動的現(xiàn)象。區(qū)分滲透破壞形式的意義在于，堤防設(shè)計(jì)時只有選擇合適的筑堤材料、防滲結(jié)構(gòu)形式等措施，才能有效控制滲流，并防止?jié)B透破壞對堤壩造成危害和不利影響。但實(shí)際筑堤土料非常復(fù)雜，滲透破壞型式常受到多種因素的影響，很多時候滲透特性難以簡單地進(jìn)行概括，滲透破壞形式的判別也存在著多種方法，每一種方法也都有一定適用范圍，這對設(shè)計(jì)工作提出了更高要求，本文對有關(guān)研究成果進(jìn)行了概括總結(jié)，現(xiàn)分述如下。

1"滲透破壞型式的基本判別方法

1.1"不均勻系數(shù)法

這種方法最早是由前蘇聯(lián)的伊斯托明娜（1957）[3～5]提出的，她認(rèn)為土體受到自下而上的滲流作用時，滲流破壞型式主要是由土的不均勻系數(shù)（）決定的，同時她給出判別關(guān)系："lt;10，流土;10≤≤20，流土或管涌;"gt;20，管涌。經(jīng)過實(shí)踐證明，只有lt;10時較為準(zhǔn)確，"gt;10誤差較大?！端姽こ痰刭|(zhì)勘察規(guī)范》（GB"50487-2008）附錄G“土的滲透變形判別”引用了部分成果，將無黏性土≤5判為流土，>5采用細(xì)粒含量法判別。

1.2"細(xì)粒粒徑對比法

該方法采用土體中某一細(xì)粒粒徑與土體空隙平均直徑之比作為判別土的滲透破壞型式的依據(jù)。例如普拉維登ГХ[4]指出：天然土顆粒滿足（為土體孔隙率），則滲透破壞型式為流土，否則即為管涌。實(shí)踐證明，該方法僅適用于連續(xù)級配土。再如康德拉切夫ВН提出依據(jù)土的顆粒組成曲線形狀與混合料中粗料孔隙率（）這兩種因素來判別滲透破壞型式，并將無黏性土顆粒組成形狀分為單峰土和雙峰土。單峰土為連續(xù)級配土，雙峰土為缺少中間粒徑的土。對于單峰土，>50%為流土;<50%為非危險性管涌。對于雙峰土，水力當(dāng)量孔徑>為危險性管涌，否則為非危險性管涌。

1.3"土體細(xì)粒含量判別法

我國水利水電科學(xué)研究院劉杰和南京水利科學(xué)研究院金煊[4，5]分別提出了細(xì)粒含量判別法。劉杰給出的臨界細(xì)粒含量計(jì)算式為，滲透破壞判別關(guān)系為：<25%，管涌;25%<<35%，過渡型;>35%，流土。金煊的臨界細(xì)粒含量計(jì)算式為，滲透破壞判別關(guān)系為：實(shí)際土體中的細(xì)粒含量>，流土;<，管涌。《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-99）采用計(jì)算臨界細(xì)粒含量，實(shí)際土的細(xì)粒含量≥為流土，<為管涌，但GB"50487-2008取消了該判別式，條文說明中給出的理由是實(shí)際應(yīng)用中存在一定不確定性。對于>5的無黏性土，GB"50487的判別關(guān)系近似劉杰的方法，其中的確定方法是：對于不連續(xù)級配土，采用顆粒分布曲線上形成的平緩段的最大粒徑與最小粒徑的平均值或最小粒徑作為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑，相應(yīng)這個粒徑的細(xì)粒含量;對于連續(xù)級配土，采用確定區(qū)分粒徑，其對應(yīng)的細(xì)粒含量。同時，GB"50487給出了接觸沖刷和接觸流土判別方法，這里不再贅述，請讀者參閱GB"50487附錄G。

2"滲透破壞型式判別方法的發(fā)展與應(yīng)用

2.1"滲透破壞型式判別方法的發(fā)展

前面介紹的幾種方法在特定條件下對土的滲透破壞型式判別準(zhǔn)確，一些比較復(fù)雜情況的判別不準(zhǔn)確或者不確定，例如單一無黏性土的滲透破壞型式可能是流土，也可能是管涌，這與土體內(nèi)部空隙率及可移動的細(xì)粒數(shù)量有關(guān)，在過渡區(qū)域就無法判定是流土還是管涌。目前，研究人員主要從以下幾個方向解決這些難題：一是利用一些已在其他學(xué)科成功應(yīng)用的理論解決比較復(fù)雜的問題，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多元統(tǒng)計(jì)分析中的Fisher判別法、分形理論等;二是通過滲透變形試驗(yàn)確定滲透破壞型式和過程，如砂槽模擬試驗(yàn);三是采用數(shù)值方法進(jìn)行模擬，如有限單元法等;四是根據(jù)堤防滲透穩(wěn)定性不確定性因素，采用基于可靠度理論風(fēng)險評價方法，通過分析滲透破壞的風(fēng)險概率，建立滲透破壞的臨界值。下面對這些方法進(jìn)行簡要介紹。

2.2幾種理論方法的應(yīng)用

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）是目前應(yīng)用非常廣的一個方法，其最大特點(diǎn)是模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)，具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織能力。往常，應(yīng)用ANN需要熟練的計(jì)算機(jī)編程能力，這對一般人來說有些困難。Matlab是世界三大著名數(shù)學(xué)軟件之一，里面的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱可用于土的滲透破壞型式判別。趙正信等[5]利用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立無黏性管涌型土的預(yù)測模型，采用14個已知滲透破壞型式的試驗(yàn)樣品進(jìn)行訓(xùn)練，抽取這些樣品中、、、、、和（孔隙率）作為特征數(shù)據(jù)。經(jīng)過13次訓(xùn)練達(dá)到目標(biāo)誤差要求后，再以另25種土樣進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果完全吻合，說明這種方法可行。

Fisher判別分析法是多元統(tǒng)計(jì)分析中的一種方法，其實(shí)質(zhì)是將難以識別的高維數(shù)據(jù)（特征向量）投影到低維空間上（例如一條直線上），也就是高維壓縮成一維，再根據(jù)一定規(guī)則（例如不同類之間距離最遠(yuǎn)、同類內(nèi)部距離最?。┙⑴袆e函數(shù)（如一元方差分析函數(shù)），就可以進(jìn)行判別了。這種方法已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用，巖土工程領(lǐng)域也有應(yīng)用，如砂土液化預(yù)測。姜春露等[4]采用Fisher判別分析法建立了滲透破壞類型判別的FDA模型，也就是利用上述趙正信等人的39個樣本中的30個計(jì)算出模型函數(shù)系數(shù)，再利用回代估計(jì)法進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果誤判率為0。然后采用另外9個樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，同樣與試驗(yàn)結(jié)果有良好的吻合。如同趙正信等人利用Matlab軟件，姜春露等人利用了著名統(tǒng)計(jì)軟件SPSS中“分析（analyze）”菜單下“分類（classify）”子菜單中的“判別（discriminant）”工具。

分形理論是法國數(shù)學(xué)家Mandelbrot創(chuàng)立的，根據(jù)自然界中特有的自相似性（局部與整體的相似性）進(jìn)行分維處理，可以解決土的滲透破壞類型判別復(fù)雜的問題。段祥寶等[2]將37組土樣根據(jù)顆粒分析、干密度、滲透系數(shù)、滲透變形試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分形，計(jì)算了分維數(shù)，并進(jìn)行了分區(qū)，得到了特征參數(shù)與分維數(shù)的關(guān)系，例如土體滲透變形分形特征，≤2.35為流土變形區(qū)，2.35<≤2.65為流土或管涌，>2.65為管涌區(qū)。

2.3試驗(yàn)方法的應(yīng)用

如前所述，堤防的滲透破壞極具復(fù)雜性和隨機(jī)性，盡管已經(jīng)開展了大量理論研究，目前仍無法完全脫離試驗(yàn)解決所有問題，理論和試驗(yàn)結(jié)合是解決復(fù)雜問題的最有效途徑。劉運(yùn)化等[1]對無黏性土及黏性土的滲透破壞進(jìn)行了試驗(yàn)，對滲透破壞過程進(jìn)行了觀察和分析。試驗(yàn)裝置采用了《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）SL237-014中3.1.1的裝置。通過不同土體滲透變化特征，可判別滲透破壞型式。例如土體滲透破壞都會經(jīng)歷孕育-發(fā)生-發(fā)展-破壞過程，流土型無黏性土已進(jìn)入發(fā)展階段穩(wěn)定性較差，但管涌型砂礫料處于第四階段未破壞骨架時仍具有一定穩(wěn)定性，這就容易判別這兩種土的滲透破壞類型。

2.4數(shù)值方法的應(yīng)用

數(shù)值方法也是基于現(xiàn)有理論或已知試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，然后就可以對未知滲透破壞類型的土樣進(jìn)行模擬研究并預(yù)測其形式。與試驗(yàn)方法比較，數(shù)值方法周期較短，花費(fèi)較省，但仍采用現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。劉先珊等利用3維顆粒流數(shù)值模型對砂土介質(zhì)的滲透性進(jìn)行了模擬研究，為從宏細(xì)觀角度了解和判別砂沸、管涌和流土等特征提供了新的技術(shù)手段。

3"結(jié)語

基于實(shí)際工程土體的復(fù)雜性，滲透破壞型式的研究一直十分活躍。作

為水工設(shè)計(jì)人員不僅應(yīng)該熟悉規(guī)范或教科書中的判別方法，還應(yīng)當(dāng)了解新的方法，這樣在設(shè)計(jì)過程中加以應(yīng)用，必定有益于設(shè)計(jì)工作，對于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量肯定也是有幫助的。

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