堤防設計中滲透破壞型式判別方法

摘要：本文分析了在堤防設計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展方向及應用。

關鍵詞：堤防設計;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，堤防兩側的水頭差越來越大，不僅堤壩浸潤線抬升，滲流產生的滲透比降也會不斷增大，當堤壩實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。據統計，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在單一土層中，而接觸沖刷和接觸流土多出現在多種土層中[3]。管涌和流土是滲透破壞的基本形式[4]。管涌主要發生在比較疏松的無黏性土中，即在滲流作用下土中細顆粒被水流由骨架空隙通道中被連續帶走，常出現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，表層土體出現隆起、被頂穿或土體中的粗細顆粒同時浮動的現象。通常，黏性土或類似主要由細顆粒組成的土層會發生被頂起現象，不均勻砂性土多出現粗細顆粒同時浮動的現象。區分滲透破壞形式的意義在于，堤防設計時只有選擇合適的筑堤材料、防滲結構形式等措施，才能有效控制滲流，并防止滲透破壞對堤壩造成危害和不利影響。但實際筑堤土料非常復雜，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，這對設計工作提出了更高要求，本文對有關研究成果進行了概括總結，現分述如下。

1"滲透破壞型式的基本判別方法

1.1"不均勻系數法

這種方法最早是由前蘇聯的伊斯托明娜（1957）[3～5]提出的，她認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（）決定的，同時她給出判別關系："lt;10，流土;10≤≤20，流土或管涌;"gt;20，管涌。經過實踐證明，只有lt;10時較為準確，"gt;10誤差較大?！端姽こ痰刭|勘察規范》（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采用細粒含量法判別。

1.2"細粒粒徑對比法

該方法采用土體中某一細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。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。實踐證明，該方法僅適用于連續級配土。再如康德拉切夫ВН提出依據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，水力當量孔徑>為危險性管涌，否則為非危險性管涌。

1.3"土體細粒含量判別法

我國水利水電科學研究院劉杰和南京水利科學研究院金煊[4，5]分別提出了細粒含量判別法。劉杰給出的臨界細粒含量計算式為，滲透破壞判別關系為：<25%，管涌;25%<<35%，過渡型;>35%，流土。金煊的臨界細粒含量計算式為，滲透破壞判別關系為：實際土體中的細粒含量>，流土;<，管涌?！端姽こ痰刭|勘察規范》（GB50287-99）采用計算臨界細粒含量，實際土的細粒含量≥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際應用中存在一定不確定性。對于>5的無黏性土，GB"50487的判別關系近似劉杰的方法，其中的確定方法是：對于不連續級配土，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顆粒區分粒徑，相應這個粒徑的細粒含量;對于連續級配土，采用確定區分粒徑，其對應的細粒含量。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展與應用

2.1"滲透破壞型式判別方法的發展

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確，一些比較復雜情況的判別不準確或者不確定，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，這與土體內部空隙率及可移動的細粒數量有關，在過渡區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科成功應用的理論解決比較復雜的問題，如人工神經網絡、多元統計分析中的Fisher判別法、分形理論等;二是通過滲透變形試驗確定滲透破壞型式和過程，如砂槽模擬試驗;三是采用數值方法進行模擬，如有限單元法等;四是根據堤防滲透穩定性不確定性因素，采用基于可靠度理論風險評價方法，通過分析滲透破壞的風險概率，建立滲透破壞的臨界值。下面對這些方法進行簡要介紹。

2.2幾種理論方法的應用

人工神經網絡（ANN）是目前應用非常廣的一個方法，其最大特點是模擬人腦神經系統，具有自適應、自學習、自組織能力。往常，應用ANN需要熟練的計算機編程能力，這對一般人來說有些困難。Matlab是世界三大著名數學軟件之一，里面的神經網絡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神經網絡建立無黏性管涌型土的預測模型，采用14個已知滲透破壞型式的試驗樣品進行訓練，抽取這些樣品中、、、、、和（孔隙率）作為特征數據。經過13次訓練達到目標誤差要求后，再以另25種土樣進行預測，預測結果與試驗結果完全吻合，說明這種方法可行。

Fisher判別分析法是多元統計分析中的一種方法，其實質是將難以識別的高維數據（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，再根據一定規則（例如不同類之間距離最遠、同類內部距離最?。┙⑴袆e函數（如一元方差分析函數），就可以進行判別了。這種方法已經在多個領域得到應用，巖土工程領域也有應用，如砂土液化預測。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個計算出模型函數系數，再利用回代估計法進行檢驗，結果誤判率為0。然后采用另外9個樣本數據進行預測，同樣與試驗結果有良好的吻合。如同趙正信等人利用Matlab軟件，姜春露等人利用了著名統計軟件SPSS中“分析（analyze）”菜單下“分類（classify）”子菜單中的“判別（discriminant）”工具。

分形理論是法國數學家Mandelbrot創立的，根據自然界中特有的自相似性（局部與整體的相似性）進行分維處理，可以解決土的滲透破壞類型判別復雜的問題。段祥寶等[2]將37組土樣根據顆粒分析、干密度、滲透系數、滲透變形試驗結果進行了分形，計算了分維數，并進行了分區，得到了特征參數與分維數的關系，例如土體滲透變形分形特征，≤2.35為流土變形區，2.35<≤2.65為流土或管涌，>2.65為管涌區。

2.3試驗方法的應用

如前所述，堤防的滲透破壞極具復雜性和隨機性，盡管已經開展了大量理論研究，目前仍無法完全脫離試驗解決所有問題，理論和試驗結合是解決復雜問題的最有效途徑。劉運化等[1]對無黏性土及黏性土的滲透破壞進行了試驗，對滲透破壞過程進行了觀察和分析。試驗裝置采用了《土工試驗規程》（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歷孕育-發生-發展-破壞過程，流土型無黏性土已進入發展階段穩定性較差，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定性，這就容易判別這兩種土的滲透破壞類型。

2.4數值方法的應用

數值方法也是基于現有理論或已知試驗數據進行建模，然后就可以對未知滲透破壞類型的土樣進行模擬研究并預測其形式。與試驗方法比較，數值方法周期較短，花費較省，但仍采用現有試驗數據進行驗證。劉先珊等利用3維顆粒流數值模型對砂土介質的滲透性進行了模擬研究，為從宏細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手段。

3"結語

基于實際工程土體的復雜性，滲透破壞型式的研究一直十分活躍。作

為水工設計人員不僅應該熟悉規范或教科書中的判別方法，還應當了解新的方法，這樣在設計過程中加以應用，必定有益于設計工作，對于提高設計質量肯定也是有幫助的。

參考文獻：

[1]劉運化，楊超，段祥寶，等.無粘性土及粘性土滲透破壞試驗與滲透變形分析[J].水電能源科學，2013，31（7）：104-107.

[2]段祥寶，劉運化，楊超，等.土體滲透變形及滲透破壞過程中分形特征初探[J].水電能源科學，2013，31（7）：100-103，214.

[3]林繼鏞，王光綸.水工建筑物[M].5版.北京：中國水利水電出版社，2009.

[4]姜春露，姜振泉，孫強，等.基于Fisher判別分析法的無粘性土滲透破壞類型判別[J].應用基礎與工程科學學報，2012，20（5）：820-827.

[5]趙正信，陳建生，陳亮.無黏性管涌型土的BP神經網絡判別法研究[J].巖土工程學報，2008，30（4）：536-540.

[6]劉先珊，劉洋.考慮流固耦合效應的飽和砂土滲透破壞數值模擬[J].蘭州大學學報（自然科學版），2013，49（5）：633-638，643.