流土或管涌
Cu>20
管涌
缺少中间颗粒的砂砾石
Pz<25％-30%
管涌
Pz>30％
流土
注：
Cu为土的不均匀系数，Cu=d60/d10；Pz为小於颗粒级配曲线上断裂点A的粒径含量；
d60为过筛重量占60%的颗粒直径，d10为过筛重量占10%的颗粒直径。
二、土的抗渗强度
土的抗渗强度表明了土体抵抗渗透破坏的能力，包括抗渗临界比降和允许比降。
允许比降JB由临界比降JC除以安全系数得到。
土的抗渗强度决定于土的性质和渗流条件（渗透破坏形式）两个方面。
1.流土
流土首先发生于渗流出口，不可能在土体内部直接发生。
当渗流自下向上运动时，一旦渗透力克服了重力的作用，则土体就会产生流土破坏，此时土体的临界比降可以通过原状土室内试验求得，也可以由下式近似确定：
JC=（ρs/ρw-1）（1-n） （3-1）
式中：
ρs为土颗粒的密度，ρw为水的密度，n为土体的孔隙率。
由公式（3-1）求得的JC偏小，大约小于试验值的15%～25%，这主要是因为在该式中没有考虑土的抗剪强度的影响（包括内摩擦角和凝聚力两个方面），因此也是偏于安全的。
表3-2给出了无粘性土不发生流土破坏的允许比降经验值，细砂取小值，较粗的砂土取大值。
2.管涌
管涌可能发生在渗流出口，也可能发生在土体内部。
由于颗粒移动中的堵塞作用，可能会有管涌中断现象发生，有的是暂时性中断，而后继续发生，有的是永久性中断，即发生了自愈情况。
还有一种情况，由于土体中细颗粒填料较少，它的带出不影响土体骨架颗粒的稳定，当细颗粒被带完后，只出清水，不出浑水，管涌终止。
由于计算管涌临界比降的公式目前还不成熟，因此管涌临界比降一般通过室内试验测定。
根据经验，对水流向上的垂直管涌，允许比降一般为0.1～0.25，水平管涌的允许比降为垂直管涌的允许比降乘以摩擦系数tgφ。
表3—2给出了无粘性土不发生管涌破坏的允许比降的经验值。
表3－2无粘性土抗流土或管涌破坏的允许坡降JB的经验值
项
目
渗透变形型式
流土型
过渡型
管涌型
Cu<3
Cu=3-5
Cu>5
级配连续
级配不连续
JB
0.25-0.35
0.35-0.50
0.50-0.80
0.25-0.40
0.15-0.25
0.10-0.15
3.接触冲刷
接触冲刷发生在堤身和堤基的内部，但其颗粒仍旧是从渗流出口处带出。
接触冲刷不断发展会形成漏水通道，而引起堤防溃决。
在两种性质不同的土层界面上发生接触冲刷时，其临界比降可以通过室内试验或按伊斯托明娜的试验结果（图3－1）获得。
图中的纵坐标为接触冲刷的临界比降，横坐标为D10/d10tgφ，其中D10为粗粒土层的有效粒径（过筛重量占总土重10%的颗粒直径），d10为细粒土层的有效粒径，tgφ为细粒和粗粒土层之间的摩擦系数。
在土层与刚性建筑物接触界面上发生接触冲刷时，对比一些试验资料和建闸的经验将非管涌土地基的允许渗透比降值列入表3－3，供参考。
表中渗透比降的允许值是由临界比降除以1.5的安全系数得到的，但没有考虑渗流出口处的保护。
如果渗流出口有反滤保护，则表中的数据可以适当提高30％～50％。
图3－1接触冲刷临界坡降曲线
表3－3各种土基上水闸设计的允许渗流坡降
地基土质类别
允许渗流坡降
地基土质类别
允许渗流坡降
水平段Jx
出口Jo
水平段Jx
出口Jo
粉砂
细砂
中砂
粗砂
中细砾
粗砾夹卵石
0.05～0.07
0.07～0.10
0.10～0.13
0.13～0.17
0.17～0.22
0.22～0.28
0.25～0.30
0.30～0.35
0.35～0.40
0.40～0.45
0.45～0.50
0.50～0.55
砂壤土
粘壤土夹砂礓土
软粘土
较坚实粘土
极坚实粘土
0.15～0.25
0.25～0.35
0.30～0.40
0.40～0.50
0.50～0.60
0.40～0.50
0.50～0.60
0.60～0.70
0.70～0.80
0.80～0.90
4.接触流土
接触流土的抗渗临界比降应通过室内试验获得。
5.堤坡的抗冲刷能力
当渗流从堤坡上出逸而产生渗水（亦称散浸）后，渗水对堤坡具有一定的冲刷作用，有可能产生渗透破坏。
其中最易产生破坏的地方是出逸点。
堤坡抗冲刷破坏的临界比降可以用下式估算：
Jc=γ'/γw（tgφ-tgβ）cosβ+c/r （3-2）
式中：
γ'为土的浮容重；γw为水的容重；tgφ为土的摩擦系数；φ为土在水下的内摩擦角；c为土的凝聚力；β为堤坡的坡角。
出逸点处的渗流比降为J=sinβ，设土的浮容重为1，忽略凝聚力c，当J=Jc时由式（3-2）得到：
tgβ=0.5tgφ （3-3）
因此，堤坡不产生冲刷破坏的条件是tgβ<0.5tgφ，即坡角的正切必须小于饱和土内摩擦角正切的一半，或者说坡角约等于土的休止角的一半，这是无粘性土堤坡不产生局部冲刷破坏的一个最低要求。
6.粘性土的抗渗强度
粘性土的渗透破坏特性取决于容重、含水率、粘土矿物成分、交换性阳离子的数量和成份、孔隙液体的含盐浓度和成分等物理化学因素，因此，它远比无粘性土渗透破坏特性复杂。
粘性土可分为分散性粘土，非分散性粘土和过渡型粘土。
如图3－2，其中A区为分散性粘土，B区为非分散性粘土，C区为过渡性粘土。
该图的纵坐标为钠的百分比，横坐标TDS为金属阳离子总量。
分散性粘土遇水后土颗粒逐渐脱落而形成悬液，极易被水流带走，其破坏要比细砂和粉土更为容易。
而非分散性粘性土由于其凝聚力很大，只会发生流土破坏，不会发生管涌破坏，有反滤保护时，其临界比降可以超过20以上，而一般取4～5为粘性土的抗渗允许坡降
图3－2区别分散性和非分散性粘土图
7.软弱夹层的抗渗强度
软弱夹层的渗透破坏不同于无粘性土，也不同于粘性土，而是介于两者之间。
其渗透破坏的特征为：
（1）泥夹碎片层，当结构发生破坏时，沿层面出水，出口细粒跳动，形成小洞眼，直至出现渗透通道;
（2）含泥沙砾层，当结构破坏时，渗流出口有细粒移动并呈浑水，直至破坏。
软弱夹层的抗渗强度应通过试验得到。
三、堤防渗透破坏的成因和分类
堤防工程中对渗透破坏的分类主要是从宏观现象考虑。
比如，由于堤基的渗透破坏在后期多表现为集中渗流对土体的冲刷，并往往冒水翻砂，形如管中涌水（砂），因此在堤防工程中统称为管涌（亦称泡泉），这是宏观上的体验。
其实，堤防工程中常说的管涌基本上都是土力学中的流土破坏。
（一）堤身渗透破坏的成因和分类
堤身的渗透破坏包括三种类型：
渗水（散浸）造成的堤坡冲刷、漏洞和集中渗流造成的接触冲刷。
分述如下：
1.堤坡冲刷
堤坡冲刷系由背水堤坡渗水所致。
一种是堤坡的出逸比降大于允许比降而产生的渗透破坏，另一种是渗水集中后造成对坡面的水流冲刷。
应当说，对背水侧地下水位（或水头）较高的情况，当发生持续高水位时堤坡渗水是必然的。
关键是出逸点不应过高，渗流量不应过大，以免造成堤坡的渗透破坏和水流冲刷，甚至导致滑坡，对这种有害渗水必须采取措施进行除险。
造成出逸点过高的主要原因有：
堤身断面宽度不够，堤坡偏陡；堤身尤其是后加高的堤身透水性强，或填筑层面明显，导致堤身的水平向渗透系数偏大；新老堤身、堤段施工接头处存在薄弱结合面。
如清基不彻底或根本未清基，堤段结合部压实不密等；堤身裂缝并被雨水灌入；堤身存在其它隐患。
如洞穴、冻土块等。
2.堤身漏洞
堤防背水坡及堤脚附近出现横贯堤身的流水孔洞称为漏水洞。
由于漏水洞中的集中水流对土体的冲刷力很强，因此对堤防的危害性极大。
产生漏洞的主要原因有：
堤身质量差，土料含砂量高，有机质多；有生物洞穴或其它易腐烂的物料；其它隐患，如旧涵洞、坑窖、棺木等。
即使漏洞没有贯穿堤身，也将大大缩短渗径，从而加大了出口渗透比降，增加了渗透破坏的可能性，同时漏洞中的集中水流还将造成对土体的水流冲刷，使漏洞长度加长，直径变大，最终贯穿堤身，导致堤防溃决。
因此，对堤身漏洞隐患必须进行除险加固。
3.堤身接触冲刷
当堤身发生集中渗流且冲刷力大于土体的抗渗强度时，在集中渗流处就会产生接触冲刷破坏。
造成堤身集中渗流的主要原因有：
穿堤建筑物与堤身间出现裂缝；新老堤身结合面未清基或清基不彻底；堤防分段建设的结合部填筑密度低等。
由于接触冲刷的发展速度往往较快，因此对堤防的威胁很大，必须对其进行除险加固。
（二）堤基渗透破坏的成因和分类
堤基的渗透破坏常表现为泡泉、沙沸、土层隆起、浮动、膨胀、断裂等，通常统称为管涌。
一般来讲，堤防堤基的表土层一般极少是砂砾层，因此，堤基的渗透破坏一般均为土力学中的流土破坏。
产生的原因是，随着汛期水位的升高，背水侧堤基的渗透出逸比降增大，一旦超过堤基的抗渗临界比降就会产生渗透破坏。
渗透破坏首先在堤基的薄弱环节出现，如坑塘或表土层较薄的位置。
对近似均质的透水堤基，渗透破坏首先发生的堤脚处。
堤基管涌，尤其是近堤脚的管涌，发展速度快，容易形成管涌洞，一旦抢险不及时或措施不得当，就有溃堤灾难发生的危险。
因此，对管涌堤段必须进行除险加固。
另外，如果堤身直接座落在砂砾石强透水层上，或座落在强风化的岩基上，则在堤身与堤基的结合面也可能发生接触冲刷或接触流土破坏。
第二节渗透破坏除险方案的选择
堤防除险加固的实践表明，渗透破坏是堤防工程中最普遍且难以治愈的心腹之患，选择有效、合理、经济的除险加固方案是一项技术性很强的工作，是堤防渗透破坏除险加固工作的关键环节。
渗透破坏的除险加固应从两方面入手：
一方面是提高堤身和堤基本身抵抗渗透破坏的能力，如采取提高堤身密实度、消除堤身堤基隐患、放缓边坡、贴坡排水、透水后戗或盖重等措施；另一方面是降低渗流的破坏能力，即降低渗流出口比降和堤身的浸润线，这方面应遵循“前堵后排、反滤料保护渗流出口”的渗流控制原则，并根据工程地质条件、出险情况和堤防的重要程度选择合理的渗流控制措施。
“前堵”就是在临水侧采取防（截）渗措施，如防渗铺盖、防渗斜墙和垂直防渗幕（墙）等，“后排”即在背水侧采取导渗和排水减压措施，如导渗沟、排水褥垫、排水减压沟、减压井等。
一、堤身渗透破坏除险方案的选择
堤身渗透破坏包括渗水（散浸）、漏洞和集中渗流三种类型。
根据其不同特点，应选择各自适宜的除险加固措施。
（一）渗水除险方案的选择
渗水往往会导致背水坡的脱坡、冲刷、流土甚至形成漏洞和陷坑，应根据其产生的原因和危害程度，采取相应的工程措施进行除险加固。
1.对威胁背水坡抗滑稳定的严重有害渗水，可采用填筑压实法、机械吹填法或放淤固堤法加宽培厚堤身或做透水后戗，也可以在临水坡外邦或增建防渗斜墙，或采用劈裂灌浆、锥探灌浆、垂直铺塑等做垂直防渗。
2.对不至于威胁堤坡抗滑稳定，但可能产生堤坡冲刷、流土破坏的渗水，可采用贴坡反滤、透水后戗的方法进行除险。
（二）漏洞和跌窝除险方案的选择
堤身漏洞和跌窝往往由生物洞穴产生，汛前较难发现，但这种险情在汛期往往发展很快，加之堤身断面有限，对堤身的危害很大，汛期抢险困难，酿成溃口者有之。
为防患于未然，汛前应首先对漏洞和跌窝隐患进行巡视、探查。
对洞穴应采取开挖回填的方法进行除险，如果开挖回填困难可以采取充填灌浆的办法进行处理。
（三）集中渗流除险方案的选择
1.对堤身与穿堤建筑物基础接触面的集中渗流，可采用高喷或静压注浆在临水侧做垂直防渗，也可以在接触面采用静压注浆的办法进行处理，必要时在背水侧做反滤保护。
对堤身与穿堤建筑物侧墙间的集中渗流，可以采用接触面静压注浆的方法进行处理。
2.对新老堤身结合的水平层面产生的集中渗流，可采用临水侧开挖回填封堵或接触面充填灌浆的方法进行处理。
3.对堤防分段建设的结合部产生的集中渗流，可采用临水坡截渗或结合部挤密灌浆的方法进行处理，必要时在背水坡采取反滤保护措施。
二、堤基渗透破坏除险方案的选择
修建于双层和多层地基、透水地基、岩石地基上的堤防，经渗流计算，堤基、背水坡或堤后地面渗流出逸比降不能满足规范要求，或者汛期曾经出现过严重渗漏、管涌或流土破坏险情时，应采取除险加固措施。
所用措施包括：
填塘固堤、临水侧防渗铺盖、地基垂直防渗、背水侧压渗盖重、排水减压沟井、水平排水褥垫等。
应根据具体情况选择一种或多种措施来达到除险加固的目的。
应该指出的是，防汛抢险的实践表明，堤基管涌大部分发生在坑塘等薄弱环节，因此，应首先考虑填塘措施进行除险。
堤基渗透破坏除险方案的选择主要根据地基的工程地质情况确定：
（一）双层或多层地基
这种地基在堤防工程中非常普遍，渗透破坏险情多且治愈困难。
1.对由于临水侧铺盖、背水侧表土层或压渗盖重缺陷（池塘、人为挖坑、天然缺失等）造成的险情，应首先采取回填的方法恢复铺盖和表土层的完整性。
临水侧铺盖回填的范围为铺盖的有效长度范围以内，背水侧表土层或盖重的回填范围应根据险情和地形地质条件、渗流计算以及堤防的重要程度等确定，可在距堤脚50～200m之间选择。
临水侧用粘性土材料，背水侧用渗透系数比原土层大的材料进行回填，但应满足反滤要求。
2.对背水侧地基覆盖层较薄且透水层较深的情况，可以采用压实填筑法或吹填法增加盖重，也可以采用在背水堤脚外适当位置设置减压沟或减压井的方法。
同时也可以考虑盖重和排水减压沟井联合使用的形式，以达到根治地基渗透破坏的目的。
3.对覆盖层较厚且下卧强透水层较深的地基，宜采用盖重措施进行处理，盖重宜采用比覆盖层渗透系数大的透水材料。
也可以在背水堤脚外适当位置设置减压井，达到减小扬压力和除险的目的，参见图3－17。
4.对地基下卧透水层不深、隔水层较浅的情况，应首先考虑采用垂直封闭式防渗措施（参见图3－16）。
也可以采用盖重或盖重结合减压沟井的方法。
5.对多层地基且存在浅层弱透水层的情况，宜采用压渗盖重或结合减压措施进行除险参见图3－22。
也可以考虑采用半封闭式垂直防渗措施（参见图3－18），但必须在勘察资料充分并经渗流计算充分论证后方可采用。
（二）透水地基
1.浅层透水地基宜采用封闭式垂直防渗措施进行处理，并与堤身防渗体连成统一的防渗体系。
2.相对不透水层埋藏较深、透水层较厚时，可以采用背水侧压渗盖重进行处理。
当临水侧有稳定滩地时，也可以采用临水侧铺盖进行防渗处理。
（三）岩石地基
1.对强风化造成岩基或堤身渗透破坏的情况，可以采用地基帷幕灌浆的方法进行处理，对临水侧有外滩的情况也可以使用铺盖防渗，必要时可在背水堤脚附近采取反滤保护措施。
2.当岩溶或其它原因使岩基渗水量过大，以致危机堤防安全时，可采用模袋灌浆或充填灌浆堵塞漏水通道，必要且有条件时可加设防渗铺盖。
第三节渗透破坏除险方案的复核
为了达到技术上可靠、经济上合理的目的，需要对除险方案进行复核。
一、除险方案复核的任务
对初步选定的除险方案必须进行复核。
复核的主要任务是：
论证除险方案的效果；通过比较，选择经济合理的除险方案。
（一）除险效果的复核
对初步选定的除险方案，通过渗流计算分析，了解堤身和堤基的水头（水压力）、渗透比降、渗流量等水力要素，据此进行渗透稳定和抗滑稳定复核，论证是否能够达到除险加固的要求。
（二）除险方案优化
对初步拟定的几种除险方案进行渗流及渗透稳定计算，在保证除险效果的前提下，从工程管理、环境影响、经济指标等几个方面进行综合评价，选定最为经济合理的除险方案。
二、除险方案的渗流计算要求
除险方案的效果应通过渗流计算确定。
渗流计算应满足以下要求：
（一）渗流计算的内容要求
通过渗流计算应得到堤身渗流场的水头（浸润线、出逸点、水压力等）、渗透比降和渗流量等水力要素。
对河、湖堤防，计算方案包括：
1.临水侧为设计洪水位，背水侧为相应水位情况的稳定渗流计算；
2.临水侧为设计洪水位，背水侧为最低水位或无水情况的稳定渗流计算；
3.洪水降落时的非稳定渗流计算。
（二）计算剖面选择和地层概化的要求
选择计算剖面时应综合考虑堤身、堤基的工程地质和水文地质条件，取有代表性的、结果偏于安全的剖面进行渗流计算。
对在洪水期发生过较大险情的地段应重点考虑。
由于工程水文地质条件的复杂性，在进行渗流计算时往往需要对地质剖面进行概化。
概化的原则是，在满足计算精度的前提下尽量使地层简单化，以方便计算。
根据我国河、湖堤防堤基的实际情况，可以将堤防地基概化为三种类型：
单层透水堤基、双层堤基和多层堤基。
具体简化原则有：
①渗透系数相差5倍以内的相邻土层可视为一层土，并采用加权平均的渗透系数作为计算依据；②对双层结构堤基，当下卧土层的渗透系数比上层土层的渗透系数小100倍及以上时，可以将下卧土层视为不透水层；③当堤基表土层比堤身的渗透系数大100倍及以上时，可以认为堤身不透水，仅对堤基按有压流进行渗流计算，堤身浸润线的位置可以根据堤基中的压力水头确定。
三、除险方案的渗流计算方法
根据堤防除险方案的渗流计算要求，必须对堤防除险方案进行稳定和非稳定渗流计算，以获得除险方案复核所必须的资料，达到复核的目的。
（一）渗流场求解方法简介
求解渗流场的方法有：
数值计算方法、模型试验方法和水力学方法。
1.数值计算方法
常用的渗流场数值计算方法有两种，即有限单元法和有限差分法，以有限单元法最为常用。
随着计算机和计算技术的飞速发展，渗流场的数值计算方法和程序日益完善，功能强大，尤其是有限单元方法，基本上可以满足所有的工程计算要求，并得到了一定的普及。
这种方法的优点是：
能够适应各种复杂的工程地质条件，不需对地层进行太多的简化，计算精度高，速度快，比模型试验省时省力。
本章中的图3—16～3—18、3—21～3—23就是作者采用有限单元法得到的结果，有关数值计算的详细内容请参考有关资料，此不详述。
2.模型试验方法
渗流场的模型试验方法主要有砂槽模型方法和电模拟方法两种类型。
电模拟方法又分导电介质方法（导电液或导电纸等）和电阻网络方法。
根据目前的发展情况，以电阻网模型较为常用，但与数值计算方法相比，相对费时费力。
有关模型试验的详细内容请参考有关资料。
3.水力学计算方法
根据水力学和渗流力学理论，通过对工程水文地质剖面的概化，在一些特定条件下可以采用水力学方法对渗流场进行理论求解。
但由于这种方法对地层情况的适应性差，过多的地层概化又往往影响精度，因此其应用受到许多限制。
限於篇幅，下面只介绍双层堤基和盖重的计算方法，其它情况的渗流计算请参见《堤防工程设计规范》中的附录E和其它有关资料。
（二）双层堤基渗流的水力学计算方法
1.无限长等厚双层堤基的渗流计算
当堤基表土层的渗透系数比下卧强透水层的渗透系数小100倍及以上时即为双层堤基，这种堤基在我国的堤防工程中广泛存在。
如图3－3所示，堤基表层弱透水层底板下的承压水头可用下式进行计算：
CD段：
h=He-Ax（1+Ab+thAL）
（3-4）
BC段：
h=H（1+Ax'）/（1+Ab+thAL）
（3-5）
式中：
h为弱透水层底板下的承压水头（m）；A为越流系数。
th为双曲正切函数;k0、T0分别为强透水层的渗透系数和厚度；k1、T1分别为表层弱透水层的渗透系数和厚度。
图3－3无限长等厚双层地基计算图
2.有限长等厚双层堤基的渗流计算
如图3－4所示的有限长等厚双层堤基，堤基水头可以根据下式计算：
用式3－4试算ξ，以确定出逸段与非出逸段的分解点B：
式中:
出逸段AB对应的透水层内的水头为：
非出逸段BC对应的透水层内的水头为：
式中的△x'由表3－4求得。
表3－4△x'计算表
x'/T0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
△x'/△0
1.00
0.76
0.56
0.39
0.26
0.19
0.14
0.10
0.07
0.05
0.03
0.02
0.01
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