6.1.1.1　松散土体渗漏特征

控制松散土体坝区渗漏的因素是多方面的，主要有土体的成因类型、物质成分、地层结构及其空间分布特点，也与其沉积时代及地貌特征等有关。

不同成因类型的松散土体，由于其组成不同，透水性也有明显的差异（表4-2）。对粗粒松散土来说，以冲积成因的透水性最强，洪积或冰水沉积的次之。建坝地段最常见的松散沉积物系冲积成因者，下面予以着重研究。

河流冲积相沉积物的物质成分和空间分布特点主要受河水动力所制约。一般来说，河流上游段位于山区，河谷较窄，由于洪水期流速很大，大卵石和漂石均可堆积在河床中，渗透性很强。但沉积物较薄，建坝时易于清除。中下游的河段，尤其在山口附近，由于流速顿减，由上游推移下来的粗粒物质（卵砾石、粗砂）就堆积下来，厚度较大，在河床中组成强透水层。在山口附近建坝，势必会产生严重的渗漏。河流中游段在河床两岸的谷地里分布着各级阶地，河谷结构比较复杂。具二元结构的阶地，其上层河漫滩相黏性土越厚，则对防止坝基渗漏越有利；若各级阶地的河漫滩相物质互相搭接在一起，就有可能在坝前形成完整的天然铺盖，更有利于防渗[图6-1（a）]。各级阶地的河床相强透水砂卵（砾）石层，常互相沟通，是坝基渗漏的主要通道。此外，阶地的组合型式对坝基渗漏也有影响，内叠式阶地与上叠式阶地其渗透性在横向上变化趋势相似，而在垂向上差异甚大（图6-1）。下游平原区段的河流，河床中分布着中到弱透水的中细砂层，两岸由粉细砂和黏土组成。河床频繁变迁，常埋藏有古河道，地层结构更为复杂。单层厚度较小，但总厚度却很大，与中、上游河段比较，其渗漏条件更具特殊性和复杂性。

图6-1　阶地组合型式对坝基渗漏的影响

为方便研究坝区渗漏的边界条件，结合河谷地貌特征，可将河流松散堆积物的地层结构划分为以下3种模型：

（1）单一结构型。主要由卵砾（漂）石组成，透水性强而均一，但厚度一般不大。下伏基岩可作为相对隔水底板，渗漏边界条件较简单，易于确定（图6-2）。上游河段多为此型式。由于谷坡高陡，松散堆积物多分布于谷底，所以渗漏主要发生于坝基。此种型式可引起严重的渗漏，但易于处理。

（2）多厚层结构型。由多层厚度较大的粗、细粒物质组成，可分为以下两种情况：

图6-2　单一型地层结构

1）自上而下颗粒逐层变粗的多层结构。这种结构类型的透水性自上而下逐渐变强，故可把它简化为上弱下强（透水）的双层结构。显然，上层弱透水层的透水性和完整程度对于控制坝区渗漏有重要作用。

河北黄壁庄水库的副坝横跨晚更新世古河床，主要坐落在Ⅱ级阶地之上。坝基的上更新统黏性土层和砂卵（砾）石层，组成为上细下粗的多厚层结构型式。黏性土层厚2～3m，下伏的砂层和砂卵（砾）石层总厚约35m（图6-3）。在砂层与砂卵（砾）石层接触面附近存在一集中渗漏带，它分布于坝区中段，成为控制坝基渗漏的一个重要因素。由于冲沟切割和人工取土，坝前的砂层大片出露，大大削弱了阻渗能力，为防止严重渗漏，对坝基作了防渗处理。

图6-3　黄壁庄水库副坝轴线地质剖面图

2）粗、细粒互层结构。这种结构类型的透水层强弱相间，因此对渗漏条件的控制主要取决于细粒弱透水层的延续性和完整性。若弱透水层能有效地阻隔上下粗粒强透水层之间的水力联系，则有利于坝基的防渗。

上述两种情况均以基岩作为相对隔水底板，若在岩溶地区，则下部边界需移到岩溶漏水带以下。

多层厚层结构型在山区河流的中、下游河段多见。河谷宽阔，阶地发育，河谷的地貌和地质结构条件复杂，因此渗漏边界条件复杂，严重的坝基、坝座渗漏均可发生，随之产生的渗透变形将危及坝体安全。

（3）多薄层结构型。常由透水性较弱的中、细砂及极细砂组成，并与厚度不大的黏性土层交互相间，属于平原河流的沉积模式。黏性土层往往呈透镜体状，延续性差，因而各透水层之间具有一定的水力联系，当其叠加厚度较大时，同样可构成严重的渗漏条件。其下部常以早期沉积的地层作为不透水边界（图6-4）。

总之，松散土体的渗漏主要为砂砾石层渗漏，它的连通性主要决定于地层结构特征，而这又与地貌条件密切相关。一般山区河流，其中、上游河床覆盖层多由单一的粗粒物质组成，厚度不大，不透水夹层较少，所以透水层的连通性良好。中、下游河床覆盖层细粒成分增多，厚度也随之增加，地层常呈多层结构型式。山前冲积的边缘地区则以细粒为主，粗粒物质呈薄层与细粒物质互层相间。这些多层结构沉积物的连通性就比较差，有些层尖灭掉，有的则是连通的，并与其他透水层形成综合体。在中、下游的多层结构沉积常是上部层总的透水性较弱、下部层透水性相对较强，表现为双层结构的特点。这就使下部强透水层因缺乏入口和出口而失掉连通性。这时的上部弱透水层等于天然防渗铺盖，应当加以保护，取土筑坝时不应使之破坏。若已受河流冲刷、冲沟切削而部分受到破坏，则应在坝前一定范围用铺盖办法将其修补完整。另外，在多层结构情况下还应注意相对隔水层的厚度、延伸情况及其完整性。有的厚度较小，易被渗透水流击穿，不起隔水作用；有的延伸不远即行尖灭；有的在沉积当时即部分被冲刷掉以致残缺不全。在这些情况下，其上、下透水层互相联系，成为一个含水层。只有厚度较大、延伸较远、比较完整的隔水层才能起隔水作用。当其埋深不很大时，可用截水墙把其上面的透水层隔断，将其连通性破坏掉，以达到防渗目的。

图6-4　多薄层结构

6.1.1.2　坝基渗漏量计算

在渗漏条件研究的基础上，当确定了渗漏边界条件和计算参数之后，即可选择相应的公式计算其渗漏量。坝基渗漏计算有水力学方法、流体力学方法和实验室方法等。下面将主要介绍一些常用的水力学计算方法。

6.1.1.2.1　单一结构型

若坝基为单一结构的均质透水层，渗漏处于层流状态时，可以采用卡明斯基公式近似计算。下面分3种情况进行讨论。

（1）坝体相对不透水，透水层厚度M≤2b（2b为坝底宽）时[图6-5（a）]，渗漏量Q可按下式计算：

式中：K——透水层渗透系数（m/s）；

B——计算段宽度（m）；

H——上、下游水头差（m）。

图6-5　单一结构型坝基渗漏计算剖面

（2）坝体为透水材料，并设有不透水心墙时[图6-5（b）]，渗漏量Q可按下式计算：

式中：T——心墙后端水头（m）；

t——坝趾处水头（m）；

L——心墙前端至坝趾的水平距离（m）；

l——心墙底宽（m）。

（3）坝基有悬挂式帷幕时[图6-5（c）]，渗漏量Q可按下式计算：

式中：T——悬挂式帷幕的深度（m）。

上述各边界条件，当渗流属紊流状态时，渗流量计算采用克拉斯诺波里斯基定律的型式，用坝前后水力梯度的平方根（i　0.5）代替卡明斯基公式中的水力坡度即可。

6.1.1.2.2　双层结构型

若坝基为双层结构透水层，并满足0.1＜K1/K2＜1，且M1＜M2，渗流为层流状态时（图6-6），可采用卡明斯基双层结构计算公式：

式中：K1、K2及M1、M2分别为上、下层的渗透系数（m/s）和厚度（m）；

其他符号意义同前。

当K1/K2＞10且M1＞M2时，可忽略下层，视为单一结构透水层。

6.1.1.2.3　多薄层结构型

图6-6　双层结构坝基渗漏计算剖面

1.隔水底板；2.强透水层；3.弱透水层

图6-7　多薄层结构坝基渗漏计算剖面

式中：E1——第一类全椭圆积分。

此法的缺点是对上层和下层同等看待。实际上，上层的K、M值对坝基渗漏起主导作用，故在上层K值较大时算得的Q值偏小，上层的K值较小时算得的Q值偏大。

6.1.1.2.4　流网法

在渗流场内，可以作出一系列流线和一系列等水头线，由它们所组成的网格称为流网。在均质各向同性透水层中，流网的特征可归纳为：流线与等水头线相互垂直；各相邻两等水头线间的水头损失值彼此相等；各流管的单宽流量彼此相等。

用流网法计算坝基渗漏量，关键是绘制流网（图6-8）。任意一个网格的单宽渗流量qi按下式计算：(www.daowen.com)

图6-8　流网法求坝基渗漏量

式中：Ki、di、li——分别为第i网格的渗透系数（m/s）、水流宽度[流线间距（m）]和渗径[等水头线间距（m）]；

ΔHi——第i网格内流经li时的水头损失（m），ΔHi=H/n（H为上、下游水头差，n为等水头线数目）。

则渗流断面上通过的单宽渗漏量q为：

q=∑qi

由上述各计算公式可知，坝基渗漏量的大小主要取决于透水层的渗透系数和厚度。此外，各层的空间分布组合情况以及坝高、底宽、坝体结构、坝底设施等工程因素均应考虑。

6.1.1.3　绕坝渗漏量计算

绕坝渗漏集中发生在邻近坝接头的岸边地带，因而岸边地带某一范围内渗漏的边界条件、岩土透水性能以及初始地下水位的状况是绕坝渗漏的控制因素。

绕坝渗漏计算也有水力学方法、流体力学方法和实验室方法。目前基本上采用水力学方法。此法假设岸边流线形状与坝接头建筑物轮廓相似，均为规则的几何曲线，且沿流线的流速不变。此外，绕坝渗漏属三维流，而计算时假定为二维流，所以它是近似计算方法。据渗漏边界条件的复杂程度有全带法和分束法，也可通过流网法计算。

6.1.1.3.1　全带法

简单水文地质条件下，即水库和坝下游岸边近于直线，透水层均质、水平（图6-9），可采用全带法计算渗漏量。

当渗流为无压层流时，渗漏量可按下式计算：

图6-9　全带法计算绕坝渗漏示意图

当渗流为有压层流时，渗漏量可按下式计算：

式中：M——有压渗透层的厚度（m）；

h1、h2——分别为上、下游岸边处渗透层的厚度（m）；

r0——坝接头的引用半径（m），r0=p/π（p为坝头轮廓线的长度（m））；

B——坝轴线至水库岸边某一点的距离（m），在此距离内发生绕坝的渗流，B=l/π（l为绕坝渗流带边缘的长度，在沿坝轴线的横剖面上，绕坝渗流的边界一般以天然地下水位相当于水库正常高水位的某一点近似确定）。

6.1.1.3.2　分束法

当库岸及下游河岸形状复杂，隔水底板倾斜起伏时，需先近似地绘制半椭圆形流线，将渗漏范围分成若干个渗流带（图6-10），计算每一个渗流带的渗漏量（ΔQ），然后将其总和起来，即为该岸的绕坝渗漏量（Q）。这种方法即为分束法。

ΔQ可根据卡明斯基公式近似计算。

无压流时：

图6-10　分束法计算绕坝渗漏示意图

有压流时：

式中：Δb、L——分别为某一渗流带长条的宽度（m）和长度（m）。