渗透破坏与控制

渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类：一是由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致土体变形甚至失稳；二是由于渗流作用，使水压力或浮力发生变化，导致土体和结构物失稳。前者主要表现为流砂和管涌，后者主要则表现为岸坡滑动或挡土墙等构造物整体失稳。

 1.渗流动水压力

↑渗透力演示试验

由图可知:

(1)当溢水口与贮水器水平面平齐时，则无渗流发生;

(2)若将贮水器提升，则贮水器内的水就透过土样从溢水口流出。提得越高，水流越快。

(3)当贮水器提升到某一高度时，可看到砂土出现像沸腾那样的现象（砂沸）设水下土颗粒有效重力为W’（土粒重力与水的浮力之差），竖直向上的渗透力（又称动水压力）为J，则土粒实际合力R＝W’－J。

当J≥W’时，R≤0，土粒处于悬浮状态，出现上述现象。

根据力学推导，单位体积土体内土粒所受到的单位渗透力j为:

渗透力具有以下特征：

(1)渗透力是一种体积力，量纲为KN/m³

(2)渗透力与水力坡降成正比j=γ_wi

(3)渗透力方向与渗流方向一致。

当渗流场中各个网格的水力坡降i_i求得后，应用式j＝γ_wi可确定单位渗透力j_i=γ_wi；网格总的渗透力J_i=j_ia_il_i；其方向与流向一致。整个流场的总渗透力矢量J即为各网格渗透力的矢量和。

2.临界水力坡度与流砂

当水流向下流动时，动水压力方向与重力方向一致，使土颗粒压得更加紧密，对工程有利。反之，当水流向上渗流时，动水压力的方向与重力方向相反。当动水压力的数值等于或大于土的浮重度'时，土体颗粒间的压力就等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，这种现象称为流砂。即流砂产生的条件为：

令

称为临界水力坡降（临界水头梯度），只要实际水力坡降i≥i_cr，则会产生流砂。             

 由土的物理性质指标间的关系, γ^’=(G_s-1)(1-n)，故有

i_cr=(G_s-1)(1-n)/γ_w                      

式中
G_S—土粒比重；

n——土的孔隙度。

由式可知，土粒密度愈大，孔隙度越小，临界水力坡度越大，土体越不易发生渗透变形。式中未考虑土体本身强度的影响，故实测的往往比公式计算的要大。

容许水力坡降

（取安全系数K＝2.0～2.5），设计时渗流逸出处的水力坡降应满足如下要求：

流砂现象主要发生在细砂、粉砂及粉土等土层中。对于饱和的低塑性粘性土，当受到扰动时，也会发生流砂现象，而在粗颗粒及粘土中则不易发生。流砂现象一般发生在土体表面渗流逸出处，不发生于土体内部。

防治流砂的原则主要是：

（1）减少或消除基坑内外地下水的水头差，例如采取先在基坑范围外以井点降低地下水后开挖，或在不排水基坑内以抓斗等工具进行水下挖土等施工方法。

（2）增长渗流路径，例如沿坑壁打入深度超过坑底的板桩，其长度足以使受保护土体内的水头梯度小于临危梯度。

（3）在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡动水压力。

 

3.管涌

在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透流速不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。可见，管涌破坏一般有一个时间发展过程，是一种渐进性质的破坏。

流砂和管涌的主要区别是：流砂发生在土体表面渗流逸出处，不发生于土体内部，而管涌既可发生在渗流逸出处，也可发生于土体内部。

防止管涌一般可从下两方面采取措施:

1.改变水力条件, 降低土层内部和渗流逸出处的渗透坡降。如上游做防渗铺盖或打板桩等。

2.改变几何条件, 在渗流逸出部位铺设层间关系满足要求的反滤层, 是防止管涌破坏的有效措施。

 

↑图 为发生在湖南望城湘江大堤最大的管涌。由于暴雨使湘江水猛长，使土体中的水力坡降增加，加之土结构的几何原因，发生了图中的管涌。沙袋用来提高逸出口水位，以降低水力坡降。此外还抛了一些大的砾石形成反滤层。

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