滲透變形

土的特性對(duì)滲透變形形式有很大關(guān)系，一般情況是粘性土和不均勻系數(shù)Cu<10的勻粒砂，在一定水力坡降下，容易發(fā)生流土；Cu>10的不勻粒砂礫石土（包括曲率系數(shù)Cc≠1~3的不連續(xù)級(jí)配的砂礫石），既可能發(fā)生流土也可能產(chǎn)生管涌，這種情況主要決定細(xì)小填料的含量。這里所指的填料，指自由分散在孔隙中的細(xì)小顆粒，而互相約束的較粗顆粒稱為骨料。區(qū)分骨料與填料粒徑標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)于不連續(xù)級(jí)配的砂礫石土可按其顆粒大小分配曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的粒徑作為區(qū)分尺寸，對(duì)于連續(xù)級(jí)配的砂礫石土根據(jù)測(cè)得的流失顆粒粒徑來看，大致可用2mm作為骨料與填料的區(qū)分粒徑。

在水利工程中用來判別滲透變形的破壞形式的標(biāo)準(zhǔn)，可歸納為以下幾點(diǎn)：

1、粘性土和不均勻系數(shù)Cu<10的勻粒砂或Cu>10但填料含量大于35%（正常級(jí)配）的砂礫石土，其主要破壞形式為流土。

2、正常級(jí)配（Cu>10，Cc=1~3）的砂礫石土，當(dāng)其不均勻系數(shù)Cu>10填料含量小于30%時(shí)，其破壞形式為管涌；

3、缺乏中間粒徑（不連續(xù)或中斷級(jí)配）的砂礫石土，當(dāng)填料含量小于20%時(shí)，其破壞形式為管涌，而填料含量大于30%時(shí)則為流土。

滲透變形管涌

在滲流作用下，細(xì)顆粒沿土體骨架中的孔道發(fā)生移動(dòng)帶走的現(xiàn)象，又稱潛蝕。它通常發(fā)生在砂礫石地層中。根據(jù)滲透方向與重力方向的關(guān)系：垂直管涌、水平管涌。

滲透變形流土

在滲透作用下，土體中的顆粒群或團(tuán)塊同時(shí)發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象。常發(fā)生于均質(zhì)砂土層和亞砂土層中。這種破壞形式在粘性土和無粘性土中均可以發(fā)生。粘性土發(fā)生流土破壞的外觀表現(xiàn)為：土體隆起、鼓脹、浮動(dòng)、斷裂等。無粘性土發(fā)生流土破壞的外觀表現(xiàn)是：泉眼（群）、砂沸、土體翻滾最終被滲透托起等。

滲透變形接觸沖刷

滲流沿著兩種不同介質(zhì)的接觸面流動(dòng)并帶走細(xì)顆粒的現(xiàn)象稱為接觸沖刷。如穿堤建筑物與堤身的結(jié)合面和裂縫的滲透破壞等。

滲透變形接觸流土

滲流垂直于兩種不同介質(zhì)的接觸面運(yùn)動(dòng)，并把一層土的顆粒帶入另一土層的現(xiàn)象稱為接觸流土。這種現(xiàn)象一般發(fā)生在顆粒粗細(xì)相差較大的兩種土層的接觸帶，如反濾層的機(jī)械淤堵等。對(duì)粘性土，只有流土、接觸沖刷或接觸流土三種破壞形式，不可能產(chǎn)生管涌破壞。對(duì)無粘性土，則四種破壞形式均可發(fā)生。

以往，人們總是認(rèn)為滲透變形的發(fā)生和發(fā)展是難以預(yù)測(cè)的。這種認(rèn)識(shí)的產(chǎn)生是基于對(duì)地質(zhì)條件、土體結(jié)構(gòu)缺乏足夠了解，是由于歷史、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和思想等方面的原因造成的。因此誤認(rèn)為堤壩滲透破壞是隨機(jī)發(fā)生的。因而面對(duì)洪水來襲，慣用的方法常常是采用“人海戰(zhàn)術(shù)”，一味對(duì)堤防采用拉網(wǎng)式的排查，嚴(yán)防死守，這種方法不但耗時(shí)耗力、勞民傷財(cái)，而且效果不如人意。隨著人們認(rèn)識(shí)水平的不斷提高，對(duì)于滲透變形發(fā)生的前提條件及其發(fā)展過程等已經(jīng)具備了一定認(rèn)識(shí)，基本了解了它的發(fā)生和演變規(guī)律。例如：發(fā)生在堤基的松散層，滲漏部位埋深較淺，比較容易被人們探測(cè)確定，對(duì)它的認(rèn)識(shí)比較深刻。對(duì)于主要受堤基深部基巖裂隙、溶蝕、斷層、強(qiáng)風(fēng)化帶等滲流通道的影響，堤基滲流位置埋深大，檢測(cè)難度高，且具有一定的隱蔽性，對(duì)它的危害性認(rèn)識(shí)尚比較膚淺。

實(shí)際工程中的滲透變形位置不僅會(huì)發(fā)生在堤身、堤腳，也會(huì)發(fā)生在堤內(nèi)和堤基。堤內(nèi)發(fā)生的部位甚至可距離堤幾百米遠(yuǎn)，如荊江大堤1987年發(fā)生在觀音寺堤段的管涌就距離堤腳400多米，這類滲透變形由于位置距離堤壩較遠(yuǎn)，在巡查檢測(cè)過程中經(jīng)常會(huì)被巡檢人員所忽視而留下事故隱患；而發(fā)生在堤基下的滲透變形由于產(chǎn)生于堤基深部，更加不易為人們及時(shí)發(fā)現(xiàn)和妥善處理，具有相當(dāng)?shù)碾[蔽性。這種源自堤基深層的滲透變形對(duì)于堤防安全的不良影響必須引起足夠重視。

研究表明，巖土體的裂隙、變形和滲透性之間有著密切的聯(lián)系，在所有滲透變形的影響因素中，只有清楚地知道巖土體的滲透性質(zhì)才能夠?qū)Φ虊蔚钠渌\(yùn)行條件做出更好的設(shè)計(jì)，因此巖土體滲透性質(zhì)的研究是巖土工程滲流理論中極其重要的一環(huán)。

土巖體在地下水滲透力（動(dòng)水壓力）的作用下，部分顆?；蛘w發(fā)生移動(dòng)，引起巖土體的變形和破壞的作用和現(xiàn)象。表現(xiàn)為鼓脹、浮動(dòng)、斷裂、泉眼、沙浮、土體翻動(dòng)等。滲透水流作用于巖土上的力稱為滲透水壓或動(dòng)水壓力，只要有滲流存在就存在這種壓力，當(dāng)此力達(dá)到一定大小時(shí)，巖土中的某顆粒就會(huì)被滲透水流攜帶和搬運(yùn)，從而引起沿巖土的結(jié)構(gòu)變松，強(qiáng)度降低，甚至整體發(fā)生破壞。

1、是土石壩的主要工程地質(zhì)問題；

2、對(duì)壩基、基坑、地下巷道掘進(jìn)、礦山等帶來危害；

3、是工程地質(zhì)學(xué)研究的課題之一。

滲透破壞與滲透變形不同，只要存在顆粒的運(yùn)動(dòng)就會(huì)發(fā)生滲透變形，而滲透破壞則是指堤基在滲流作用下失去承載力和穩(wěn)定性。對(duì)于任何水工建（構(gòu)）筑物地基而言，滲透變形的形式既可能是單一形式出現(xiàn)，也可能是多種形式伴隨出現(xiàn)。滲透變形的進(jìn)一步發(fā)展可能是大量顆粒涌出，堤基承載力降低，沉降加劇，堤防失穩(wěn)，但也有一些堤基，管涌發(fā)生了幾十年，而堤基并未破壞。同屬管涌型的土，滲透變形后的發(fā)展過程可能有所不同。有些學(xué)者提出了表征滲透破壞的) 大特征：①滲流量大幅度增加；②供水壓力維持不住，大幅度下降；③顆粒大量涌出，涌出物的尺寸也不斷加大；④測(cè)壓計(jì)讀數(shù)波動(dòng)。這些特征是形成貫通上下游通道的必然結(jié)果。

工程上常用的防滲措施有：深層攪拌法、高壓噴射灌漿、砼防滲墻和土工膜等。

滲透變形深層攪拌法

深層攪拌法是利用水泥等材料作為固化劑，通過攪拌機(jī)械在地基深部就地將軟土和固化劑強(qiáng)制拌和，從而形成水泥加固土防滲體。常用的攪拌樁有多頭小直徑和單頭或雙頭攪拌樁。防滲體的容許水力坡降為20～30 ，滲透系數(shù)為10^-5 ～10^-8 cm/s。該法的主要優(yōu)點(diǎn)是施工噪音小，無污染，造價(jià)低，適應(yīng)地基的范圍較廣，但遇塊石或大粒徑材料難以施工。

滲透變形高壓噴射灌漿

高壓噴射灌漿是利用鉆機(jī)把帶有噴嘴的注漿管鉆至土層的預(yù)定部位，利用高壓設(shè)備使?jié){液從噴嘴中噴射出來，從而使土體和漿液攪拌混合，待漿液凝固后,便在土中形成一固結(jié)體。高壓噴射灌漿分為定噴和旋噴兩種注漿形式。固結(jié)體的滲透系數(shù)可達(dá)10^-5～10^-6 cm/s。該法設(shè)備簡(jiǎn)單，漿液流失小，施工速度快,適應(yīng)地基的范圍廣，無公害，但不適于地下水流速大的部位。

滲透變形砼防滲墻

采用鉆(挖、沖) 孔在土中成槽，然后，澆灌砼,并把已澆灌的砼一段一段地接起來，從而形成砼防滲墻。墻體可以采用普通砼，也可以采用塑性砼以降低造價(jià)。普通砼防滲墻的滲透系數(shù)<10^-7cm/s，塑性砼的滲透系數(shù)為10^-6～10^-7 cm/s。該法施工速度快,墻體厚度均勻，適應(yīng)地基的范圍廣。但需用專門的施工機(jī)械且要求一定的施工平臺(tái)速度。

滲透變形土工膜

土工膜及復(fù)合土工膜防滲技術(shù)是工程上造價(jià)最低的一種防滲措施。土工膜材料一般為聚乙烯，其厚度可根據(jù)設(shè)計(jì)水頭、抗穿刺能力和施工條件等因素進(jìn)行確定，其施工工序?yàn)椋撼刹蹤C(jī)開溝造槽、鋪膜、回填土和場(chǎng)地平整。復(fù)合土工膜有長(zhǎng)、短纖維兩種，另外，按照布膜組合，有一布一膜、二布一膜和二膜一布之分。土工膜及復(fù)合土工膜的滲透系數(shù)為10^-11 ～10^-12 cm/s。該技術(shù)常用于粉土、砂和砂礫層的防滲處理。 2100433B

壩的地基在長(zhǎng)期滲流作用下，土體顆粒流失，導(dǎo)致地基變形甚至破壞的現(xiàn)象。水工建筑物地基的滲透變形，主要發(fā)生在砂礫石層和膠結(jié)不良的斷層破碎帶中。工程實(shí)踐表明，地基滲透變形可使巖土體孔隙增大，承載力降低,甚至出現(xiàn)管道空洞,導(dǎo)致地基失穩(wěn)，在閘、壩、堤防事故中占有很大比例。因此，研究壩基巖土體滲透變形及其防治措施，是關(guān)系到水利工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵問題之一。

滲透變形形式一般有管涌、流土、接觸沖刷，其中以管涌和流土最為常見。它們與巖土體結(jié)構(gòu)、顆粒級(jí)配和水力條件等因素有關(guān)。

管涌滲流將土體中細(xì)顆粒帶走的現(xiàn)象，又稱潛蝕。在砂礫石層中，特別在缺乏中間粒徑的砂礫石層中最易發(fā)生。在未膠結(jié)的斷層破碎帶中也可見到管涌。當(dāng)巖層的膠結(jié)物為易溶的巖鹽和石膏時(shí)，在滲流作用下，膠結(jié)物被溶解帶走，又稱化學(xué)管涌。根據(jù)管涌隨時(shí)間發(fā)展的不同情況，可分為發(fā)展性管涌和非發(fā)展性管涌。前者是指在一定滲透流速下，管涌隨時(shí)間連續(xù)發(fā)展，最終引起土體破壞；后者是指在某一滲透流速下，發(fā)生管涌，有細(xì)粒移動(dòng)和帶出，但其帶出量不大，也不隨時(shí)間而增加，經(jīng)一段時(shí)間后細(xì)顆粒甚至停止跳動(dòng)和帶出，滲透系數(shù)并不增大，土體仍不失去抗?jié)B強(qiáng)度。

流土滲流動(dòng)水壓力使土體表層顆粒呈現(xiàn)浮動(dòng)的現(xiàn)象。壩基往往由于排水失效，致使下游邊坡逸出部位的動(dòng)水壓力大于土體自重，而導(dǎo)致流土發(fā)生。流土一般多發(fā)生在表層為弱透水層，下部為強(qiáng)透水的砂礫石層組成的雙層地質(zhì)結(jié)構(gòu)中。

接觸沖刷當(dāng)滲流沿著粗細(xì)兩種土層接觸面或建筑物與地基的接觸面流動(dòng)時(shí)，沿接觸面帶走細(xì)顆粒的現(xiàn)象，稱接觸沖刷。對(duì)多層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的土體，各層的滲透系數(shù)相差懸殊時(shí)，垂直層面滲流將滲透系數(shù)小的土層中的細(xì)粒帶到滲透系數(shù)大的土層中的現(xiàn)象，又稱接觸流失。

滲透變形形式判別砂礫石地基上的水工建筑物滲透變形的發(fā)生及其形式的判斷，在很大程度上取決于地基砂礫石的級(jí)配特征。20世紀(jì)50～60年代，砂礫石層滲透變形形式的判斷,多以不均勻系數(shù)Cu)=d/d（d、d為土粒粒徑,小于該粒徑的顆粒重量分別占總重量的60%和10%）為依據(jù),Cu)小于10的土滲透變形形式為流土;Cu)大于20的土為管涌土。60年代后,通過大量工程實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)級(jí)配不連續(xù)的土，盡管不均勻系數(shù)大于20，如果細(xì)粒含量大于35%,其滲透變形形式仍然是流土。因此,對(duì)于級(jí)配不連續(xù)的土，提出以細(xì)粒含量作為判別滲透變形形式的標(biāo)準(zhǔn)(表1)。區(qū)分粗細(xì)粒徑的方法是：對(duì)級(jí)配不連續(xù)的土，以顆粒組成曲線中缺乏的粒徑組或含量不足3%的粒徑組,為粗細(xì)料的區(qū)分粒徑；對(duì)級(jí)配連續(xù)的土，方法較多，一般為了簡(jiǎn)便，有的以1.0mm也有的以2.0mm作為區(qū)分粒徑。雙層地基的滲透變形形式主要為接觸沖刷。一般認(rèn)為相鄰兩層土體的d比值小于或等于10，且兩層土的不均勻系數(shù)均小于或等于10時(shí)，將不致產(chǎn)生接觸沖刷。反之，則應(yīng)考慮接觸沖刷問題。凡兩層土體之間的滲透系數(shù)比值等于或小于10，或者兩層土體的d比值小于或等于3時(shí),可按單層土體結(jié)構(gòu)來考慮（d為土粒粒徑，小于該粒徑的土重占總土重的20%）。

此外，當(dāng)滲透變形形式確定后,也可根據(jù)表2選取臨界比降與允許比降值。其中允許比降值的確定是采用了1～2的安全系數(shù)。鑒于流土破壞對(duì)建筑物的安全威脅最大，一般安全系數(shù)取大值，管涌一般取1.0～1.5。

對(duì)未膠結(jié)的斷層破碎帶、裂隙密集帶和軟弱夾層等，由于其顆粒組成變化較大，其滲透變形形式有管涌型也有流土型?？?jié)B能力主要與帶內(nèi)粘土礦物成分、可溶物質(zhì)含量多少和細(xì)粒填充緊密程度有關(guān)。一般抗?jié)B能力較高，不易產(chǎn)生滲透破壞。但當(dāng)破碎帶或軟弱夾層兩側(cè)巖體裂隙發(fā)育，貫穿性好，或滲徑短，使?jié)B流比降大于夾層臨界比降時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生滲透破壞。2100433B

滲透變形的型式及其發(fā)生發(fā)展過程，與土料性質(zhì)、土粒級(jí)配、水流條件以及防滲、排水措施等因素有關(guān)，一般有管涌、流土、接觸沖刷和接觸流失等類型。工程中以管涌和流土最為常見。

(1)管涌

壩體或壩基中的無黏性土細(xì)顆粒被滲透水流帶走并逐步形成滲流通道的現(xiàn)象稱為管涌，多發(fā)生在壩的下游坡或閘壩下游地基面滲流逸出處。黏性土因顆粒之間存在凝聚力且滲透系數(shù)較小，所以一般不易發(fā)生管涌破壞，而在缺乏中間粒徑的非黏性土中極易發(fā)生。

(2)流土

在滲流作用下，產(chǎn)生的土體浮動(dòng)或流失現(xiàn)象。發(fā)生流土?xí)r土體表面發(fā)生隆起、斷裂或剝落。它主要發(fā)生在黏性土及均勻非黏性土體的滲流出口處。

(3)接觸沖刷

當(dāng)滲流沿著兩種不同土層的接觸面流動(dòng)時(shí)，沿層面帶走細(xì)顆粒的現(xiàn)象稱為接觸沖刷。

(4)接觸流失

當(dāng)滲流垂直于滲透系數(shù)相差較大的兩相鄰?fù)翆拥慕佑|面流動(dòng)時(shí)，把滲透系數(shù)較小土層中的細(xì)顆粒帶入滲透系數(shù)較大的另一土層中的現(xiàn)象，稱為接觸流失。