牛小軍 李鼎夫 李旭彪

摘要：孔隙介質中水的滲透問題，是目前研究的重點問題，也能反映土的孔隙介質中水的滲流運動規(guī)律以解決實際問題。堤壩工程因水滲流的發(fā)展在土體或巖體中形成水流通道而導致潰壩，地表也因水滲透變形而產生裂隙、沉降、滑坡和坍塌等現(xiàn)象。這些災害的產生無不與水關系密切，水誘發(fā)的滲透變形災害也最為嚴重。

關鍵詞：巖體； 流動過程； 滲透； 穩(wěn)定問題

中圖分類號：TV698.2+33文獻標志碼：A

0引言

滲透是由于巖土體的部分顆?；蛘w受地下水的滲透力作用位置發(fā)生改變從而導致巖土體的變形和破壞的現(xiàn)象，常見的表現(xiàn)形式有沙浮、土體翻動、斷裂、鼓包、泉眼和浮動等［1］。

滲流作用在巖石和土壤上的力稱為動態(tài)水壓或滲透水壓。一旦出現(xiàn)滲漏，就會產生這種壓力。當壓力達到一定值時，巖石和土壤中的一些顆粒將被滲透水輸送和攜帶，巖石和土的強度將降低，結構將松動，嚴重的會導致整體損壞，在土堤、基坑邊坡、土壩和壩基中這一現(xiàn)象均可能發(fā)生，這是相關工程事故的發(fā)生的重要原因。通常滲透變形有管涌、接觸流土和沖刷等［2］。

1滲透變形的條件和機理

1.1存在可能被滲流帶走的松軟土石

卵礫類土體和沙土狀土體沒有內在的凝聚力或凝聚力極小。強度由顆粒的組成和緊密度決定，因此滲透阻力很低。粉土和沙粒狀土壤中的細沙是最容易被滲透水導致變形的。

1.2水動力條件

水動力條件的存在是導致滲流變形的主要因素。滲透強度通常用水力梯度和滲透率來表示。

在地下水滯后于洪水下降的斜坡和山坡地帶水動力環(huán)境變得很強大。人類工程活動是引起滲流的水動力條件的主要因素。例如，水動力條件會因地下水的過度抽取產生的水頭差的增加而加強。

1.3臨空條件

當滲流出逸段的水力坡度在臨空條件存在時往往會變得很大，導致土粒不斷流失，這樣可能不斷促進滲流變形向上游溯源發(fā)展［2］。

在洪水過程中威脅堤防安全的主要原因有滲透變形和與滲透有關的問題。對堤壩滲透變形過程發(fā)展的研究對于預知滲透破壞的位置及形態(tài)，對堤壩的安全性合理評價，對堤壩的科學加固具有重要的理論和實踐意義。水分在土壤中的滲透不僅對某一接觸表面具有浮力效應，而且孔隙水流的阻力的孔隙水壓力也作用在土壤顆粒本身。靜水壓力和水動壓力與土壤的滲透穩(wěn)定性有關。雖然靜水壓力產生的浮力不會直接破壞土壤，但會降低土壤抵抗破壞的能力和土壤的有效重量。因此可以把動水壓力產生的會影響滲透變形破壞程度的力當作是一種正向破壞力而把靜水壓力當作是一種消極破壞力［4］。

2滲透變形的土力學分類和判別

滲透破壞也被稱為滲透變形，在不同環(huán)境下滲流條件和土質條件的不同導致滲透變形發(fā)生的機理、過程的變化及產生的結果也都不相同，以滲透變形產生的原理來看，可以將滲透變形分成四種類型［2］。

2.1流土

流土是泥土中的顆粒在水滲透力的作用下開始同時流失的現(xiàn)象［2］。主要發(fā)生在土壩下游或地基當中，是滲透破壞的基本形式。流土可產生在黏性土體中，也可產生在非黏土土體中。在非黏性的土體中發(fā)生如泉眼，沙沸騰以及土體翻滾最終會因滲流而拱起；在黏質土體中表現(xiàn)出膨脹、隆起、懸浮、斷裂等。

2.2管涌

管涌是指沿河岸的泥土和從河岸流向下游的水流在汛期受到周邊的限制，特殊的水滲漏流過強大的滲透層并流經地下，路堤后仍然存在很大的壓力，突破黏性土覆蓋層，帶出下面的淤泥，細沙和涌水沙現(xiàn)象，這就是所謂的管涌現(xiàn)象，也叫吹砂鼓水。

2.3接觸流土

當滲透系數(shù)差異較大的兩個相鄰土層的接觸面存在滲透流垂直作用時會將滲透系數(shù)較低的土層中的細顆粒攜帶到具有較大滲透系數(shù)的土層中的現(xiàn)象稱為接觸流土［2］。在具有較大差異的顆粒厚度的兩層土壤層的接觸區(qū)域，這種現(xiàn)象時常會發(fā)生。

2.4接觸沖刷

兩種不同介質的接觸面具有的攜帶細微顆粒的滲流流動現(xiàn)象稱為接觸沖刷［3］。如連接面的滲透、建筑物和堤壩的裂縫。

在工程地質界常把沙土的流動稱為流沙，黏土的流動稱為突涌。當然流沙的范圍更加廣泛，包括在沙質地區(qū)邊坡的不穩(wěn)定流動現(xiàn)象［4］。但實際上，其原理非常清晰，不需要區(qū)分土壤的不同，其原理也非常清晰。從不相同的兩個方面來看，分析獲得的結果都是相同的。洪水使人們熟悉了管涌這個土力學名詞。從嚴格意義上來說這種理解是不準確的。以長江堤壩來分析，在均勻沙層上分布著一層弱滲透性粉土或黏性土的堤壩基礎為二元結構。如上所述，黏性土中由于土的結構緊密一般不會出現(xiàn)管涌。大部分的情況發(fā)生的是流土引起的地基和堤壩的缺陷或孔的侵蝕。為了防止粗粒土壤和細粒土壤接觸的界面出現(xiàn)病害，粗粒土壤的比例往往比細粒土的比例多15%。

流土一般在垂直滲流時產生，而流沙可以在任何方向出現(xiàn)。巖土工程中指出當剪切應力在飽和松砂中增大時，無排水條件下的剪切收縮合導致了孔隙水壓力在土體中的增大，土體強度突然降低，致使沙土無限制的流動的現(xiàn)象被稱為流沙。實際上，流沙的概念從目前來說似乎更廣泛。例如，在隧道施工中，由于襯砌設計不合格或襯砌質量沒達到要求，在壓力水的作用下飽和砂可能從隧道頂部和側墻涌出。也可以把這種現(xiàn)象稱為流沙。然而，一些滲流形式變成了雙相或多相的混合流，這些問題超過了土壤力學中達西定律的范圍。

這是由于地層中的湍流流沙，土壤和管道引起的土壤破壞，泥石流，河流的變化以及由于洪水導致的大壩潰壩等。這需要兩個不同學科的合作。

3堤壩基礎的滲透破壞

堤基的滲透破壞常常以泡泉、沙沸、地層隆起、浮動、膨脹、斷裂等為表現(xiàn)形式，通常統(tǒng)稱為管涌［2］。一般來說，堤壩堤基的表土很少是礫石層。土力學中的流土破壞是堤壩基礎滲流破壞的主要形式。這是由于回水側岸邊因汛期水位上升導致入滲出逸比增大，當高于堤壩基礎的抗?jié)B設計時，就會發(fā)生滲透破壞。

滲透破壞首先發(fā)生在堤壩的脆弱點，如坑或表層土的薄層?；A管涌，特別是在堤腳下的管涌成長速率很快。很容易形成管道孔。一旦緊急情況不及時處理或者采取的措施不當，可能會由于堤壩崩塌而造成災難。因此，有必要對管涌段進行加固。

據(jù)相關統(tǒng)計分析，大部分巖土工程和地質災害事故都與地下水有關［7］。土壤中水分的增加會使非飽和土的基礎材質變軟，土壤結構將被破壞，由于靜態(tài)孔隙壓力過大，土壤中自身含水量引起的應力變化會受有效應力的影響而減弱，導致阻力的減小和荷載的增加，當水滲透發(fā)生時，由于水滲透作用，不利因素也可能會增加。當前中國有世界上最多的水庫，其中約有90%的水庫為土石壩，這些土石壩水庫中約有一半以上的都存在水滲透病害［8］。在發(fā)生事故的土石壩中，水滲透破壞是其重要因素。

地質災害可能自然發(fā)生或由人為引發(fā)，但各類泥石流和滑坡的產生幾乎都與土體中水有關。大多數(shù)天然山體滑坡發(fā)生在雨季或雪融化時，在水庫庫區(qū)蓄水后，水位上漲引發(fā)的滑坡已成為關注的熱點問題。對于地下工程和礦山工程來說，地下水引起的各種工程病害對工程安全危害極大?；娱_挖也是事故頻發(fā)的地方。如果仔細分析事故的原因，大多數(shù)都與土壤中含有的水有關。例如，水土壓力的計算不正確；降雨和地面管道泄漏導致的地表滯水處理不當，承壓水處理不當?shù)龋?］。事故原因分析可能有很多方面，而泥土中的水往往是最主要的原因。

巖土工程與地下工程牛小軍， 李鼎夫， 李旭彪： 滲透變形工程地質研究

4結束語

社會經濟的發(fā)展不能缺少工程建設。工程建設過程中的災害防治是不可或缺的關鍵學科。從工程防災的角度來看，可以將項目分為三種類型。第一類基于巖土的基礎工程，例如各種工業(yè)和民用建筑項目。為確保此類工程的施工和使用安全，需要解決的主要工程地質問題是地基的承載力和穩(wěn)定性。第二類是利用地下空間的工程，例如隧道工程和地鐵車站工程，這一類型項目需要解決的主要問題是主體工程的強度和地下空間的穩(wěn)定性。第三類是以利用邊坡巖土為主的工程，例如大壩工程等。這類項目的主要問題是確保在施工和使用過程中的重力穩(wěn)定性和安全性。因此，在工程建設過程中，必須將具體工程設計與項目地質條件相結合。有針對性地開展工程災害防治工作避免產生不利影響或嚴重后果。

參考文獻

［1］張倬元，王士天.工程地質分析原理第四版［M］. 北京： 地質出版社，2009.

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［8］諶文武，孫冠平，宋暢，等.低應力環(huán)境巖體軟弱夾層的滲透特征［J］.巖石力學與工程學報，2003（S2）：2578-2581.

［作者簡介］牛小軍（1981—），男，本科，高級工程師，從事市政道路規(guī)劃設計、道路安全與環(huán)境、交通規(guī)劃與管理工作。