渗透变形工程地质研究

牛小军 李鼎夫 李旭彪

摘要：孔隙介质中水的渗透问题，是目前研究的重点问题，也能反映土的孔隙介质中水的渗流运动规律以解决实际问题。堤坝工程因水渗流的发展在土体或岩体中形成水流通道而导致溃坝，地表也因水渗透变形而产生裂隙、沉降、滑坡和坍塌等现象。这些灾害的产生无不与水关系密切，水诱发的渗透变形灾害也最为严重。

关键词：岩体； 流动过程； 渗透； 稳定问题

中图分类号：TV698.2+33文献标志码：A

0引言

渗透是由于岩土体的部分颗粒或整体受地下水的渗透力作用位置发生改变从而导致岩土体的变形和破坏的现象，常见的表现形式有沙浮、土体翻动、断裂、鼓包、泉眼和浮动等［1］。

渗流作用在岩石和土壤上的力称为动态水压或渗透水压。一旦出现渗漏，就会产生这种压力。当压力达到一定值时，岩石和土壤中的一些颗粒将被渗透水输送和携带，岩石和土的强度将降低，结构将松动，严重的会导致整体损坏，在土堤、基坑边坡、土坝和坝基中这一现象均可能发生，这是相关工程事故的发生的重要原因。通常渗透变形有管涌、接触流土和冲刷等［2］。

1渗透变形的条件和机理

1.1存在可能被渗流带走的松软土石

卵砾类土体和沙土状土体没有内在的凝聚力或凝聚力极小。强度由颗粒的组成和紧密度决定，因此渗透阻力很低。粉土和沙粒状土壤中的细沙是最容易被渗透水导致变形的。

1.2水动力条件

水动力条件的存在是导致渗流变形的主要因素。渗透强度通常用水力梯度和渗透率来表示。

在地下水滞后于洪水下降的斜坡和山坡地带水动力环境变得很强大。人类工程活动是引起渗流的水动力条件的主要因素。例如，水动力条件会因地下水的过度抽取产生的水头差的增加而加强。

1.3临空条件

当渗流出逸段的水力坡度在临空条件存在时往往会变得很大，导致土粒不断流失，这样可能不断促进渗流变形向上游溯源发展［2］。

在洪水过程中威胁堤防安全的主要原因有渗透变形和与渗透有关的问题。对堤坝渗透变形过程发展的研究对于预知渗透破坏的位置及形态，对堤坝的安全性合理评价，对堤坝的科学加固具有重要的理论和实践意义。水分在土壤中的渗透不仅对某一接触表面具有浮力效应，而且孔隙水流的阻力的孔隙水压力也作用在土壤颗粒本身。静水压力和水动压力与土壤的渗透稳定性有关。虽然静水压力产生的浮力不会直接破坏土壤，但会降低土壤抵抗破坏的能力和土壤的有效重量。因此可以把动水压力产生的会影响渗透变形破坏程度的力当作是一种正向破坏力而把静水压力当作是一种消极破坏力［4］。

2渗透变形的土力学分类和判别

渗透破坏也被称为渗透变形，在不同环境下渗流条件和土质条件的不同导致渗透变形发生的机理、过程的变化及产生的结果也都不相同，以渗透变形产生的原理来看，可以将渗透变形分成四种类型［2］。

2.1流土

流土是泥土中的颗粒在水渗透力的作用下开始同时流失的现象［2］。主要发生在土坝下游或地基当中，是渗透破坏的基本形式。流土可产生在黏性土体中，也可产生在非黏土土体中。在非黏性的土体中发生如泉眼，沙沸腾以及土体翻滚最终会因渗流而拱起；在黏质土体中表现出膨胀、隆起、悬浮、断裂等。

2.2管涌

管涌是指沿河岸的泥土和从河岸流向下游的水流在汛期受到周边的限制，特殊的水渗漏流过强大的渗透层并流经地下，路堤后仍然存在很大的压力，突破黏性土覆盖层，带出下面的淤泥，细沙和涌水沙现象，这就是所谓的管涌现象，也叫吹砂鼓水。

2.3接触流土

当渗透系数差异较大的两个相邻土层的接触面存在渗透流垂直作用时会将渗透系数较低的土层中的细颗粒携带到具有较大渗透系数的土层中的现象称为接触流土［2］。在具有较大差异的颗粒厚度的两层土壤层的接触区域，这种现象时常会发生。

2.4接触冲刷

两种不同介质的接触面具有的携带细微颗粒的渗流流动现象称为接触冲刷［3］。如连接面的渗透、建筑物和堤坝的裂缝。

在工程地质界常把沙土的流动称为流沙，黏土的流动称为突涌。当然流沙的范围更加广泛，包括在沙质地区边坡的不稳定流动现象［4］。但实际上，其原理非常清晰，不需要区分土壤的不同，其原理也非常清晰。从不相同的兩个方面来看，分析获得的结果都是相同的。洪水使人们熟悉了管涌这个土力学名词。从严格意义上来说这种理解是不准确的。以长江堤坝来分析，在均匀沙层上分布着一层弱渗透性粉土或黏性土的堤坝基础为二元结构。如上所述，黏性土中由于土的结构紧密一般不会出现管涌。大部分的情况发生的是流土引起的地基和堤坝的缺陷或孔的侵蚀。为了防止粗粒土壤和细粒土壤接触的界面出现病害，粗粒土壤的比例往往比细粒土的比例多15%。

流土一般在垂直渗流时产生，而流沙可以在任何方向出现。岩土工程中指出当剪切应力在饱和松砂中增大时，无排水条件下的剪切收缩合导致了孔隙水压力在土体中的增大，土体强度突然降低，致使沙土无限制的流动的现象被称为流沙。实际上，流沙的概念从目前来说似乎更广泛。例如，在隧道施工中，由于衬砌设计不合格或衬砌质量没达到要求，在压力水的作用下饱和砂可能从隧道顶部和侧墙涌出。也可以把这种现象称为流沙。然而，一些渗流形式变成了双相或多相的混合流，这些问题超过了土壤力学中达西定律的范围。

这是由于地层中的湍流流沙，土壤和管道引起的土壤破坏，泥石流，河流的变化以及由于洪水导致的大坝溃坝等。这需要两个不同学科的合作。

3堤坝基础的渗透破坏

堤基的渗透破坏常常以泡泉、沙沸、地层隆起、浮动、膨胀、断裂等为表现形式，通常统称为管涌［2］。一般来说，堤坝堤基的表土很少是砾石层。土力学中的流土破坏是堤坝基础渗流破坏的主要形式。这是由于回水侧岸边因汛期水位上升导致入渗出逸比增大，当高于堤坝基础的抗渗设计时，就会发生渗透破坏。

渗透破坏首先发生在堤坝的脆弱点，如坑或表层土的薄层。基础管涌，特别是在堤脚下的管涌成长速率很快。很容易形成管道孔。一旦紧急情况不及时处理或者采取的措施不当，可能会由于堤坝崩塌而造成灾难。因此，有必要对管涌段进行加固。

据相关统计分析，大部分岩土工程和地质灾害事故都與地下水有关［7］。土壤中水分的增加会使非饱和土的基础材质变软，土壤结构将被破坏，由于静态孔隙压力过大，土壤中自身含水量引起的应力变化会受有效应力的影响而减弱，导致阻力的减小和荷载的增加，当水渗透发生时，由于水渗透作用，不利因素也可能会增加。当前中国有世界上最多的水库，其中约有90%的水库为土石坝，这些土石坝水库中约有一半以上的都存在水渗透病害［8］。在发生事故的土石坝中，水渗透破坏是其重要因素。

地质灾害可能自然发生或由人为引发，但各类泥石流和滑坡的产生几乎都与土体中水有关。大多数天然山体滑坡发生在雨季或雪融化时，在水库库区蓄水后，水位上涨引发的滑坡已成为关注的热点问题。对于地下工程和矿山工程来说，地下水引起的各种工程病害对工程安全危害极大。基坑开挖也是事故频发的地方。如果仔细分析事故的原因，大多数都与土壤中含有的水有关。例如，水土压力的计算不正确；降雨和地面管道泄漏导致的地表滞水处理不当，承压水处理不当等［8］。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。

岩土工程与地下工程牛小军， 李鼎夫， 李旭彪： 渗透变形工程地质研究

4结束语

社会经济的发展不能缺少工程建设。工程建设过程中的灾害防治是不可或缺的关键学科。从工程防灾的角度来看，可以将项目分为三种类型。第一类基于岩土的基础工程，例如各种工业和民用建筑项目。为确保此类工程的施工和使用安全，需要解决的主要工程地质问题是地基的承载力和稳定性。第二类是利用地下空间的工程，例如隧道工程和地铁车站工程，这一类型项目需要解决的主要问题是主体工程的强度和地下空间的稳定性。第三类是以利用边坡岩土为主的工程，例如大坝工程等。这类项目的主要问题是确保在施工和使用过程中的重力稳定性和安全性。因此，在工程建设过程中，必须将具体工程设计与项目地质条件相结合。有针对性地开展工程灾害防治工作避免产生不利影响或严重后果。

参考文献

［1］张倬元，王士天.工程地质分析原理第四版［M］. 北京： 地质出版社，2009.

［2］张咸恭，工程地质学（上，下册） ［M］.北京：地质出版社，1979.

［3］符文熹， 聂德新.堵江滑坡作坝的主要工程地质问题及利用情况分析［J］.工程地质学报.1998.6（3）：249-252.

［4］王庶懋， 高倚山.浅谈深基坑的渗透变形及对策［J］.工程地质学报.2008.（S1）：212-216.

［5］冯树荣，赵海斌，蒋中明，等.向家坝水电站左岸坝基破碎岩体渗透变形特性试验研究［J］.岩土工程学报，2012，34（4）：600-605.

［6］曹东盛，韩文峰，李树德，等.黄河黑山峡大柳树坝址区软弱层带渗透变形分析［J］.水土保持研究，2003，10（3）.

［7］高正夏， 赵海斌. 向家坝坝基岩体软弱夹层渗透变形现场 试验研究［J］. 西安石油大学学报（自然科学版）， 2007（22）： 152-153.

［8］谌文武，孙冠平，宋畅，等.低应力环境岩体软弱夹层的渗透特征［J］.岩石力学与工程学报，2003（S2）：2578-2581.

［作者简介］牛小军（1981—），男，本科，高级工程师，从事市政道路规划设计、道路安全与环境、交通规划与管理工作。