滲透變形工程地質(zhì)研究

牛小軍 李鼎夫 李旭彪

摘要：孔隙介質(zhì)中水的滲透問(wèn)題，是目前研究的重點(diǎn)問(wèn)題，也能反映土的孔隙介質(zhì)中水的滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律以解決實(shí)際問(wèn)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(dǎo)致潰壩，地表也因水滲透變形而產(chǎn)生裂隙、沉降、滑坡和坍塌等現(xiàn)象。這些災(zāi)害的產(chǎn)生無(wú)不與水關(guān)系密切，水誘發(fā)的滲透變形災(zāi)害也最為嚴(yán)重。

關(guān)鍵詞：巖體； 流動(dòng)過(guò)程； 滲透； 穩(wěn)定問(wèn)題

中圖分類號(hào)：TV698.2+33文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

滲透是由于巖土體的部分顆粒或整體受地下水的滲透力作用位置發(fā)生改變從而導(dǎo)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(dòng)、斷裂、鼓包、泉眼和浮動(dòng)等［1］。

滲流作用在巖石和土壤上的力稱為動(dòng)態(tài)水壓或滲透水壓。一旦出現(xiàn)滲漏，就會(huì)產(chǎn)生這種壓力。當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，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(qiáng)度將降低，結(jié)構(gòu)將松動(dòng)，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)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(guān)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(jī)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(nèi)在的凝聚力或凝聚力極小。強(qiáng)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(xì)沙是最容易被滲透水導(dǎo)致變形的。

1.2水動(dòng)力條件

水動(dòng)力條件的存在是導(dǎo)致滲流變形的主要因素。滲透強(qiáng)度通常用水力梯度和滲透率來(lái)表示。

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

1.3臨空條件

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

在洪水過(guò)程中威脅堤防安全的主要原因有滲透變形和與滲透有關(guān)的問(wèn)題。對(duì)堤壩滲透變形過(guò)程發(fā)展的研究對(duì)于預(yù)知滲透破壞的位置及形態(tài)，對(duì)堤壩的安全性合理評(píng)價(jià)，對(duì)堤壩的科學(xué)加固具有重要的理論和實(shí)踐意義。水分在土壤中的滲透不僅對(duì)某一接觸表面具有浮力效應(yīng)，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(dòng)壓力與土壤的滲透穩(wěn)定性有關(guān)。雖然靜水壓力產(chǎn)生的浮力不會(huì)直接破壞土壤，但會(huì)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(dòng)水壓力產(chǎn)生的會(huì)影響滲透變形破壞程度的力當(dāng)作是一種正向破壞力而把靜水壓力當(dāng)作是一種消極破壞力［4］。

2滲透變形的土力學(xué)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(zhì)條件的不同導(dǎo)致滲透變形發(fā)生的機(jī)理、過(guò)程的變化及產(chǎn)生的結(jié)果也都不相同，以滲透變形產(chǎn)生的原理來(lái)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(shí)流失的現(xiàn)象［2］。主要發(fā)生在土壩下游或地基當(dāng)中，是滲透破壞的基本形式。流土可產(chǎn)生在黏性土體中，也可產(chǎn)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(huì)因滲流而拱起；在黏質(zhì)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(guò)強(qiáng)大的滲透層并流經(jīng)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(xì)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(dāng)滲透系數(shù)差異較大的兩個(gè)相鄰?fù)翆拥慕佑|面存在滲透流垂直作用時(shí)會(huì)將滲透系數(shù)較低的土層中的細(xì)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(shí)常會(huì)發(fā)生。

2.4接觸沖刷

兩種不同介質(zhì)的接觸面具有的攜帶細(xì)微顆粒的滲流流動(dòng)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(zhì)界常把沙土的流動(dòng)稱為流沙，黏土的流動(dòng)稱為突涌。當(dāng)然流沙的范圍更加廣泛，包括在沙質(zhì)地區(qū)邊坡的不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象［4］。但實(shí)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(gè)方面來(lái)看，分析獲得的結(jié)果都是相同的。洪水使人們熟悉了管涌這個(gè)土力學(xué)名詞。從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)這種理解是不準(zhǔn)確的。以長(zhǎng)江堤壩來(lái)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(chǔ)為二元結(jié)構(gòu)。如上所述，黏性土中由于土的結(jié)構(gòu)緊密一般不會(huì)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(xì)粒土壤接觸的界面出現(xiàn)病害，粗粒土壤的比例往往比細(xì)粒土的比例多15%。

流土一般在垂直滲流時(shí)產(chǎn)生，而流沙可以在任何方向出現(xiàn)。巖土工程中指出當(dāng)剪切應(yīng)力在飽和松砂中增大時(shí)，無(wú)排水條件下的剪切收縮合導(dǎo)致了孔隙水壓力在土體中的增大，土體強(qiáng)度突然降低，致使沙土無(wú)限制的流動(dòng)的現(xiàn)象被稱為流沙。實(shí)際上，流沙的概念從目前來(lái)說(shuō)似乎更廣泛。例如，在隧道施工中，由于襯砌設(shè)計(jì)不合格或襯砌質(zhì)量沒達(dá)到要求，在壓力水的作用下飽和砂可能從隧道頂部和側(cè)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(wèn)題超過(guò)了土壤力學(xué)中達(dá)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(dǎo)致的大壩潰壩等。這需要兩個(gè)不同學(xué)科的合作。

3堤壩基礎(chǔ)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(dòng)、膨脹、斷裂等為表現(xiàn)形式，通常統(tǒng)稱為管涌［2］。一般來(lái)說(shuō)，堤壩堤基的表土很少是礫石層。土力學(xué)中的流土破壞是堤壩基礎(chǔ)滲流破壞的主要形式。這是由于回水側(cè)岸邊因汛期水位上升導(dǎo)致入滲出逸比增大，當(dāng)高于堤壩基礎(chǔ)的抗?jié)B設(shè)計(jì)時(shí)，就會(huì)發(fā)生滲透破壞。

滲透破壞首先發(fā)生在堤壩的脆弱點(diǎn)，如坑或表層土的薄層。基礎(chǔ)管涌，特別是在堤腳下的管涌成長(zhǎng)速率很快。很容易形成管道孔。一旦緊急情況不及時(shí)處理或者采取的措施不當(dāng)，可能會(huì)由于堤壩崩塌而造成災(zāi)難。因此，有必要對(duì)管涌段進(jìn)行加固。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，大部分巖土工程和地質(zhì)災(zāi)害事故都與地下水有關(guān)［7］。土壤中水分的增加會(huì)使非飽和土的基礎(chǔ)材質(zhì)變軟，土壤結(jié)構(gòu)將被破壞，由于靜態(tài)孔隙壓力過(guò)大，土壤中自身含水量引起的應(yīng)力變化會(huì)受有效應(yīng)力的影響而減弱，導(dǎo)致阻力的減小和荷載的增加，當(dāng)水滲透發(fā)生時(shí)，由于水滲透作用，不利因素也可能會(huì)增加。當(dāng)前中國(guó)有世界上最多的水庫(kù)，其中約有90%的水庫(kù)為土石壩，這些土石壩水庫(kù)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(zhì)災(zāi)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(chǎn)生幾乎都與土體中水有關(guān)。大多數(shù)天然山體滑坡發(fā)生在雨季或雪融化時(shí)，在水庫(kù)庫(kù)區(qū)蓄水后，水位上漲引發(fā)的滑坡已成為關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)于地下工程和礦山工程來(lái)說(shuō)，地下水引起的各種工程病害對(duì)工程安全危害極大。基坑開挖也是事故頻發(fā)的地方。如果仔細(xì)分析事故的原因，大多數(shù)都與土壤中含有的水有關(guān)。例如，水土壓力的計(jì)算不正確；降雨和地面管道泄漏導(dǎo)致的地表滯水處理不當(dāng)，承壓水處理不當(dāng)?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(zhì)研究

4結(jié)束語(yǔ)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不能缺少工程建設(shè)。工程建設(shè)過(guò)程中的災(zāi)害防治是不可或缺的關(guān)鍵學(xué)科。從工程防災(zāi)的角度來(lái)看，可以將項(xiàng)目分為三種類型。第一類基于巖土的基礎(chǔ)工程，例如各種工業(yè)和民用建筑項(xiàng)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(zhì)問(wèn)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(xiàng)目需要解決的主要問(wèn)題是主體工程的強(qiáng)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(xiàng)目的主要問(wèn)題是確保在施工和使用過(guò)程中的重力穩(wěn)定性和安全性。因此，在工程建設(shè)過(guò)程中，必須將具體工程設(shè)計(jì)與項(xiàng)目地質(zhì)條件相結(jié)合。有針對(duì)性地開展工程災(zāi)害防治工作避免產(chǎn)生不利影響或嚴(yán)重后果。

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