基土渗透变形类型及其判别方法

吕 梁（石河子中勘勘察设计院（有限公司），新疆 石河子 832000）

基土渗透变形类型及其判别方法

吕 梁
（石河子中勘勘察设计院（有限公司），新疆 石河子 832000）

摘 要：作为维持整个建筑物稳定性的重要部位，地基在工程中的重要性不言而喻，如何对基土的渗透变形类型及其发生条件进行判断对工程施工具有重要的意义。因此，本文着重探讨了基土的渗透变形类型及其发生条件。

关键词：判断；基土；变形类型；发生条件

渗透变形是土体在一定水力坡降渗流作用下发生变形或破坏的现象，它包括流土和管涌两种基本形式。在一定的水力坡降下，什么情况下发生流土破坏，什么情况下发生管涌破坏，在渗透变形类型判别中常常出现不准确或错误情况，下面谈谈这方面的看法。

一、渗透变形破坏类型判别

土的特性对渗透变形形式有很大关系，一般情况是粘性土和不均匀系数Cu＜10的匀粒砂，在一定水力坡降下，容易发生流土；Cu＞10的不匀粒砂砾石土（包括曲率系数Cc≠1～3的不连续级配的砂砾石），既可能发生流土也可能产生管涌，这种情况主要决定细小填料的含量。这里所指的填料，指自由分散在孔隙中的细小颗粒，而互相约束的较粗颗粒称为骨料。区分骨料与填料粒径标准：对于不连续级配的砂砾石土可按其颗粒大小分配曲线的转折点所对应的粒径作为区分尺寸，对于连续级配的砂砾石土根据测得的流失颗粒粒径来看，大致可用2mm作为骨料与填料的区分粒径。

在水利工程中用来判别渗透变形的两种破坏形式的标准，可归纳为以下几点：

1 粘性土和不均匀系数Cu＜10的匀粒砂或Cu＞10但填料含量大于35%（正常级配）的砂砾石土，其主要破坏形式为流土；

2正常级配（Cu＞10，Cc=1～3）的砂砾石土，当其不均匀系数Cu＞10填料含量小于30%时，其破坏形式为管涌；

3缺乏中间粒径（不连续或中断级配）的砂砾石土，当填料含量小于20%时，其破坏形式为管涌，而填料含量大于30%时则为流土。

另外，根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287—99）附录M“土的渗透变形判别”，水库坝基渗透变形类型按土的细粒含量采用下列公式判别：

（1）流土：

（2）管涌：

（3） 连续级配的土，区分粗粒（骨料）和细粒（填料）的界限粒径df按下式计算。

式中：pc—土的细粒（填料）颗粒含量，以质量百分比计（%）；n—土的孔隙率（%）；df—粗细颗粒的区分粒径（mm）；d70—小于该粒径含量占总土中70%颗粒的粒径（mm）；d10—小于该粒径含量占总土中10%颗粒的粒径（mm）。

df、d10、d70值均由颗粒分析试验得到的颗粒分析曲线查得，该颗分曲线必须要求精确，否则，运用上述公式判别渗透变形类型会出现不准确。

二、发生渗透变形破坏的条件

坝基土或基槽会不会发生流土或管涌破坏，要计算该基土在渗流作用下的临界水力坡降icr，允许水力坡降[i]，然后与工程实际发生水力坡降i实进行比较来进行判断。

1 流土的临界水力坡降和允许水力坡降

在坝基下游水流出逸出当垂直向上的水流渗透力j等于土的浮ρˊ密度时，即：

这时，土的有效质量为零，土粒之间的压力消失，土粒处于悬浮状态，土体处于临界状态，土体随水流动而开始涌砂（翻腾），产生局部或整体的流土现象，从上式求出该临界状态的水力坡降为：

式中：icr—临界水力坡降；Gs—土粒比重；e—土的孔隙比；n—土的孔隙率；ρsat—土的饱和密度g/cm3；ρω—水的密度等于1 g/cm3。

从上式可知，只要土的孔隙比e和土粒比重Gs为已知，临界水力坡降就是个定值，一般在0.8～1.2之间，为保证适当安全，按上式计算出的临界水力坡降应除以2～2.5的安全系数，就可得到允许渗透坡降值，一些资料指出，匀粒砂土的允许渗透坡降值[i]=0.27～0.44，填料含量大于30%的砂砾石土料的[i]=0.3～0.4，对于粘性土它的渗透变形类型为流土，但一般不会轻易发生，其允许水力坡降较大，为[i]=0.4～0.6，以上值可供设计参考。

2 管涌的临界水力坡降和允许水力坡降

管涌的临界水力坡降可通过试验测定，试验表明：当砂砾石料的填料含量介于20%～30%时，icr=0.15～0.30，填料含量小于20%时， icr=0.07～0.10，同样为保证一定安全程度，要除之以1.5～2.0的安全系数而得到允许渗透坡降值，当正常级配的砂砾石料的填料含量小于35%时，如10 ＜CU＜20时，其[i]=0.2，如Cu＞20时，其[i]=0.1

另外，管涌的临界水力坡降还可采用下式计算，

式中：d5d20—分别占总质量的5%和20%的粒径（mm），由颗粒分析曲线查得。

3 实际发生水力坡降计算

坝基、基槽等实际水力坡降可用下式计算：

式中：H1—上游水头高程，取正常蓄水位；

H2—下游水头高程，取坝后地下水位；

2b—坝基宽度或渗流长度（m）

以上计算，若i实＞[i]时，土体发生渗透变形破坏；i实=[i]时，土体处于临界状态；当满足i实＜[i]时，土体处于稳定状态，不会产生渗透变形破坏。

三、渗透变形破坏的防治措施

坝基土、基槽如发生渗透变形破坏，会造成基土掏空，建筑物失稳和产生基槽边坡坍塌、滑坡等不良情况。为防止基土、基槽在渗流作用下的渗透变形破坏，在工程设计、施工和管理上，可采取一些防治和处理的工程措施。总的原则是做好上堵下排工作，即在上游做好增长渗流途径（铺设水平不透水粘土防渗铺盖等）和截断渗漏（设截水槽、防渗墙、垂直帷幕灌浆等）的方法，在下游进行坝体导渗、坝后导渗，或设置减压排水沟、减压井、石料透水盖重压渗台、反滤层等，以降低、平衡下游的渗透压力。对于基坑（槽）、管沟，可用降低来水水位、排水、打板桩等方法防止流砂现象。

参考文献

[1]刘建刚.堤基渗透变形理论与渗漏探测方法研究[D].河海大学，2012.

中图分类号：TU471

文献标识码：A

作者简介：吕梁（1979-） 男，山东人，本科，工程师 研究方向：地质勘查方面。