基土滲透變形類型及其判別方法

呂 梁（石河子中勘勘察設計院（有限公司），新疆 石河子 832000）

基土滲透變形類型及其判別方法

呂 梁
（石河子中勘勘察設計院（有限公司），新疆 石河子 832000）

摘 要：作為維持整個建筑物穩定性的重要部位，地基在工程中的重要性不言而喻，如何對基土的滲透變形類型及其發生條件進行判斷對工程施工具有重要的意義。因此，本文著重探討了基土的滲透變形類型及其發生條件。

關鍵詞：判斷；基土；變形類型；發生條件

滲透變形是土體在一定水力坡降滲流作用下發生變形或破壞的現象，它包括流土和管涌兩種基本形式。在一定的水力坡降下，什么情況下發生流土破壞，什么情況下發生管涌破壞，在滲透變形類型判別中常常出現不準確或錯誤情況，下面談談這方面的看法。

一、滲透變形破壞類型判別

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

在水利工程中用來判別滲透變形的兩種破壞形式的標準，可歸納為以下幾點：

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

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

3缺乏中間粒徑（不連續或中斷級配）的砂礫石土，當填料含量小于20%時，其破壞形式為管涌，而填料含量大于30%時則為流土。

另外，根據《水利水電工程地質勘察規范》（GB50287—99）附錄M“土的滲透變形判別”，水庫壩基滲透變形類型按土的細粒含量采用下列公式判別：

（1）流土：

（2）管涌：

（3） 連續級配的土，區分粗粒（骨料）和細粒（填料）的界限粒徑df按下式計算。

式中：pc—土的細粒（填料）顆粒含量，以質量百分比計（%）；n—土的孔隙率（%）；df—粗細顆粒的區分粒徑（mm）；d70—小于該粒徑含量占總土中70%顆粒的粒徑（mm）；d10—小于該粒徑含量占總土中10%顆粒的粒徑（mm）。

df、d10、d70值均由顆粒分析試驗得到的顆粒分析曲線查得，該顆分曲線必須要求精確，否則，運用上述公式判別滲透變形類型會出現不準確。

二、發生滲透變形破壞的條件

壩基土或基槽會不會發生流土或管涌破壞，要計算該基土在滲流作用下的臨界水力坡降icr，允許水力坡降[i]，然后與工程實際發生水力坡降i實進行比較來進行判斷。

1 流土的臨界水力坡降和允許水力坡降

在壩基下游水流出逸出當垂直向上的水流滲透力j等于土的浮ρˊ密度時，即：

這時，土的有效質量為零，土粒之間的壓力消失，土粒處于懸浮狀態，土體處于臨界狀態，土體隨水流動而開始涌砂（翻騰），產生局部或整體的流土現象，從上式求出該臨界狀態的水力坡降為：

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

從上式可知，只要土的孔隙比e和土粒比重Gs為已知，臨界水力坡降就是個定值，一般在0.8～1.2之間，為保證適當安全，按上式計算出的臨界水力坡降應除以2～2.5的安全系數，就可得到允許滲透坡降值，一些資料指出，勻粒砂土的允許滲透坡降值[i]=0.27～0.44，填料含量大于30%的砂礫石土料的[i]=0.3～0.4，對于粘性土它的滲透變形類型為流土，但一般不會輕易發生，其允許水力坡降較大，為[i]=0.4～0.6，以上值可供設計參考。

2 管涌的臨界水力坡降和允許水力坡降

管涌的臨界水力坡降可通過試驗測定，試驗表明：當砂礫石料的填料含量介于20%～30%時，icr=0.15～0.30，填料含量小于20%時， icr=0.07～0.10，同樣為保證一定安全程度，要除之以1.5～2.0的安全系數而得到允許滲透坡降值，當正常級配的砂礫石料的填料含量小于35%時，如10 ＜CU＜20時，其[i]=0.2，如Cu＞20時，其[i]=0.1

另外，管涌的臨界水力坡降還可采用下式計算，

式中：d5d20—分別占總質量的5%和20%的粒徑（mm），由顆粒分析曲線查得。

3 實際發生水力坡降計算

壩基、基槽等實際水力坡降可用下式計算：

式中：H1—上游水頭高程，取正常蓄水位；

H2—下游水頭高程，取壩后地下水位；

2b—壩基寬度或滲流長度（m）

以上計算，若i實＞[i]時，土體發生滲透變形破壞；i實=[i]時，土體處于臨界狀態；當滿足i實＜[i]時，土體處于穩定狀態，不會產生滲透變形破壞。

三、滲透變形破壞的防治措施

壩基土、基槽如發生滲透變形破壞，會造成基土掏空，建筑物失穩和產生基槽邊坡坍塌、滑坡等不良情況。為防止基土、基槽在滲流作用下的滲透變形破壞，在工程設計、施工和管理上，可采取一些防治和處理的工程措施。總的原則是做好上堵下排工作，即在上游做好增長滲流途徑（鋪設水平不透水粘土防滲鋪蓋等）和截斷滲漏（設截水槽、防滲墻、垂直帷幕灌漿等）的方法，在下游進行壩體導滲、壩后導滲，或設置減壓排水溝、減壓井、石料透水蓋重壓滲臺、反濾層等，以降低、平衡下游的滲透壓力。對于基坑（槽）、管溝，可用降低來水水位、排水、打板樁等方法防止流砂現象。

參考文獻

[1]劉建剛.堤基滲透變形理論與滲漏探測方法研究[D].河海大學，2012.

中圖分類號：TU471

文獻標識碼：A

作者簡介：呂梁（1979-） 男，山東人，本科，工程師 研究方向：地質勘查方面。