渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类:
一是由于渗流力的作用,使土体颗粒流失或局部土体产生移动,导致土体变形失稳;
二是由于渗流作用,使水压力或浮力发生变化,导致土体或结构失稳。
前者主要表现为流砂和管涌,后者则表现为岸坡滑动或挡土墙等构筑物失稳。还有渗流对土坡稳定有影响。下面主要分析流砂和管涌这两种渗透方式。
一、流砂或流土现象
在向上的渗透水流作用下,表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象称为流土。任何类型的土,只要水力坡降达到一定的大小,都会发生流土(砂)破坏。 这种现象多发生在颗粒级配均匀的饱和粉细砂和粉土层中。它的发生一般是突发性的,对工程危害很大。
二、管涌现象
在渗透水流作用下,土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动,以至流失;随着土中的孔隙不断扩大,渗透速度不断增加,较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走,最终导致土体内形成贯通的渗流管道,造成土体塌陷,这种现象称为管涌。
可见,管涌破坏一般有个时间发展过程,是一种渐进性质的破坏。 土是否发生管涌,首先取决于土的性质。管涌多发生在砂性土中,其特征是颗粒大小差别较大,往往缺少某种粒径,孔隙直径大且相互连通。无黏性土产生管涌必须具备两个条件:
①几何条件:土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径,这是必要条件,一般不均匀系数Cu>10的土才会发生管涌;
②水力条件:渗流力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动是发生管涌的水力条件,可用管涌的水力梯度来表示。但管涌临界水力梯度的计算至今尚未成熟。对于重大工程,应尽量由试验确定。
流砂和管涌在工程可简单区别,流砂现象一般发生在土体表面渗流逸出处,不发生于土体内部,而管涌现象可以发生在渗流逸出处,也可能发生于土体内部。
三、渗透破坏的防治措施
防治流土的关键在于控制逸出处的水力坡降,为了保证实际的逸出坡降不超过允许坡降,工程上可采取如下措施:
①上游做垂直防渗帷幕,如混凝土防渗墙,打钢板桩或灌浆帷幕等。根据实际需要,帷幕可完全切断地基的透水层,彻底解决地基土的渗透变形问题,也可不完全切断透水层,做成悬挂式,起到延长渗流途径、降低下游逸出坡降的作用。
②上游做水平防渗铺盖,以延长渗流途径、降低下游逸出坡降。
③水利工程中,下游挖减压沟或打减压井,贯穿渗透性小的黏性土层,以降低作用在黏性土层地面的渗透压力
④下游加透水盖,以防治土粒被渗透力多悬浮
⑤土层加固处理,如冻结法 防止管涌一般可从两方面采取措施:一方面改变水力条件,降低土层内部和渗流逸出处的渗透坡降。如上游做防渗铺盖或打板桩等。另一方面改变几何条件。在渗流逸出部位铺设层间关系满足要求的反滤层,是防止管涌破坏的有效措施。反滤层一般是1~3层级配较为均匀的砂子和砾石层,用以保护地基土不让细颗粒带出,同时应具有较大的透水性,使渗流可以畅通。