滲透變形

滲透變形（filtration erosion）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。

基本介紹

• 中文名：滲透變形
• 外文名：filtration erosion
• 學科：地質學
• 主要類型：流土、管涌
• 定義：在水力坡降滲流作用下發生變形
• 防滲措施：深層攪拌法、高壓噴射灌漿等

概念

土岩體在地下水滲透力（動水壓力）的作用下，部分顆粒或整體發生移動，引起岩土體的變形和破壞的作用和現象。表現為鼓脹、浮動、斷裂、泉眼、沙浮、土體翻動等。滲透水流作用於岩土上的力稱為滲透水壓或動水壓力，只要有滲流存在就存在這種壓力，當此力達到一定大小時，岩土中的某顆粒就會被滲透水流攜帶和搬運，從而引起沿岩土的結構變松，強度降低，甚至整體發生破壞。

研究意義

1、是土石壩的主要工程地質問題；

土石壩壩基滲流示意圖

2、對壩基、基坑、地下巷道掘進、礦山等帶來危害；

3、是工程地質學研究的課題之一。

滲透類型

土的特性對滲透變形形式有很大關係，一般情況是粘性土和不均勻係數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（包括曲率係數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。這裡所指的填料，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：對於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，對於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破壞形式的標準，可歸納為以下幾點：

1、粘性土和不均勻係數Cu<10的勻粒砂或Cu>10但填料含量大於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，當其不均勻係數Cu>10填料含量小於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，當填料含量小於20%時，其破壞形式為管涌，而填料含量大於30%時則為流土。

管涌

在滲流作用下，細顆粒沿土體骨架中的孔道發生移動帶走的現象，又稱潛蝕。它通常發生在砂礫石地層中。根據滲透方向與重力方向的關係：垂直管涌、水平管涌。

流土

在滲透作用下，土體中的顆粒群或團塊同時發生移動的現象。常發生於均質砂土層和亞砂土層中。這種破壞形式在粘性土和無粘性土中均可以發生。粘性土發生流土破壞的外觀表現為：土體隆起、鼓脹、浮動、斷裂等。無粘性土發生流土破壞的外觀表現是：泉眼（群）、砂沸、土體翻滾最終被滲透托起等。

接觸沖刷

滲流沿著兩種不同介質的接觸面流動並帶走細顆粒的現象稱為接觸沖刷。如穿堤建築物與堤身的結合面和裂縫的滲透破壞等。

接觸流土

滲流垂直於兩種不同介質的接觸面運動，並把一層土的顆粒帶入另一土層的現象稱為接觸流土。這種現象一般發生在顆粒粗細相差較大的兩種土層的接觸帶，如反濾層的機械淤堵等。對粘性土，只有流土、接觸沖刷或接觸流土三種破壞形式，不可能產生管涌破壞。對無粘性土，則四種破壞形式均可發生。

滲透變形規律

以往，人們總是認為滲透變形的發生和發展是難以預測的。這種認識的產生是基於對地質條件、土體結構缺乏足夠了解，是由於歷史、經濟、技術和思想等方面的原因造成的。因此誤認為堤壩滲透破壞是隨機發生的。因而面對洪水來襲，慣用的方法常常是採用“人海戰術”，一味對堤防採用拉網式的排查，嚴防死守，這種方法不但耗時耗力、勞民傷財，而且效果不如人意。隨著人們認識水平的不斷提高，對於滲透變形發生的前提條件及其發展過程等已經具備了一定認識，基本了解了它的發生和演變規律。例如：發生在堤基的鬆散層，滲漏部位埋深較淺，比較容易被人們探測確定，對它的認識比較深刻。對於主要受堤基深部基岩裂隙、溶蝕、斷層、強風化帶等滲流通道的影響，堤基滲流位置埋深大，檢測難度高，且具有一定的隱蔽性，對它的危害性認識尚比較膚淺。

實際工程中的滲透變形位置不僅會發生在堤身、堤腳，也會發生在堤內和堤基。堤內發生的部位甚至可距離堤幾百米遠，如荊江大堤1987年發生在觀音寺堤段的管涌就距離堤腳400多米，這類滲透變形由於位置距離堤壩較遠，在巡查檢測過程中經常會被巡檢人員所忽視而留下事故隱患；而發生在堤基下的滲透變形由於產生於堤基深部，更加不易為人們及時發現和妥善處理，具有相當的隱蔽性。這種源自堤基深層的滲透變形對於堤防安全的不良影響必須引起足夠重視。

研究表明，岩土體的裂隙、變形和滲透性之間有著密切的聯繫，在所有滲透變形的影響因素中，只有清楚地知道岩土體的滲透性質才能夠對堤壩的其它運行條件做出更好的設計，因此岩土體滲透性質的研究是岩土工程滲流理論中極其重要的一環。

滲透變形與滲透破壞

滲透破壞與滲透變形不同，只要存在顆粒的運動就會發生滲透變形，而滲透破壞則是指堤基在滲流作用下失去承載力和穩定性。對於任何水工建（構）築物地基而言，滲透變形的形式既可能是單一形式出現，也可能是多種形式伴隨出現。滲透變形的進一步發展可能是大量顆粒湧出，堤基承載力降低，沉降加劇，堤防失穩，但也有一些堤基，管涌發生了幾十年，而堤基並未破壞。同屬管涌型的土，滲透變形後的發展過程可能有所不同。有些學者提出了表征滲透破壞的) 大特徵：①滲流量大幅度增加；②供水壓力維持不住，大幅度下降；③顆粒大量湧出，湧出物的尺寸也不斷加大；④測壓計讀數波動。這些特徵是形成貫通上下游通道的必然結果。

防滲措施

目前，工程上常用的防滲措施有：深層攪拌法、高壓噴射灌漿、砼防滲牆和土工膜等。

深層攪拌法

深層攪拌法是利用水泥等材料作為固化劑，通過攪拌機械在地基深部就地將軟土和固化劑強制拌和，從而形成水泥加固土防滲體。常用的攪拌樁有多頭小直徑和單頭或雙頭攪拌樁。防滲體的容許水力坡降為20～30 ，滲透係數為10^-5 ～10^-8 cm/s。該法的主要優點是施工噪音小，無污染，造價低，適應地基的範圍較廣，但遇塊石或大粒徑材料難以施工。

高壓噴射灌漿

高壓噴射灌漿是利用鑽機把帶有噴嘴的注漿管鑽至土層的預定部位，利用高壓設備使漿液從噴嘴中噴射出來，從而使土體和漿液攪拌混合，待漿液凝固後,便在土中形成一固結體。高壓噴射灌漿分為定噴和旋噴兩種注漿形式。固結體的滲透係數可達10^-5～10^-6 cm/s。該法設備簡單，漿液流失小，施工速度快,適應地基的範圍廣，無公害，但不適於地下水流速大的部位。

砼防滲牆

採用鑽(挖、沖) 孔在土中成槽，然後，澆灌砼,並把已澆灌的砼一段一段地接起來，從而形成砼防滲牆。牆體可以採用普通砼，也可以採用塑性砼以降低造價。普通砼防滲牆的滲透係數<10^-7cm/s，塑性砼的滲透係數為10^-6～10^-7 cm/s。該法施工速度快,牆體厚度均勻，適應地基的範圍廣。但需用專門的施工機械且要求一定的施工平台速度。

土工膜

土工膜及複合土工膜防滲技術是目前工程上造價最低的一種防滲措施。土工膜材料一般為聚乙烯，其厚度可根據設計水頭、抗穿刺能力和施工條件等因素進行確定，其施工工序為：成槽機開溝造槽、鋪膜、回填土和場地平整。複合土工膜有長、短纖維兩種，另外，按照布膜組合，有一布一膜、二布一膜和二膜一布之分。土工膜及複合土工膜的滲透係數為10^-11 ～10^-12 cm/s。該技術常用於粉土、砂和砂礫層的防滲處理。