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第一节 渗透破坏的成因和分类
发布日期:2012-06-14 01:29信息来源:水利局浏览次数:字号:[ ]

  
  只要堤防的临水侧和背水侧存在水头差,堤防就有渗流产生。随着汛期水位的升高,堤身内的浸润线逐步形成并不断抬高,堤基和堤身内的渗透比降也逐渐增大。当渗流产生的实际渗透比降J大于土的临界渗透比降JC时,土体将产生渗透破坏。堤防的内在隐患会加速渗透破坏的发生和发展。
  一、渗透破坏的土力学分类和判别
  渗透破坏也称渗透变形。由于渗流条件和土体条件的不同,渗透破坏的机理、发展过程及后果也不一样。从渗透破坏发生的机理角度,可以将渗透破坏分为四种类型:
  1.流土
  
  在渗透力作用下,土体中的颗粒群同时起动而流失的现象称为流土。这种破坏形式在粘性土和无粘性土中均可以发生。粘性土发生流土破坏的外观表现为:土体隆起、鼓胀、浮动、断裂等。无粘性土发生流土破坏的外观表现是:泉眼(群)、砂沸、土体翻滚最终被渗透托起等。
  2.管涌
  在渗透力的作用下,土体中的细颗粒(填料颗粒)沿着土体骨架颗粒间的孔道移动或被带出土体,这种现象叫管涌。它通常发生在砂砾石地层中。
  3.接触冲刷
  渗流沿着两种不同介质的接触面流动并带走细颗粒的现象称为接触冲刷。如穿堤建筑物与堤身的结合面和裂缝的渗透破坏等。
  4.接触流土
  
  渗流垂直于两种不同介质的接触面运动,并把一层土的颗粒带入另一土层的现象称为接触流土。这种现象一般发生在颗粒粗细相差较大的两种土层的接触带,如反滤层的机械淤堵等。
  
  对粘性土,只有流土、接触冲刷或接触流土三种破坏形式,不可能产生管涌破坏。对无粘性土,则四种破坏形式均可发生。对无粘性土,管涌和流土的判别可以按照表3—1进行。
  表3-1 无粘性土管涌和流土的判别
  土  类土颗粒组成特点渗透变形形式
  正常级配砂砾石Cu<10流土
  10  Cu>20管涌
  缺少中间颗粒的砂砾石Pz<25%-30%管涌
  Pz>30%流土
  注:Cu为土的不均匀系数,Cu=d60/d10;Pz为小於颗粒级配曲线上断裂点A的粒径含量;
  d60为过筛重量占60%的颗粒直径,d10为过筛重量占10%的颗粒直径。
  二、土的抗渗强度
  
  土的抗渗强度表明了土体抵抗渗透破坏的能力,包括抗渗临界比降和允许比降。允许比降JB由临界比降JC除以安全系数得到。土的抗渗强度决定于土的性质和渗流条件(渗透破坏形式)两个方面。
  1.流土
  
  流土首先发生于渗流出口,不可能在土体内部直接发生。当渗流自下向上运动时,一旦渗透力克服了重力的作用,则土体就会产生流土破坏,此时土体的临界比降可以通过原状土室内试验求得,也可以由下式近似确定:
  JC=(ρs/ρw-1)(1-n)                                         (3-1)
  式中:ρs为土颗粒的密度,ρw为水的密度,n为土体的孔隙率。
  
  由公式(3-1)求得的JC偏小,大约小于试验值的15%~25%,这主要是因为在该式中没有考虑土的抗剪强度的影响(包括内摩擦角和凝聚力两个方面),因此也是偏于安全的。表3-2给出了无粘性土不发生流土破坏的允许比降经验值,细砂取小值,较粗的砂土取大值。
  2.管涌
  
  管涌可能发生在渗流出口,也可能发生在土体内部。由于颗粒移动中的堵塞作用,可能会有管涌中断现象发生,有的是暂时性中断,而后继续发生,有的是永久性中断,即发生了自愈情况。还有一种情况,由于土体中细颗粒填料较少,它的带出不影响土体骨架颗粒的稳定,当细颗粒被带完后,只出清水,不出浑水,管涌终止。
  
  由于计算管涌临界比降的公式目前还不成熟,因此管涌临界比降一般通过室内试验测定。根据经验,对水流向上的垂直管涌,允许比降一般为0.1~0.25,水平管涌的允许比降为垂直管涌的允许比降乘以摩擦系数tgφ。表3—2给出了无粘性土不发生管涌破坏的允许比降的经验值。
  表3-2 无粘性土抗流土或管涌破坏的允许坡降JB的经验值
  项
  目渗透变形型式
  流土型过渡型管涌型
  Cu<3cu=3-5cu>5级配连续级配不连续
  JB0.25-0.350.35-0.500.50-0.800.25-0.400.15-0.250.10-0.15
  
  3.接触冲刷
  接触冲刷发生在堤身和堤基的内部,但其颗粒仍旧是从渗流出口处带出。接触冲刷不断发展会形成漏水通道,而引起堤防溃决。
  
  在两种性质不同的土层界面上发生接触冲刷时,其临界比降可以通过室内试验或按伊斯托明娜的试验结果(图3-1)获得。图中的纵坐标为接触冲刷的临界比降,横坐标为D10/d10tgφ,其中D10为粗粒土层的有效粒径(过筛重量占总土重10%的颗粒直径),d10为细粒土层的有效粒径,tgφ为细粒和粗粒土层之间的摩擦系数。
  
  在土层与刚性建筑物接触界面上发生接触冲刷时,对比一些试验资料和建闸的经验将非管涌土地基的允许渗透比降值列入表3-3,供参考。表中渗透比降的允许值是由临界比降除以1.5的安全系数得到的,但没有考虑渗流出口处的保护。如果渗流出口有反滤保护,则表中的数据可以适当提高30%~50%。图3-1
  接触冲刷临界坡降曲线
  表3-3 各种土基上水闸设计的允许渗流坡降
  地基土质类别允许渗流坡降地基土质类别允许渗流坡降
  水平段Jx出口Jo水平段Jx出口Jo
  粉 砂
  细 砂
  中 砂
  粗 砂
  中细砾
  粗砾夹卵石0.05~0.07
  0.07~0.10
  0.10~0.13
  0.13~0.17
  0.17~0.22
  0.22~0.280.25~0.30
  0.30~0.35
  0.35~0.40
  0.40~0.45
  0.45~0.50
  0.50~0.55砂 壤 土
  粘壤土夹砂礓土
  软 粘 土
  较坚实粘土
  极坚实粘土0.15~0.25
  0.25~0.35
  0.30~0.40
  0.40~0.50
  0.50~0.600.40~0.50
  0.50~0.60
  0.60~0.70
  0.70~0.80
  0.80~0.90
  4.接触流土
  接触流土的抗渗临界比降应通过室内试验获得。
  5.堤坡的抗冲刷能力
  
  当渗流从堤坡上出逸而产生渗水(亦称散浸)后,渗水对堤坡具有一定的冲刷作用,有可能产生渗透破坏。其中最易产生破坏的地方是出逸点。堤坡抗冲刷破坏的临界比降可以用下式估算:
  Jc=γ'/γw(tgφ-tgβ)cosβ+c/r                               (3-2)
  式中:γ'为土的浮容重;γw为水的容重;tgφ 为土的摩擦系数;φ为土在水下的内摩擦角;c为土的凝聚力;β为堤坡的坡角。
  出逸点处的渗流比降为J=sinβ,设土的浮容重为1,忽略凝聚力c,当J=Jc时由式(3-2)得到:
  tgβ=0.5tgφ                             (3-3)
  
  因此,堤坡不产生冲刷破坏的条件是tgβ<0.5tgφ,即坡角的正切必须小于饱和土内摩擦角正切的一半,或者说坡角约等于土的休止角的一半,这是无粘性土堤坡不产生局部冲刷破坏的一个最低要求。
  6.粘性土的抗渗强度
  
  粘性土的渗透破坏特性取决于容重、含水率、粘土矿物成分、交换性阳离子的数量和成份、孔隙液体的含盐浓度和成分等物理化学因素,因此,它远比无粘性土渗透破坏特性复杂。粘性土可分为分散性粘土,非分散性粘土和过渡型粘土。如图3-2,其中A区为分散性粘土,B区为非分散性粘土,C区为过渡性粘土。该图的纵坐标为钠的百分比,横坐标TDS为金属阳离子总量。分散性粘土遇水后土颗粒逐渐脱落而形成悬液,极易被水流带走,其破坏要比细砂和粉土更为容易。而非分散性粘性土由于其凝聚力很大,只会发生流土破坏,不会发生管涌破坏,有反滤保护时,其临界比降可以超过20以上,而一般取4~5为粘性土的抗渗允许坡降图3-2
  区别分散性和非分散性粘土图
  7.软弱夹层的抗渗强度
  软弱夹层的渗透破坏不同于无粘性土,也不同于粘性土,而是介于两者之间。其渗透破坏的特征为:
  (1)泥夹碎片层,当结构发生破坏时,沿层面出水,出口细粒跳动,形成小洞眼,直至出现渗透通道;
  (2)含泥沙砾层,当结构破坏时,渗流出口有细粒移动并呈浑水,直至破坏。软弱夹层的抗渗强度应通过试验得到。
  三、堤防渗透破坏的成因和分类
  
  堤防工程中对渗透破坏的分类主要是从宏观现象考虑。比如,由于堤基的渗透破坏在后期多表现为集中渗流对土体的冲刷,并往往冒水翻砂,形如??亦称泡泉),这是宏观上的体验。其实,堤防工程中常说的管涌基本上都是土力学中的流土破坏。
  (一)堤身渗透破坏的成因和分类
  堤身的渗透破坏包括三种类型:渗水(散浸)造成的堤坡冲刷、漏洞和集中渗流造成的接触冲刷。分述如下:
  1.堤坡冲刷
  堤坡冲刷系由背水堤坡渗水所致。一种是堤坡的出逸比降大于允许比降而产生的渗透破坏,另一种是渗水集中后造成对坡面的水流冲刷。
  
  应当说,对背水侧地下水位(或水头)较高的情况,当发生持续高水位时堤坡渗水是必然的。关键是出逸点不应过高,渗流量不应过大,以免造成堤坡的渗透破坏和水流冲刷,甚至导致滑坡,对这种有害渗水必须采取措施进行除险。造成出逸点过高的主要原因有:堤身断面宽度不够,堤坡偏陡;堤身尤其是后加高的堤身透水性强,或填筑层面明显,导致堤身的水平向渗透系数偏大;新老堤身、堤段施工接头处存在薄弱结合面。如清基不彻底或根本未清基,堤段结合部压实不密等;堤身裂缝并被雨水灌入;堤身存在其它隐患。如洞穴、冻土块等。
  2.堤身漏洞
  堤防背水坡及堤脚附近出现横贯堤身的流水孔洞称为漏水洞。由于漏水洞中的集中水流对土体的冲刷力很强,因此对堤防的危害性极大。
  产生漏洞的主要原因有:堤身质量差,土料含砂量高,有机质多;有生物洞穴或其它易腐烂的物料;其它隐患,如旧涵洞、坑窖、棺木等。
  
  即使漏洞没有贯穿堤身,也将大大缩短渗径,从而加大了出口渗透比降,增加了渗透破坏的可能性,同时漏洞中的集中水流还将造成对土体的水流冲刷,使漏洞长度加长,直径变大,最终贯穿堤身,导致堤防溃决。因此,对堤身漏洞隐患必须进行除险加固。
  3.堤身接触冲刷
  
  当堤身发生集中渗流且冲刷力大于土体的抗渗强度时,在集中渗流处就会产生接触冲刷破坏。造成堤身集中渗流的主要原因有:穿堤建筑物与堤身间出现裂缝;新老堤身结合面未清基或清基不彻底;堤防分段建设的结合部填筑密度低等。由于接触冲刷的发展速度往往较快,因此对堤防的威胁很大,必须对其进行除险加固。
  (二)堤基渗透破坏的成因和分类
  
  堤基的渗透破坏常表现为泡泉、沙沸、土层隆起、浮动、膨胀、断裂等,通常统称为管涌。一般来讲,堤防堤基的表土层一般极少是砂砾层,因此,堤基的渗透破坏一般均为土力学中的流土破坏。产生的原因是,随着汛期水位的升高,背水侧堤基的渗透出逸比降增大,一旦超过堤基的抗渗临界比降就会产生渗透破坏。渗透破坏首先在堤基的薄弱环节出现,如坑塘或表土层较薄的位置。对近似均质的透水堤基,渗透破坏首先发生的堤脚处。堤基管涌,尤其是近堤脚的管涌,发展速度快,容易形成管涌洞,一旦抢险不及时或措施不得当,就有溃堤灾难发生的危险。因此,对管涌堤段必须进行除险加固。
  另外,如果堤身直接坐落在砂砾石强透水层上,或坐落在强风化的岩基上 ,则在堤身与堤基的结合面也可能发生接触冲刷或接触流土破坏。



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