粗粒土渗透变形机制浅析

1、粗粒土渗透变形机制浅析何永红，王建明，李粉灵（国家电力公司西北院工程勘察研究院，兰州730050）关键词：砂卵砾石；渗透变形；流土；管涌；孔隙比；临界坡降摘 要：对砂卵砾石的渗透变形的形成条件进行了简要分析，在此基础上对 渗透变形的形式进行了简要评价，并提出了渗透变形临界坡降的计算方法。凡有渗流就有渗透力（水动压力）。当水动压力达到一定值后，土中的某些 颗粒就会被渗透水流带走，以全发生潜蚀。潜蚀使土石结构变松，强度降低，产 生渗透变形。目前，随着经济的发展，许多以土石坝为主的中、小型水电站、水 库相继上马，而这些水电站、水库均大多建基于以土石为主的覆盖层上。建坝以 后坝上游和下游之间水头差显著

2、增大，渗透力（水动压力）与水力梯度亦成正比 增大，若防渗措施不当，往往会产生渗透变形甚至造成溃坝。为此本文从渗透力 （水动压力）及颗粒成份、结构两方面条件对渗透变形机制浅析如下。土石渗透变形的产生条件要使土石颗粒在渗透力作用下松动以全悬浮，必须克服粒间的内聚力和内摩 擦并使渗透力超过土的水下浮容重。由于土的内聚力和内摩擦随土的颗粒组成、 固结程度、胶结状况不同而有很大变化，所以首先只能将土简化为无内聚力和内 摩擦的松散土体，分析使其进入悬浮状态的水动力条件，然后再讨论土石结构、 颗粒成份和致密程度在渗透变形中的作用。1渗透变形的水动力条件在一定条件下，渗流动力的作用，不论土中是否受到机械管涌都

3、可导致土的 流土破坏。产生流土破坏的土，是由均一颗粒组成的。在渗流由下向上的情况下， 流土破坏发生在由下而来的渗透压力超过了土的浮重的情况下。用公式表示则 为：JN（G 1）（1 n）s式中：J为渗流坡降；G为土粒比重；n为土体孔隙比。而机械管涌，即单个颗 粒向土骨架内的移动则受到3个力的作用：假设单个颗粒为球形，则这3个力为：（1）土在水中的重量一n d3/6（G 一）；（2）在数值上与无限水流绕颗粒流胡的颗粒阻力相等，但符号相反的拖曳 力一C. n d2 /4.u2 / 2g；（3）渗流中由土骨架水力阻力所造成的孔隙压力差n d2/6J。当坡降 JN n d3 /6（G 一 ）C n d2

4、 /4u2 / 2g / - n d2 / 6 时， 单个颗粒即向土骨架内移动。式中：d为土颗粒直径；为水比重；C为颗粒阻 力系数（静水中下降的情况）；u为水渗流速度；J为水力坡降；g为重力加速 度。实际上，土所有的单个颗粒，在某种程度上所产生的渗流运动阻力，形成局 部压力差，局部压力差相加之和，便形成渗流中的总压力差。所以，土的单个颗 粒处在两个压力差的作用下：第一，总压力差，是由所有其它颗粒阻力所形成的； 第二，局部压力差，是由颗粒对水流的固有作用一一固有阻力而形成的，其在数 值上与绕流颗粒本身对与水流作用的固有阻力相等(即拖曳力)。同时，设想划 出某一定体积单元土体，这是仅作用有一个外部

5、水动力一一总压力差。所以，受 渗流作用的土体，对于单个颗粒作用着两个水动力，而对于单元土体作用着一个 水动力。1.2渗透变形的几何条件要发生渗透变形，光有足够的水动力条件是不够的，还要有让颗粒移动的通 道一孔隙。卵砾石土的渗透变形主要取决于颗粒级配及密实度。冲积砂卵砾石层，颗粒 多为粗粒级，易形成均匀性差、松散的砂砾充填、少充填和无充填的孔隙，易于 构成渗流管道，呈现紊流状态，渗透变形多为管涌。土体的渗透性能可用土的孔隙平均直径(D)表征，在其他条件相同的条件 下，孔隙平均直径较大的土体，其过水面积较大，渗透水流在运动过程中所受的 阻力就较小，因而其透水性就较强。对于不均匀土，水利水电科学院及

6、前苏联伊 斯托米娜的试验资料表明，孔隙平均直径主要取决于土体的等效粒径(通常取 d20)，其次是孔隙率n，二者的关系可用下式表示： D =0. 63nd0在工程实际中的冲积砂卵砾石土基本均为多粒级土，其颗粒级配可以认为是 由粗粒和细粒两部分组成的，其中粗粒起骨架作用，细粒起填充作用。级配不连 续的土，以颗粒级配曲线上的不连续点的粒径为区分粒径；级配连续的土，以几 何平均粒径为区分粒径，即d =(dd ) 1/2，其中d和d分别为小于该粒径 的土的质量占总土质量的70玖和10以的牛的粒径。根据区分粒径可以将土体区 分为粗粒和细粒两部分。实际上，冲积砂卵砾石土中的整个孔隙系统，在水力学方面可以认为

7、它相当 于弯曲的立体网状的毛细管束，根据前苏联普则里毛细管平均流速公式：u=n / v=g (0. 214nd50) 2 (n J / 4)/ 32y式中：u为毛细管平均流速；n为孔隙率；d50为颗粒级配中累计含量占50%的颗 粒粒径(mm)； Y为土体容重。则毛细管的直径为D = 0. 214nd，毛细管在单位土体中的总面积则为孔隙 率n。当细粒粒径小于D时，细粒土便能在孔隙(即毛细管)中移动。在土体渗透水动力和土体结构两方面条件都满足的条件下，土体即发生渗透 变形。土体渗透变形的判定1 一般判定方法根据水利水电工程地质勘察规范(GB50287 99)规定，土的渗透变形 分别根据土的细粒含量

8、用下式判定：流土： P N100/4 (1 n)管涌：P：V100/4 (1 n)式中：P为土的细粒颗粒含量，以质量百分率计(%)； n为土的孔隙率(%)。2根据细粒含量判定渗透变形形式根据土中细粒含量，南京水利科学研究院从土体的细粒填料体积等于骨架体积的概念出发，导出产生管涌破坏的最大细粒含量Pz的关系式为：P =ani/2 /(l + ni/2)式中：a为修正系数，0. 951. 00； n为土体孔隙率(%)。土体中区分填料与骨架的界限粒径以2 mm作为界限粒径，若土体中实有细 粒含量P小于P，则为管涌土，否则为非管涌土，只可能产生流土破坏。大量研究表明，当细粒填料超过总土重的35%时，骨

9、架孔隙已全部被细粒 充填，所以土的渗透系数及渗透破坏坡降主要取决于细粒填料的性质，渗透变形 主要形式为流土。细粒填料含量小于25%时，粗粒骨架间的孔隙不能被细粒填 满，土体渗透变形形式主要为管涌。当细粒含量为25%35%时，土体的渗透 变形主要取决于土的密度、颗粒粒径和形状，既可能是流土，也可能产生管涌。2. 3根据颗分曲线判定渗透变形形式如果土体颗分曲线为明显的瀑布型(如图la)且分计筛分曲线为双峰，则 说明颗粒级配缺乏中间粒径，土体的渗透变形形式为管涌；如果土体颗分曲线为 明显的直线型(如图lb)且分计筛分曲线为单峰，土体的渗透变形形式则为流 土；如果土体的颗分曲线不具备上述特征，则土体流

10、土和管涌同时发展。图】腰粒分新曲嫉*累计野帝以上土体的渗透变形形式判定为目前国内常用的判定方法，并加上多年试验 工作中的经验积累。土体的渗透变形形式并不能用一种方法去确定，往往应结合 两种或两种以上的方法确定，对于重大工程还同时应取样或在原位以试验观测加 以确定。土体渗透变形的有关计算1 一般计算方法根据水利水电工程地质勘察规范(GB50287 99)规定，土的渗透变形 临界坡降(J )分别用下式计算： cr流土： J = (G 1)(1 n)管涌或过渡：J =2. 2 (G 1)(1 n) 2d / d式中，d、d分别为占总 crs520520土重5%和20%的土粒粒径 (mm)o2根据多年的试验资料，卵砾石土临界坡降(J )与其渗透系数有如下关 cr系：J =0. 132k-0. 325 式中，k 为渗透系数(cm/s)。帝面对砂卵砾石土的渗透变形机制根据前人的研究材料，结合笔者进行的大 量渗透变形试验，对渗透变形机