2.4 渗透力和渗透变形

2.4.1 渗透力和临界水力坡降

1.渗透力的概念

如图2.28所示为一个定水头试验装置，土样长度为L，横断面积为A=1。土样上下两端各安装一测压管，其测管水头相对O—O基准面分别为h2与h1。当h1=h2时，土体中的孔隙水处于静止状态，无渗流发生。

若将左侧的联通储水器向上提升，使h1>h2，则由于存在水头差，土样中将产生向上的渗流。水头差Δh是渗流穿过L长的土样时所损失的能量。具有能量损失，说明水渗过土样的孔隙时，土颗粒对渗流给予了阻力；反之，土体颗粒必然会受到渗流的反作用力，渗流会对每个土颗粒给以推动和摩擦等作用力。为了计算的方便，称每单位体积土体内土颗粒所受到的渗流作用力为渗透力，用j表示。

为了进一步研究渗透力的大小和性质，下面对图2.29中所示承受稳定渗流的土样进行受力分析。受力分析可以采用两种不同的隔离体取法，下面分别进行介绍。

图2.28 渗透破坏试验示意图

图2.29 土-水整体受力分析

（1）土-水整体受力分析。

在土-水整体受力分析中，取土样的土体骨架和孔隙水整体作为隔离体，则作用在土样上的力如图2.31所示，计有：

1）土-水总量W=γsatL=（γ′+γw）L；

2）土样两端边界水压力P1=γwhw和P2=γwh1；

3）土样下部滤网的支承反力R。

在此中条件下，土粒与水之间的作用力为内力，在土样的受力分析中不出现。土样下部滤网的支承反力R是未知量，可应通过土样总体在竖向的平衡条件求得

因此有

整理可得

由（2.47）可见，在静水条件下，亦即Δh=0时，土样下部滤网的支承反力R=γ′L；而当存在向上渗流时，也即Δh>0时，滤网支承力会相应减少γwΔh。实际上，这个减少的部分就是由作用在土体骨架整体上的渗透力J所承担的，也即作用在土样上的总渗透力J为

因此，每单位体积土体内土颗粒所受到的渗透力，即渗透力j为

式（2.48）表明，在渗流场中土体骨架所受到的渗透力的大小和水力坡降成正比，且其作用方向同水力坡降的方向一致。渗透力是一种体积力，其量纲与γw相同。

（2）土-水隔离受力分析。

在土水隔离受力分析中，分别把土样的颗粒骨架和孔隙水分开来取隔离体进行受力分析，如图2.30所示。

图2.30 土-水隔离受力分析

先看土体颗粒骨架隔离体。这时，由于土骨架浸没于水中，土颗粒受浮力作用，其值等于排开同体积的水重，故计算重力时应采用浮重度γ′。另外，由于已将土骨架与水体分开考虑，则土颗粒上受到的水流作用力——渗透力，即成为外力。因此，作用在土样内土体颗粒骨架上的作用力有：

1）土颗粒的有效重量W′=γ′L；

2）总渗透力J=Lj，方向竖直向上；

3）下部滤网的支撑反力R。

下面再看土样中的孔隙水隔离体。作用在其上的力有：

1）孔隙水自重和土颗粒浮力的反力之和，后者应等于与土颗粒同体积的水重，故

可以看出，Ww即为L长度的水柱重量。

2）水柱上下两个端面的边界水压力，P1=γwhw和P2=γwh1。

3）土样内土颗粒对水流的阻力，其大小应和渗透力相等，方向相反。设单位土体内土颗粒给水流的阻力为j′，则总阻力的数值J′=j′L=J，方向竖直向下。

考虑孔隙水的竖向受力平衡，可得

亦即

考虑到h1=L+hw+Δh，整理可得J=γwΔh，亦即

考虑颗粒骨架的竖向受力平衡，可得

亦即

整理可得

显然，由图2.29和图2.30以及前面的分析结果可以看出，取土-水整体为隔离体或者分别取颗粒骨架和孔隙水为隔离体进行受力分析，最终所得到的结果使完全相同的。J=Lj通过上述分析可见，在考虑渗流作用，分析土体的受力平衡或者稳定性时，可以有两种取隔离体的方法：一是考虑土-水整体作为隔离体，此时应用土体饱和重度γsat与作用于土体周边边界上的水压力相组合；二是把土骨架当作隔离体，用土体的浮重度γ′与渗透力j相结合。以上证明，两种不同分析方法得出的结果完全一样，但使用时应注意其作用力的不同组合，搭配要正确。上述两种分析方法都是土力学中经常使用的方法。

2.渗透力的性质和计算

渗透力反映的是渗流场中单位体积土体内土骨架所受到的渗透水流的推动和拖拽力。前文根据对土样一维渗流问题的分析，得到了渗流场中土体骨架所受到的渗透力的计算公式（2.48）。需要指出的是，尽管该式是在一维渗流条件下推导得到的，但却是一个具有普遍适用意义的计算公式，对于二维渗流，该式可扩展为

式（2.49）表明，渗透力是一种体积力，其大小和水力坡降成正比，作用方向也同渗流场的水力坡降方向相一致。

需要说明的是，水力坡降是由于渗透水流的推动和拖拽作用所致，但其作用方向却并不一定总是同渗流流速的方向一致。对各向同性土体，渗流流速方向和水力坡降方向相同，此时渗透力作用方向和渗流流速方向也一致；但对于各向异性土体，由于渗流流速方向和水力坡降方向不一致［见式（2.29）］，此时渗透力作用方向和渗流流速方向也不再相同。

如图2.31所示给出了一个土颗粒在流场中发生绕流时在平面上的受力分析简图。其中，v∞为来流流速。水流作用在颗粒表面微元dS上的力包括两个分量：

图2.31 流场中土颗粒受力分析简图

（1）水流与颗粒表面之间的摩擦阻力τ0。由于水流在固体边界上存在固壁效应，所以该摩擦阻力并不直接发生在水流和固体边界之间，而是发生在水流的流动质点和黏附质点之间，所以往往称为内摩擦阻力。

（2）法向压力分量p。水流沿颗粒表面法向压强的分布受颗粒具体形状的影响很大。例如，对顺流放置的扁平流线型颗粒，其法向压强的影响会较小；而对钝形颗粒的绕流问题，法向压强的影响可起主要的作用。

将上述的两个分量沿颗粒表面进行积分，可得到颗粒所受到的合力F。根据流体力学的概念，这个合力在水流流速方向的分力称为水流对颗粒的阻力Ff，而在与水流垂直方向的分力一般称之为水流对颗粒的升力Fp。显然，仅在颗粒形状沿水流方向对称的情况下，才有升力Fp=0。此时，颗粒所受到的合力F和水流流速方向一致。

对于一般的土体，其颗粒形状和孔隙中的水流是十分复杂的，所以单个土颗粒通常会存在垂直于水流流速方向的升力。但是，对于各向同性土体，在所考虑的特征体积之内包含有相当多数量的颗粒，因此当对所有颗粒的作用力求和之后，垂直水流流速方向的升力可相互抵消，使得其合力（渗透力）的方向和流速方向一致。而对于各向异性土体，由于存在颗粒的定向排列等因素，使得垂直水流流速方向的升力不可相互抵消，此时，渗透力的方向和渗流流速的方向不相一致。

由式（2.49）可知，渗透力计算的关键是渗流场中水力坡降的计算。对于二维渗流，当流网绘出后，即可方便地求出流网中任意网格上的渗透力及其作用方向。例如，图2.32表示自流网中取出的一个网格，已知相邻两条等势线之间的水头损失为Δh，则网格平均水力坡降i=Δh/Δl，单位厚度网格土体的体积V=ΔsΔl，则作用于该网格土体上的总渗透力为

图2.32 流网中的渗透力计算

假定J作用于该网格的形心上，方向与等势线垂直（对各向同性土体，方向也和流线平行）。显然，流网中各处的渗流力在大小和方向上均不相同。在等势线越密的那些区域，由于水力坡降i大，因而渗透力j也大。例如，在图2.26所示的流网中，上游的BC入渗处和下游DE的逸出处，渗透力均较大，但两处渗透力对土体稳定性的影响却截然相反。在BC处，由于渗透力方向与重力方向一致，故渗透力对土骨架起渗流压密作用，对土体的稳定有利；而在DE处，渗透力方向与重力方向相反，渗透力对土体起浮托作用，对稳定十分不利，甚至当渗透力大到某一数值时，会使该处土体发生浮起和破坏。因此，研究渗流逸出区域的渗透力或逸出坡降，对地基与建筑物的安全有很大的意义。

3.临界水力坡降

由式（2.47）可见，在静水条件下，即Δh=0时，土样下部滤网的支承反力R=γ′L；而当存在向上渗流时，亦即Δh>0时，滤网支持力会相应减少γwΔh。若将图2.26中左端的储水器不断上提，则Δh逐渐增大，从而作用在土体中的渗透力也逐渐增大。当Δh增大到某一数值后，向上的渗透力克服了土颗粒向下的重力时，土体就要发生悬浮或隆起，俗称流土。下面研究土体处于流土的临界状态时的水力坡降值。

从图2.29或图2.30可知，当发生流土时，土样压在滤网上的压力R=0，根据式（2.49）可得

式（2.50）中的icr称为临界水力坡降，它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降。已知土的浮重度γ′为

将其代入式（2.50）后可得

式中：Gs，e为土粒比重及土的孔隙比。

由此可知，流土的临界水力坡降取决于土的物理性质。表2.6给出了当Gs=2.68时，对应松、中密和密实状态e值的临界水力坡降icr值。当对实际工程问题进行估算时，icr常取值为1.0。

式（2.51）为太沙基渗流公式。由式可知，土的密度愈大，孔隙度愈小，临界水力坡度愈大，土体愈不容易发生渗透变形。式（2.51）中未考虑土体本身强度的影响，故实测的icr往往比公式计算的要大，尤其当土的结构较紧密和含有黏粒含量较多时更是如此。因此，札马林提出了修正的公式：

我国水利系统在考虑土的剪切强度的基础上，提出了坝（闸）后地下水逸出段发生流土的临界水力坡降计算公式：

式中：C、φ为土的内聚力和内摩擦角；K为土测压力系数。

管涌土的水动力条件较为复杂，一般采用直接试验法确定临界水力坡降，《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008）规定发生管涌的临界水力坡降可采用下式计算：

式中：d5，d20分别为占总土量的5%和20%的土粒粒径，mm。

其他渗透变坏形式的判别见《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008）。

4.土的抗渗强度

土体抗渗强度是评价土体和水工建筑物渗透稳定的主要依据，一般指土体抵抗渗透破坏的能力。土体抗渗强度的大小主要受土中颗粒级配及细粒物质的含量的影响。

（1）粗细粒径的比例。研究表明，土体易于发生管涌的粗细粒径比例为D/d>20。土越疏松，细颗粒物质在孔隙中随渗流运动越容易。

（2）细颗粒的含量。大量试验表明，当细颗粒含量大于35%时，渗透破坏类型为流土型；当细颗粒含量小于25%时，则为管涌型；当细颗粒含量在25%～35%之间时，流土和管涌均可能发生，且主要取决于碎石土的密实程度及细颗粒的组成。相对密度Dr>0.33，细颗粒不均匀系数较小的砾石类，一般发生流土，反之则为管涌。此外，细颗粒成分中黏粒含量增加可增大土的内聚力，从而增大土体的抗渗强度。

（3）土的颗粒级配。土的级配用不均匀系数Cu=d60/d10表示。试验表明，当Cu<10时，渗透变形的主要形式为流土；当Cu>20时，主要形式为管涌；当Cu在10～20之间时，流土和管涌均可能发生。临界水力坡度与不均匀系数的关系可用图2.33表示。

图2.33 临界水力坡度与土不均匀系数关系曲线

2.4.2 土的渗透变形（或称渗透稳定）

土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏，如土层剥落、地面隆起、在向上水流作用下土颗粒悬浮、细颗粒被水带出以及出现集中渗流通道等。渗透变形是土工建筑物或地基发生破坏从而引起工程事故的重要原因之一。

2.4.2.1 渗透变形的类型

土的渗透变形类型主要有管涌、流土、接触流土和接触冲刷四种。但就单一土层来说，渗透变形主要是流土和管涌两种基本型式。下面主要讲述这两种渗透破坏型式。

（1）流土。在向上的渗流水流作用下，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，都会发生流土破坏。

图2.34 堤坝下游逸出处的流土破坏

工程经验表明，流土常发生在堤坝下游渗流逸出处无保护的情况下。如图2.34表示一座建筑在双层地基上的堤坝。地基表层为渗透系数小的黏性土层，厚度较薄。下层为渗透性大的无黏性土层，且k1«k2。当渗流经过上述的双层地基时，水头将主要损失在水流从上游渗入和水流从下游渗出黏性土层的过程中，而在砂土层流程上的水头损失很小，因此造成下游逸出处渗透坡降i值较大。当i＞icr时就会在下游坝脚处发生土体表面隆起、裂缝开展、砂粒涌出以至整块土体被渗透水流抬起的现象，这就是典型的流土破坏。

若地基为比较均匀的砂层（不均匀系数Cu<10），当上下游水位差较大，渗透途径不够长时，下游渗流逸出处也可能会出现i>icr的情况。这时地表将普遍出现小泉眼、冒气泡，继而砂土颗粒群向上悬浮，发生浮动、跳跃，亦称为砂沸。砂沸也是流土的一种形式。

（2）管涌。管涌是指在渗流作用下，一定级配的无黏性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道，从而引起土工建筑物或地基发生破坏的现象，如图2.35所示。

（3）接触流失。在土层分层较分明且渗透系数差别很大的两土层中，当渗流垂直于层面运动时，将细粒层（渗透系数小）的细颗粒带入粗粒层（渗透系数大）的现象称为接触流失。包括接触管涌和接触流土两种类型。

图2.35 通过坝基的管涌示意图

（4）接触冲刷。渗流沿着两种不同粒径组成的土层层面发生带走细颗粒的现象称为接触冲刷。在自然界中，沿两种介质界面诸如建筑物与地基、土坝与涵管等接触面流动促成的冲刷，均属此破坏类型。

发生管涌破坏一般有个随时间逐步发展的过程，是一种渐进性质的破坏。首先，在渗透水流作用下，较细的颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失；之后，土体的孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也会相继被水流带走；随着上述冲刷过程的不断发展，会在土体中形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷或其他类型的破坏。

管涌通常发生在一定级配的无黏性土中，发生的部位可以在渗流逸出处，也可以在土体内部，故有人也称之为渗流的潜蚀现象。

2.4.2.2 渗透破坏类型的判别

根据渗透破坏的机理，可将产生渗透变形的条件分为两种类型：其一是动水压力和土体结构，它们是产生渗透变形的必要条件；另一类则是地质条件和工程因素，称之为充分条件。只有当土具备充分条件时，才发生渗透破坏。

土体渗透变形的发生和发展过程有其内因和外因。内因是土体的颗粒组成和结构，即常说的几何条件；外因是水力条件，即作用于土体骨架渗透力的大小。

1.流土可能性的判别

在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括黏性土和无黏性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均会发生流土。进行流土发生可能性的判别时，首先需要采用流网法或其他方法求取渗流逸出处的水力坡降i，并用式（2.50）或式（2.51）确定该处土体的临界水力坡降icr，然后即可按下列条件进行判别：

1）i<icr，土体处于稳定状态；

2）i=icr，土体处于临界状态，发生流土破坏；

3）i>icr，土体会发生流土破坏。

由于流土将造成地基破坏、建筑物倒塌等灾难性事故，工程上是不允许发生的，故设计时要保证具有一定的安全系数，把逸出坡降限制在允许坡降［i］以内，即

式中：Fs为流土安全系数，按我国《堤防工程设计规范》（GB 50286—2013）《碾压式土石坝设计规范》（DL/T 5395—2007）以及《建筑基坑支护技术规程》（GJG 120—2012）中的规定，取Fs=1.5～2.0。

2.管涌可能性的判别

土是否发生管涌，首先决定于土的性质。一般黏性土（分散性土除外）只会发生流土而不会发生管涌，故属于非管涌土。在无黏性土中，发生管涌必须具备相应的几何条件和水力条件。

（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，才有可能让细颗粒在其中发生移动，这是管涌产生的必要条件。

对于不均匀系数Cu<10的较均匀土，颗粒粗细相差不多，粗颗粒形成的孔隙直径不比细颗粒大，因此细颗粒不能在孔隙中移动，也就不可能发生管涌。

大量试验证明，对于Cu>10的不均匀砂砾石土，既可能发生管涌也可能发生流土，主要取决于土的级配情况和细粒含量。下面分两种情况进行讨论。

对于缺乏中间粒径，级配不连续的土，其渗透变形形式主要决定于细料含量。这里所谓的细料是指级配曲线水平段以下的粒径，如图2.36曲线①中b点以下的粒径。试验成果表明，当细料含量在25%以下时，细料填不满粗粒所形成的孔隙，渗透变形基本上属管涌型；当细料含量在35%以上时，细料足以填满粗料所形成的孔隙，粗细料形成整体，抗渗能力增强，渗透变形则为流土型；当细料含量为25%～35%时，则是过渡型。具体型式还要看土的松密程度。

图2.36 粒径级配曲线

对于级配连续的不均匀土，如图2.36曲线②，难以找出骨架颗粒与充填细料的分界线。我国有些学者提出，可用土的孔隙平均直径D0与最细部分的颗粒粒径ds相比较，以判别土的渗透变形的类型。他们提出土的孔隙平均直径D0可以下述经验公式表示：

式中：d20为小于该粒径的土质量占总质量的20%。试验结果表明，当土中有5%以上的细颗粒小于土的孔隙平均直径D0，即D0>d5时，破坏形式为管涌；而当土中小于D0的细粒含量小于3%，即D0<d3时，可能流失的土颗粒很少，不会发生管涌，呈流土破坏。

综上所述，可将无黏性土是否发生管涌的几何条件总结到表2.7。

图2.37 伊斯托敏娜icr-Cu关系曲线

（2）水力条件。

渗透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，可用发生管涌的临界水力坡降来表示。但至今，管涌临界水力坡降的计算方法尚不成熟，国内外学者提出的计算方法较多，但计算结果差异较大，故还没有一个公认合适的公式。对于一些重大工程，应尽量由渗透破坏试验确定。在无试验条件的情况下，可参考国内外的一些研究成果。

伊斯托敏娜根据理论分析，并结合一定数量的试验资料，得出了土体临界水力坡降与不均匀系数间的经验关系，其渗透破坏准则如图2.37所示。对于不均匀系数Cu>20的管涌土，临界水力坡降约为0.25～0.30。考虑安全系数后，允许水力坡降［i］=0.1～0.15。

我国学者在对级配连续与级配不连续的土体进行理论分析与试验研究的基础上，提出了管涌土的破坏坡降与允许坡降的范围值，见表2.8。

2.4.2.3 地质条件对渗透变形的影响

（1）土层分布特征。地层分布特征对渗透变形的影响主要表现在坝基下。单一的砂砾石层，以管涌型渗透变形为主。对于双层及多层结构的土层，渗透变形取决于表层黏性土的性质、厚度和分布范围。若黏性土层厚且分布范围大，尽管下卧砂砾石层水力梯度大，也不容易发生渗透变形。

（2）地形地貌条件。沟谷深切影响了渗流的补给条件，尤其是坝基上，下游的沟谷将表土层切穿，则有利于渗流的补给，并使渗径短而增大水力梯度；若下游地下水逸出段的渗流出口具有临空条件，则有利于渗透变形的发生。另外，在古河道及洪积平原前较近部位修筑水工建筑物时，应特别注意渗透变形的可能性及其类型。

2.4.2.4 工程因素对渗透变形的影响

影响渗透变形的工程因素主要包括大坝和汲水井的渗流出口条件遭到破坏、库水位骤降、施工破坏透水层及建筑物底面轮廓等。如我国发生的几起土石坝渗透变形及溃坝事件，与渗流出口部位未加保护都有很大关系。深基坑开挖时，由于破坏了隔水层而造成基坑坑壁坍塌等，也属于工程因素造成渗透破坏类型。

【例2.6】如图2.38所示为一在混凝土地下连续墙支护下开挖基坑的示意图，地基土层的构成情况和各层土体的渗透系数分别如图中所示。由于存在上层静水，使得墙后的土层均为饱和土并且形成了稳定的一维渗流。基坑内排水使得基坑底部的水位正好位于砂砾石层的顶部。试求并画出：（1）各土层中测管水头的分布；（2）计算并画出各土层中渗透力的分布；（3）计算并画出作用在地下连续墙上的孔隙水压力分布。

图2.38［例2.6］图

【解】（1）取O—O为基准面。由题意可知，墙外土层中发生自上而下的垂直渗流。此外，比较各层土体渗透系数的大小可以发现，粗砂层和砂砾石层的渗透系数远远大于两个黏土层的渗透系数，因此，可以忽略粗砂层和砂砾石层中的水头损失。

可知，hB=15m，hE=0m，所以有Δh=15m。

设两个黏土层的水头损失分别为Δh1和Δh2，土层厚度分别为l1和l2，则有

将已知条件：k1=4.0×10-6cm/s，l1=5m，k2=2.0×10-6cm/s，l2=5m，Δh=15m代入上式可以解得Δh1=5m，Δh2=10m。因此可求得各土层界面处的测管水头：

各土层测管水头具体分布如图2.39所示。

（2）由于粗砂层和砂砾石层的渗透系数相对较大，水头损失约为零，所以，该两层土中的渗透力也近似为零。取γw=10kN/m3。

图2.39［例2.6］答案图

各土层渗透力的具体分布如图2.39所示。

（3）为了计算作用在地下连续墙上的水平孔隙水压力分布，首先需要确定各土层位置水头的分布，再由各土层测管水头分布确定压力水头的分布，最后再将压力水头乘上水的重度，即可得到孔隙水压力的分布，具体的计算过程和计算结果如图2.39所示。

由计算所得孔隙水压力的分布可见，在存在渗流的条件下，孔隙水压力的分布同静水条件下的分布可能有较大的差别。

2.4.3 坝基渗透稳定性分析

坝基下的渗透水流，使岩土体中的某些颗粒移动或颗粒成分、机构发生改变的现象称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形对土石坝影响极大。据美国发表的资料，在破坏的土石坝中，有40%是由于坝基或坝体土的渗透变形所造成。我国对有问题的土石坝的调查中发现其中由渗透变形所引起的竟达60%。此外防洪堤和边坡的塌滑，岩溶区覆盖土层中洞穴和地表塌陷的形成，供水井、坝基排水孔和减压井的淤塞，开挖基坑和地下水工程中遇到的流砂，断层破碎带、软弱夹层、裂隙和洞穴中松散物质的带出等都是由渗透变形引起的。四川陈仓水库条石拱坝的实事便是一例。该坝由于清基不彻底，在三号拱基下发生渗透变形，不仅把红色风化岩裂隙中的黏土冲蚀，而且把泥岩也冲蚀了7m深，连同被冲蚀的坝身成为一个高13m，宽8m的冲蚀洞。

坝基渗透变形的主要类型是管涌和流土。在工程地质勘测的基础上坝基渗透稳定性的分析步骤如下：

（1）在宏观第四纪地层结构分析或软弱夹层研究的基础上，进行坝基渗透变形特征的分段。

（2）根据岩性和颗粒分析以及物理分析试验资料，对各地段进行渗透变形类型的预测。

（3）确定坝基各点的实际水力坡降。确定方法有理论计算方法、流网法、水电比拟法和观察法等。初步判定可用计算法。

双层结构且透水层厚度稳定，坝下溢出平均水力坡度为

式中：H1，H2为坝上、下游水位；M1，M2为上、下透水层的厚度；K1，K2为上、下透水层的渗透系数；L为坝基底宽。

（4）确定临界水力坡降。确定临界水力坡降有计算法、试验法和经验数值法。

1）计算法：临界水力坡降可用式（2.51）计算。

图2.40 室内渗透仪渗透变形试验装置

1—试样；2—砾石缓冲层；3—开关；4—胶管；5—测压管；6—水源箱；7—筛网；8—渗透仪桶

2）试验法：确定临界水力坡降的试验有室内试验和现场试验。室内试验多在透明的有机玻璃渗透仪或水槽中进行（如图2.40和图2.41）。试样应拌匀分层装入，符合天然级配和密实程度，并浸水饱和两天，然后逐级提高水头，每级水头下维持稳定30min进行观察，直至观察到渗透变形现象（同时记录水位、流量和水温等），在逐渐降低水头至渗透变形停止，再提高水头至渗透变形发生，如此反复数次，以降低的开始发生渗透变形的水头作为临界水头，从而求得临界水力坡降。

图2.41 室内水槽渗透变形试验

（a）装置（其中1为土样，2为水槽）；（b）水头与时间的关系

图2.42 封闭式堤坝现场渗透变形试验布置图

（a）平面布置图；（b）立面图

现场渗透变形的试验对于砂砾石土类有堤坝式、围堰式、现场试件式等，以堤坝式为最好。如坝基下不深处有黏土隔水层，则可使隔水墙嵌入黏土层，将试验砂砾层全部封闭起来，如图2.42所示。如黏土层很深，可用半封闭或不封闭堤坝式（隔水墙深为设计水头的1/2）。试验坝的底宽和长度分别为设计坝的1/100和1/200。

软弱夹层渗透变形现场试验有辐射流法和平行流法。前者是用一个主压水孔，产生辐射渗透，在四周打孔，挖坑观测；后者是打一排孔联合压水，使试验地段的中心地带产生近于平行流渗透，在下打孔，挖坑观测。后一种方法与坝基实际渗流状态接近，具体布置如图2.43所示。

图2.43 软弱夹层现场渗透变形试验布置图

1＃～6＃—供水管；1～6—观测孔；7—进水管；8—出水管；9—压力表；10—堵塞器；11—粉砂岩；12—泥化夹层；13—汇水槽；14—观测坑

图2.44 流量与压力关系曲线

1—6号出水点；2—14号出水点；3—全断面；4—全断面复压

现场试验也是逐级升压，逐级稳定，并经历试验与逐级减压两个阶段。一般在每节压力下要稳定2～3h，所以试验历时较长。试验结束绘制流量与压力关系曲线或lgI-lgv关系曲线，如图2.44所示，以曲线转折点求出i。

（5）确定允许水力坡降。临界水力坡降除以安全系数即为允许水力坡降。安全系数在1.5～3.0之间选取，这考虑到工程的等级、水文工程地质条件、试验成果的代表性和精度等因素。把允许水力坡降和实际水力坡降相比较，如果实际水力坡降小于允许水力坡降则是安全的，否则是危险的。当预测到有发生渗透变形的危险时，为保证坝基稳定，应采取加长渗流途径和排水减压措施，以降低水力坡降，以及在渗透出口处设置反过滤层等措施。

2.4.4 渗透变形的防治措施

控制坝基和地基的渗流，其主要任务可归纳为三点：一是尽量减小渗漏量；二是提早释放渗透压力，保证地基和水工建筑物有足够的静力稳定性；三是防止渗透破坏，保证渗透稳定性。因此，渗透变形的防治措施可分为渗流水动力条件改变、渗流出口保护和土石性质改善三方面。

1.建筑物深挖基坑及地下巷道施工时流砂破坏的防治

这种防治措施主要采用人工降低地下水位的方法，使地下水位或水头低于基坑底板。其目的是在防治流砂的同时，又防止地下水涌入基坑。也可采用板桩防护墙施工。

水平坑道、竖井开挖遇流砂时，前者可采用盾构法施工，后者采用沉井式支护掘井。目前工程中也采用冻结法或电动硅化法改善砂土性质，使施工顺利进行。

2.抽水井防止管涌的措施

通过在过滤管与井壁间充填反滤料，以保护渗流出口。反滤料的粒径选择必须考虑到被保护的含水层中潜蚀颗粒的大小，以细颗粒不能穿过反滤料孔隙为原则。

3.土石坝坝基渗流的控制措施

坝基有岩基和非岩基两大类，非岩基又称为松散地基。对松散地基的渗流通常采用垂直和水平两种控制手段，具体措施有如图2.45所示：①设置截水槽；②浇筑混凝土防渗墙或灌浆帷幕；③铺筑上游水平防渗铺盖。土石坝基的渗流控制主要是防渗和保证渗透稳定，如我国黄河小浪底工程高154m的土石坝及三峡工程二期围堰堰体等均采用防渗墙和防渗帷幕灌浆结合防止坝基渗流。

图2.45 砂砾石坝基防渗处理示意图

1—斜墙；2—铺盖；3—混凝土防渗墙；4—心墙；5—防渗帷幕；6—截水槽；7—减压井；8—排水沟；9—隔水层；10—排水体

（1）防渗帷幕。

在大坝靠上游面的地基中，平行坝轴线打一排或几排钻孔，在高压下降水泥等浆液压入基岩的裂隙或断层破碎带中，待凝固后就形成一道隔水的屏幕，称为防渗帷幕。帷幕的深度、厚度、灌浆孔距、排距、灌浆压等参数，应根据水文地质和工程地质条件、建筑物规模及其防渗要求综合考虑，最好由现场灌浆试验确定。

防渗帷幕的防渗标准，按规范规定，不同坝高在防渗帷幕体内要求岩体的单位吸水量为：高坝ω<0.01L/（min·m·m）；中坝ω=0.01～0.03L/（min·m·m）；低坝ω<0.03～0.05L/（min·m·m）。一般帷幕应深入到相对不透水层岩体内3～5m，成为接地式帷幕。当不透水层很深时，也可作悬挂式帷幕。帷幕深度可在0.3～0.7倍坝高范围内选取，帷幕的厚度应根据地质条件、帷幕的允许水力坡降、幕体的密实程度和防渗标准、稳定性而定。一般高坝设两排帷幕，中低坝设一排帷幕。一排帷幕的厚度约为0.7～0.8孔距。孔距一般为1.5～4.0m，排距略小于孔距。帷幕应向两岸延伸至设计水位与不透水层相交处为止，或延伸至设计水位与蓄水前天然地下水位相交处为止，以防止绕坝渗漏。灌浆压力可在1～3倍水头范围内选取。乌江渡拱形重力坝坝高165m，建于岩溶地区，帷幕灌浆压力达60×105～80×105Pa，灌浆后ω降低到0.001L/（min·m·m），建成了质量较高的防渗帷幕。

砂砾石层坝基的防渗帷幕，设于心墙、斜墙或铺盖之下。

图2.46 基岩坝基排水系统示意图

1—灌浆廊道；2—纵向排水廊道；3—横向排水廊道；4—纵向排水管；5—排水孔；6—防水帷幕

（2）防渗墙和铺盖。

当砂砾石透水层不厚时，可挖出梯形槽回填黏土成为截水槽。当透水层厚时可用板桩、混凝土连锁管柱和混凝土防渗墙等垂直防渗措施截断透水层。用大直径钻孔造圆孔或槽孔，然后回填混凝土与不透水层相接，各孔相互搭接成为连续的横河防渗墙，效果较好，如图2.46所示。当透水层很厚时，则宜在坝上游采用黏土铺盖。

（3）坝基排水。

为了阻截透过防渗帷幕的渗水，减小坝基扬压力，一般都在防渗帷幕下游设置排水孔组成主排水幕。在主排水幕下游视情况增设1～3道辅助排水幕，并设专门排水廊道，供排水孔施工、观测和检查维修用。岸坡坝段亦设纵横向排水廊道。由排水幕和纵横廊道组成了坝基排水系统，把水流汇集于高程低于下游水位的集水井，由水泵抽水排向下游，于是形成了闭路式抽水减压排水系统，如图2.46所示。

砂砾石坝基在防渗的同时，在下游也常采用排渗沟和减压井，如图2.47所示进一步降低剩余水头压力，确保大坝安全。

图2.47 砂砾石坝基排水减压示意图

（a）排渗暗沟；（b）减压井（完整井）；（c）减压井（非完整井）