第三节 渗透力和渗透变形

一、渗透力和临界水力坡降

（一）渗透力

水在土体中流动时，受到土粒阻力而消耗能量，引起水头损失。将渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力称为渗透力（动水压力）。

如图2-7所示，设试样的截面积为A，渗流进口（1—1面）与出口（2—2面）两测压管的水面高差为h，它表示水从进口面流过L厚度的试样到达出口面时，必须克服整个试样内土粒对水流的阻力，该阻力所引起水头的损失h。于是土粒对水流的阻力应为

图2-7 渗透力计算示意图

由于土中渗透速度一般极小，流动水体的惯性力可以忽略不计。根据牛顿第三定律，渗流作用于试样的总渗流力J应和试样中土粒对水流的阻力F大小相等而方向相反，即

渗流作用于单位土体的力（即渗透力）为

渗透力j是渗流对单位土体的作用力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m³。分析式（2-15）的推导，可知渗透力为均匀分布的体积力（内力），是由渗流作用于试样两端1—1面与2—2面的孔隙水压力差（外力）转化的结果。

由于渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有着很大的影响。例如，图2-8中坝下渗流a点，由于渗透力方向与重力一致，渗透力促使土体压密、强度提高，因而有利于土体的稳定。b点的渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利。c点的渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出。

图2-8 闸基下渗流对土体的影响

（二）临界水力坡降

使土体开始发生渗透变形的水力坡降为临界水力坡降，它可以用试验方法或计算方法加以确定。但由于目前计算方法还不完善，故对重要工程宜以试验及实测方法来确定土的临界坡降。

对图2-8所示的闸基c点处的单位土体进行分析，在土颗粒即将向上发生移动的临界状态，其渗透力与有效重度达到平衡，即

又由于j=i_crγ_w，所以

式中 i_cr——土的临界水力坡降。

已知土的有效重度γ′为

将式（2-17）代入式（2-16）得临界坡降i_cr为

式中 G_s、e——土粒比重及土的孔隙比；

γ _sat——土的饱和重度，kN/m³；

γ _w——水的重度，kN/m³。

在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数F_s（约为2～3）后，作为允许水力坡降［i］。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降［i］内，即

二、渗透变形

渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或使局部土体产生移动，导致土体变形，这类问题称为渗透变形问题。按土体局部破坏的特征，将渗透变形分为流土和管涌。

研究渗透变形的目的是弄清变形的形式，确定濒临破坏时的临界水力梯度，从而合理地选择防渗措施。

（一）渗透变形的基本形式

1.流土

在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动的现象称为流土。流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，而不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常常遇到的流砂现象，就属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏。

图2-9（a）为河堤下相对不透水层下面有一层强透水砂层。由于堤外水位高涨，局部覆盖层被水流冲溃，砂土大量涌出，危及堤防安全。

2.管涌

在渗流作用下，无黏性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象称为管涌。地基土或坝体在渗透水流作用下，其细小颗粒被冲走，孔隙逐渐增大，慢慢形成一种能穿越地基的细管状渗流通道，从而掏空地基或坝体，使地基或斜坡变形或失稳。所以管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处。它的发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏。

图2-9 河堤渗流破坏实例

图2-9（b）表示河堤管涌失事的例子。开始土体中的细颗粒沿渗流方向移动并不断流失，继而较粗颗粒发生移动，从而在土体内部形成管状通道，带走大量砂粒，最后上部土体坍塌。

产生管涌的条件比较复杂，从单个土粒看，只要向上的渗透力大于土粒的浮重度，土粒即可被向上冲出。实际上管涌可能在水平方向发生，土粒之间还有摩擦力等的作用，它们很难计算确定。因此，发生管涌的临界水力梯度i_cr一般通过试验确定。

试验装置如图2-10（a）所示，抬高贮水容器，水头差h增大，渗透速度随之增大。当水头差增大到一定程度后，可观察到试样中细小土粒的移动，此时的水力坡降即为发生管涌的临界水力坡降。在试验中可测定出不同水力坡降i对应的渗透速度v，绘制出v—i关系曲线，如图2-10（b）。从v—i关系曲线可发现，在管涌前后分为两条直线，这两条直线的交点对应的水力坡降即为发生管涌的临界水力坡降i_cr。工程中对管涌安全性进行评价时，通常可取k=1.5～2.0。

图2-10 管涌试验

（二）流土与管涌的判别

渗透变形的形式主要与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关。在工程实践中，土的渗透变形判别分析如下。

黏性土由于粒间具有黏聚力，联结较紧，常不出现管涌而只发生流土破坏。一般认为不均匀系数C_u＜10的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏。

对C_u＞10的砂和砾石、卵石，分两种情况。当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就足以推动这些细粒发生管涌。如它们的孔隙中细粒增多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量约为30%～35%），此时的阻力最大，便不出现管涌而会发生流土现象。

【例2-2】 某土坝地基土的比重G_s=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数F_s为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏？

解：临界水力坡降

允许水力坡降

由于实际水力坡降i＜［i］，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏。