第六章堤坝管涌和接触冲刷破坏机理.docx
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第六章堤坝管涌和接触冲刷破坏机理
第六章堤坝管涌和接触冲刷破坏机理
§6.1无粘性土的渗透破坏
6.1.1无粘性土的渗透系数的确定
无粘性土的渗透系数的确定有实验和计算两种方法。
渗透系数的计算是岩土
工程问题中的一项重要的研究课题，因为它不仅可以给出工程实用的计算方法，而且可以揭示渗透系数的物理意义，以及影响渗透系数的各个影响因素，如孔隙直径，等效粒径等。
因此半个世纪以来，许多研究者投入了这方面的研究工作，采用实验和经验相结合的方法，取得了一定成绩⑴。
达西定律中的渗透系数，最初只是实验确定的经验参数，多年来，许多学者采用量纲分析、毛细模型、水力半径、孔隙平均直径模型和统计模型理论来推导，阐明其物理意义。
孔隙平均直径法是以v^-gRJh（V'—毛细管中实际的平均流
8u
速；：
一液体的运动粘滞系数；g—重力加速度；R—毛细管半径；Jh—毛细管中实际的水力坡降）为基础，采用土体孔隙平均直径代替毛细管半径的方法⑴。
对于均匀土可直接使用如下模型简化⑴：
（1）将均匀土视为颗粒大小相等的球体；
（2）将均匀土的孔隙通道看作一束束平行的毛细管道。
在理想模型的基础上进一步假设：
（3）假想体的毛细管道的孔隙体积等于理想体的孔隙体积
（4）假想体的毛细管道的管壁总表面积等于理想体即球体的总表面积。
由此可求得孔隙平均直径Do⑴:
式中：
a—颗粒形状修正系数，为土颗粒表面积与同体积球体表面积之比；n—
土的孔隙率；d—均匀土颗粒直径。
式（6.1）是将均匀土转化为假想土体的数学模型。
对均匀土，n的变化范围约
在0.3〜0.45之间，a的变化范围在1.5〜1.0,带入可得平均孔隙直径⑴：
Do=（0.2-0.3）d肚0.25d（6.2）
对于无粘性天然土（不均匀土）孔隙平均直径，一般采用D。
二d20。
按照毛
细管中层流公式V'二亘Jh，渗透系数可表示为K10二AD；，于是计算渗透系数
8v
时许多学者给出了计算孔隙平均直径的公式⑴：
（1）哈增（A.Hazen）D。
Bd®（B=0.21〜0.25）（6.3）
（2）康德拉且夫（b.h.KOHnpam塩0e倒“50
（3）柯森（Kozeny）D0
（4）水利水电科学研究院Do二0.63nd?
。
（6.6）
由此可见，对于均匀无粘性土，各学者所给出的孔隙平均直径，都具有大致相同的数值。
对于无粘性土的渗透系数的确定也有不同的表达式⑴：
K=0.0031n39d2
（1）
水利水电科学研究院
32
Kg=234bn3d；°
（6.7）
（2）
哈增（A.Hazen）
K二Cd!
0
（6.8）
（3）
扎乌叶布公式K
3
、10-C2d
（6.9）
（1-n）-
K10
=105n（D50）2
（4）
康德拉且夫
n
Dn
（6.10）
D100』
上式表明，决定无粘性土渗透系数的主要因素是颗粒组成和孔隙率，其中颗粒组成可以以等效粒径来表示⑴。
6.1.2无粘性土颗粒组成的类型与分类
颗粒组成是研究无粘性土基本特性的主要依据，通常以各粒径含量的累积曲线或分布曲线来表示。
无粘性土分为均匀土和不均匀土两类，它们的颗粒组成曲线有明显的区别。
前者分布曲线只有单峰一种形式，各粒径级都有一定的含量，而且峰值粒径的含量占绝对优势，并且峰值粒径、中值粒径及d50无明显差别。
不均匀土的颗粒分布曲线多呈两种形式，第一种形式为单峰，但与均匀土不同，其峰值远偏离中值，而且多呈左偏峰。
不过有时也出现双峰，但右峰较低，两峰之间的曲线仍连续，谷点粒径的含量至少有4%〜5%。
累积曲线的特点，表现为曲线的坡度无明显平缓段。
第二种形式的分布曲线明显呈双峰，双峰之间有的曲线有间断点，有的虽然连接，但最低点的粒径含量小于或等于3%,累积曲线的
形状明显呈椅子形。
这种土称为级配不连续土，也称缺乏中间粒径土⑴。
在自然界中，不均匀土的颗粒组成呈级配不连续型，而且主要出现在河流的中、上游，这是多沙河流中水流的携带能力随时期的不同而造成的，丰水期河道
只能沉积粗颗粒土，枯水期主要沉积细颗粒土，加之一般河流的特性多为在汛期猛涨猛落，中间粒径多被分选。
不均匀土的区分原则和方法⑴：
在土力学中将均匀土列为级配不良的土。
该土压密性差，孔隙率大，稳定性不好。
太沙基指出，di0<0.1mm，不均匀系数Cu<5的砂土最不稳定。
从渗透稳定的角度讲，均匀土是指各个颗粒间相互制约，渗透破坏只有一种形式，即流土。
均匀土的确定标准，至今尚未统一。
有的国家以不均匀系数小于5的土叫均匀土，而日本以不均匀系数小于10的土为均匀土。
大量实验资料表明，在自然界的无粘性土中，当不均匀系数小于10时，颗粒级配多是呈正态分布的形式，渗透破坏只有流土一种形式，所以B.C.依斯托美娜以不均匀系数小于10作为区
分标准
6.1.3无粘性土的渗透破坏形式
渗透变形的形式及其发生过程，与地质条件、土粒级配、水力条件、防渗排渗措施有关，通常可归结为下列四种类型⑴⑹：
（1）流土
在渗透力作用下，局部土体的表面隆起、浮动或土体颗粒群同时起动而流失的现象称为流土。
前两者多发生在含粉土颗粒或较均匀的砂土中，后者多发生在
不均匀的砂性土中，而且多发生在渗流出口无任何保护的情况下。
（2）管涌
在渗渗透力作用下，土体中的细颗粒沿着土体骨架颗粒间的孔道移动或被带出土体，这种现象称为管涌。
主要发生在砂砾石土层中，这种土属于内部结构不
稳定的土。
（3）接触流失
在层次分明，渗透系数相差很大的两层土中，渗流垂直于层面运动时，将细
粒层中细颗粒带入粗颗粒层中的现象称为接触流失。
表现形式可能是单个颗粒进
入邻层，也可能是颗粒群进入邻层，因此包含接触流土和接触管涌两种形式。
（4）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
建筑物与地基，土坝与涵管等接触面流动而造成的冲刷，都属于此类破坏，见图
6.1。
图6.1接触冲刷示意图
对流土，作用力是单位土体的渗透力，而对管涌，则为单个颗粒的渗透力。
只有土体中的细粒含量不断增加直至土颗粒所形成的孔隙被全部充填满，形成一个实体时，管涌才转化为流土。
土体孔隙中所含细粒的多少，是影响渗透变形的关键，若孔隙中只有少量细粒，则细粒处于自由状态下，在较小的水力坡降下，
细粒将在渗流作用下由静止状态起动而流失。
若孔隙中细粒不断增加，虽然仍处于自由状态，但因阻力增大，贝嚅较大的水力坡降，才足以推动细颗粒运动。
若孔隙全被细粒所充填，此时孔隙中的砂粒，就象微小体积的砂土一样，互相挤在一起阻力更大，渗流在这些砂粒中的运动与一般砂土中的渗流运动一样，因此这
时的渗透破坏就是流土变形，需要更大的水力坡降。
对于任何水工建筑物及地基而言，渗透变形的形式可以是单一的，也可以是
多种形式出现于各个不同的部位，因此不能因为某种形式的渗透变形出现，而忽视其它部位的渗透变形。
就土体本身的性质而言，其破坏形式通常只有管涌和流土两种，有时也将无粘性土分为管涌土和非管涌土两类⑴。
管涌的形成主要主要决定于土本身的性质，对于某些土，即使在很大的水力
坡降下也不会出现管涌，而另一些土（如缺乏中间粒径的砂粒料）却在不大的水力坡降下就会发生管涌。
根据管涌危害程度不同，可分为两种情况：
一种土，一旦发生渗透变形，细颗粒连续不断地带出土体以外，土体不能承受较大的水力坡降，出现承受水头下降的情况，这种土称为发展型管涌土或危险性管涌土；另一种土，渗透变形出现后，细颗粒停止流出。
只有增大水头管涌才重新出现，且土体承受的水力坡降继续增大，土体表面形成许多的泉眼，渗透量不断增大，或者发生流土，这种土称为非发展型管涌土或非危险性管涌土。
这其实是流土和管涌的过渡型，因此若进行更细的划分，单一土层的渗透破坏形式可分为流土、管涌
和过渡型三种类型⑴。
综上所述，不同渗透破坏形式反映了不同的破坏机理。
因此在研究土体的渗透破坏特性时，应先区分破坏形式，使问题简单化，再进一步确定临界坡降。
6.1.4渗透变形的判别
（1）用土的不均匀系数Cu来判别前苏联的依斯托美娜提出以不均匀系数Cu来区分渗透破坏形式。
自下而上
的渗流作用下，可用式（6.11）判别⑴创3]:
Cu<10流土
Cu>20管涌（6.11）
10d60为过筛重量占60%的颗粒直径，d10为
北京水科院刘杰根据细料的体积等于粗颗粒孔隙的体积的原则，细粒含量Pz可表示为：
⑴
（6.12）
代小2
（1—门2）二2•山1门2
（6.13）
式中：
pi—细料干密度；ni—单位土体细料孔隙体积（见图6.2）;n2—单位土体细料孔隙体积；P2—粗料土粒密度。
对于缺乏中间粒径的砂粒料，可用式（6.14）来判别[1][4]:
Pz-35%流土
（6.14）
Pz:
:
:
25%管涌
245%：
：
：
pz:
:
:
35%两者均可
6.1.5管涌临界坡降及临界速度
计算管涌临界坡降的公式目前还不成熟⑸，这主要是因为：
一方面发生管涌的渗透机理，理论上还没有得到很好的解决；另一方面实验数据很难测准，而且
对管涌的鉴别，也缺乏一个明确的标准。
管涌临界水力坡降的计算方法主要有两种：
一种是通过实验，积累资料，绘
制临界水力坡降与某些因素的关系曲线；另一种方法是根据单个颗粒在土体中的受力情况，从理论上分析，推导出管涌临界水力坡降计算公式。
目前管涌临界比降一般通过室内试验测定，但公式计算也是必须的。
下面本文将介绍南京水利科学研究院的沙金煊公式：
沙金煊认为作用在土体中单个颗粒上的渗透力F⑹：
（6.15）
di的土颗粒，化为具有同一粒
式中：
dsk—等效粒径，即天然土体中各不同粒径径dsk的土体而阻力不变。
其值如下：
dsk
（6.16）
di
其中pi为粒径为di时所对应的百分含量，可由颗粒曲线上查得。
—d2
颗粒在水中的自重G=——（s-），将此式和式（6.15）中的渗透力相平衡，
6
得到发生管涌的临界坡降计算公式为⑴⑺
d
Jc珂」T）（1-n）（6.17）
dsk
式中：
d—流失颗粒的粒径。
为了探求不同流态时发生管涌的临界流速及临界坡降，原作者将式（6.15）化
（6.18）
v21
2
g:
n
式中C—阻力系数，其值为B，其中A为层流阻力系数，A=5.1,B为紊
Rs
流阻力系数，其值按下式取之⑹：
2
B=（3），
（2）sp（6.19）
式中tnp，丫等参数可以查表。
令F=G，于是得到不同渗透、渗流态时发生管涌的临界水力坡降公式⑹
2
BVMV-N=0（6.20）
其中
6Av（1—n）
层流运动（一般流速很缓慢）时，可令B=0,于是得到V=M，若当渗透流
N
速较大，特别是在松散的大颗粒介质中运动时，此时的流态将转化为紊流，可令
A=0,贝U得到紊流区的管涌临界流速⑹：
乂「6；（-曲*（6・22）
§6.2管涌渗透破坏形成集中渗漏通道的模型
6.2.1模型的建立
管涌是一个水与土体相互作用的复杂的力学过程，管涌的发生与地层中土的组成成分、结构、土的级配、水力梯度、管涌发生的距离、深度、表面覆盖粘土层的强度、厚度、饱和度、固结度、浸泡时间等因素有关，是一个多元的复杂问题⑺。
前人对管涌渗透变形的机理分析、影响因素、可能性判断以及防治措施等一系列问题进行了深入的探讨，提出了许多有益
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