浅谈坝基渗透破坏机理

人类工程活动都是在一定的地质环境中进行的, 两者之间必然产生相互的关联和制约, 地质环境对人类工程活动的制约是多方面的, 既可以表现为以一定的地质作用形式影响工程建 (构) 筑物的稳定和正常使用, 也可以表现为以一定的作用形式影响工程活动的安全和工程造价。

经过地质构造运动, 地形、地质、水文条件复杂多变。坝基岩体一般有着不同程度的构造发育, 如断层裂隙、软弱夹层或破碎带等, 在基岩上部还形成深厚的覆盖层等。坝基的隐蔽性决定了其复杂性。

坝基结构的复杂性决定了坝基渗透变形过程的复杂性。影响渗透变形的演变的因素主要有地质条件、水力条件、土粒级配、岩土体的渗透性和排水措施等。渗透变形发展到一个特殊阶段, 在这个阶段上, 土石体发生整体破坏, 并危及工程的安全稳定。对于不同类型的土石, 变形过程是不一样的, 有的可明显划分为两个阶段, 有的变形阶段不明显, 渗透变形一旦开始, 便迅速进入渗透破坏阶段, 有的可永远不会出现渗透破坏阶段。一般情况下, 坝基的渗透变形不是单一的流土、管涌或者接触冲刷, 而是这几种渗透变形状态的组合。一旦溃坝, 将导致严重后果。

1 土体的渗透破坏

当坝体或坝基土料的渗流渗透坡降大于其破坏坡降时, 土体颗粒移动流失, 导致土体变形以至破坏的现象, 即为渗透破坏。以孔隙为主的土体, 其结构疏松, 岩性和土的颗粒堆积方式决定了孔隙的大小。一般而言, 粘土的孔隙度最大, 但孔径小, 透水能力差, 可以看作弱透水层或隔水层;砂土随颗粒增大, 孔隙度大, 渗透性好, 可以看作覆盖层。一般地, 土体的渗流特点为: (1) 土体渗透性大小取决于岩性, 土体中颗粒愈细, 渗透性愈差; (2) 土体可看作多孔连续介质; (3) 土体的渗透性一般具有均质 (或非均质) 各向同性 (黄土为各向异性) 特点; (4) 土体渗流符合达西渗流定律。

从渗透破坏的机理角度, 土体发生渗透破坏的表现形式可以归纳为管涌、流土、接触冲刷和接触流土等, 其中以管涌和流土最为常见。

(1) 管涌发生在砂砾料中, 土体中的细颗粒沿骨架颗粒随孔隙管道移动或被渗流带走。毛昶熙提出了涌砂范围的近似理论、推导出涌砂冲蚀继续向上游冲蚀发展的距离计算公式和水头分布及渗流坡降公式, 并论证了直接引用源汇点理论计算管涌附近水头分布的不适应性。陆培炎推导了在江河堤围、深基坑开挖和矿山法地铁开挖三种情况下的评定渗流管涌公式。陈建生对堤防渗流管涌发生后产生集中渗漏通道的机理进行了详细的分析探讨。

(2) 流土既可以发生在粘性土中, 具体表现为土块隆起, 膨胀, 浮动, 断裂等现象, 也可以发生在非粘性土中, 具体表现为颗粒群的同时起动, 如泉眼群, 砂沸, 土体翻滚最终被渗流托起。唐益群从渗透破坏机理的角度对流土的概念、试验研究、有限元分析和解析分析等方面作了较为系统全面的研究。

(3) 接触冲刷的接触面是任意方向, 渗流沿不同介质流动, 把其中的细粒带走。陈建生对接触冲刷发展过程进行了深入的模拟研究。于雪枫对接触冲刷的机理及闸坝 (堤) 的防渗设计进行了详细的阐述。李振对黑河土石坝的接触冲刷问题进行了试验研究, 为设计单位提供参考数据。

(4) 接触流土与接触冲刷的不同之处在于渗流的方向性, 接触流土是渗流垂直于接触面流动, 把其中一层的细粒带入另一层中。

无粘性土广泛应用于土石坝筑坝材料和坝基。由于无粘性土的离散性质, 在渗透作用下产生破坏。土石坝和地基的破坏和失事大多是由于渗透作用造成的, 所以无粘性土的渗透破坏问题为坝工界所广泛重视。判别无粘性土渗透破坏型式的方法可以概括为图1。

2 岩体的渗透破坏

土体颗粒间有透水的孔隙, 因此土体可抽象为具有均匀孔隙的连续介质。岩体则不同, 它不是散粒体, 而是由各方位的多条裂隙切割的岩块组成, 水利特征由两部分组成:一是岩块内的孔隙或称微裂隙, 其分布极不均匀且具有微透水性。二是岩块之间的节理裂隙, 受多期地质构造的影响, 加上开采扰动的影响, 裂隙具有非常复杂的性质。但受到生成原因的控制裂隙一般成组分布, 每组裂隙有相对稳定的产状, 多组裂隙交叉而组成裂隙网络系统。对于大多数岩体而言, 裂隙网络的透水性远大于岩块的透水性, 以至于工程中往往忽略岩块的透水性, 而不会产生大的偏差。因此, 岩体与土体的渗流特征有很大的差别。

渗流对岩石地基的稳定有重大影响。近年来, 国内外许多学者都对岩体渗流问题进行了深入的研究, 在有限元法的应用方面 (魏泽光, 1982;张有天, 1992;周创宾, 1996;张有天, 1988) , 研究成果已非常实用。研究还表明:由于岩石块体的透水性极其微弱, 岩体渗流几种在结构面中, 在本质上属于结构面的网络渗流 (Long, 1985) 。

岩体以裂隙渗流为主, 其渗流特点为: (1) 岩体渗透性大小取决于岩体中结构面的性质和岩块的岩性; (2) 岩体渗流以裂隙导水, 微裂隙和岩石孔隙储水为特色; (3) 岩体裂隙网络渗流具有定向性; (4) 岩体一般看作非连续介质 (对密集裂隙可看作等效连续介质) ; (5) 岩体的渗流具有高度的非均质性和各向异性; (6) 一般岩体中的渗流符合达西渗流定律 (岩溶管道流一般属于紊流, 不符合达西定律) ; (7) 岩体渗流受应力场影响明显; (8) 复杂裂隙系统中的渗流, 在裂隙交叉处, 具有“偏流效应”, 即裂隙水流经大小不等裂隙交叉处时, 水流偏向宽大裂隙一侧流动。

岩体破坏的类型主要有两类: (1) 岩体不均匀变形, 导致因工程结构物应力重分布超过荷载极限破坏而发生; (2) 由于岩体失稳而造成破坏。无论是坝基、边坡和路基等的破坏, 渗流起着非常重要的作用。

地下水主要通过孔隙静水压力和孔隙动水压力作用对岩土体的力学性质施加影响。前者减小岩土体的有效应力而降低岩土体的强度, 在裂隙岩体中的孔隙静水压力可使裂隙产生扩容变形;后者对岩土体产生切向的推力以降低岩土体的抗剪强度。

渗流对岩体的破坏作用, 在物理方面主要表现为润滑作用、软化和泥化作用及结合水的强化作用。处于岩体中的地下水, 在岩体的不连续面边界 (如坚硬岩石中的裂隙面、节理面和断层等结构面) 上产生润滑作用, 使不连续面上的摩阻力减小、剪应力效应增强, 其结果是发生沿不连续面诱发岩体的剪切运动。地下水对岩体的软化和泥化作用主要是改变岩体结构面中填充物的物理性状, 岩体结构面中填充物随含水量的变化, 发生由固态向塑态直至液态的弱化效应, 一般在断层带易发生泥化现象。

渗流对岩体的破坏作用, 在化学方面主要是指水与岩体之间的离子交换、溶解作用、水化作用、水解作用、溶蚀作用、氧化还原作用、沉淀作用以及超渗透作用等。各种化学作用对岩体的破坏大多是同时进行的, 且速度较慢。地下水对岩土体产生的化学作用主要是通过改变岩土体的矿物组成、改变其结构面而改变岩土体的力学性能。

3 结语

(1) 渗流问题的分析方法主要有解析法、实验模拟法和数值法三种方法。而数值法是求解大型地下水渗流问题的主要方法。其中, 有限单元法为应用最广的方法。

(2) 坝基的隐蔽性决定了坝基结构的复杂性, 从而又决定了坝基渗透变形过程的复杂性。影响渗透变形的演变因素复杂多变。土体渗透破坏主要表现为管涌和流土, 无粘性土和粘性土在判别破坏型式方面有所不同。岩体以裂隙渗流为主, 通过各种物理与化学方面的破坏作用改变力学性能。

摘要：坝基结构的复杂性决定了坝基渗透变形过程的复杂性。影响渗透变形的演变的因素主要有地质条件、水力条件、土粒级配、岩土体的渗透性和排水措施等。一般情况下, 坝基的渗透变形不是单一的流土、管涌或者接触冲刷, 而是这几种渗透变形状态的组合。一旦溃坝, 将导致严重后果。

关键词：坝基,土体,岩体,渗透破坏

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