工
地 质 学 基 础
曹丽雯老师
名： 王 美
号： 05092099
地质工程09-5班
院： 资源与地球科学学院
二零一二年四月
程 专业教师：姓学专业年级：学
探析渗透变形工程防治
关键字：渗透变形 渗流 工程防治
摘要：土体抵抗渗透变形的能力叫抗渗强度，其大小取决于土的颗粒组成、排列方式、物理力学性质及地下水流向等．在渗流作用下，土体的渗透稳定性决定于动水压力与抗渗强度之间矛盾的发展演化过程。由此产生的工程地质问题，就是渗透稳定性问题。
地下水在渗流过程中对岩土体作用的力，引起渗透变形的驱动力，称渗透力(seepage force)或动水压力(hydrodynamic force)。岩土体在地下水渗透力（动水压力）的作用下，当此作用力达到一定值时，岩土中一些颗粒，甚至整体就发生移动，从而引起卷土体的变形和破坏，表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等，这种作用或现象，称之为渗透变形(seepege deformstion)或渗透破坏(seepage failure)。动水压力的大小主要取决于地下水的水力梯度。
在自然界中，渗透变形现象一般发生在无粘性土和亚砂土中，像“黄土喀斯特现象”，河流阶地上的“碟形洼地”和覆盖岩溶区的“土洞”等现象均属之。由于人类工程—经济活动使渗流加强，从而产生的渗透变形问题较多。如基坑开挖时的流砂现象，因矿山排水或汲取地下水在覆盖岩溶区产生的地面塌陷。土石坝坝基的渗透稳定性问题等．这种现象不但在松散土体中发生，而且在基岩的断裂破碎带和风化壳中也可能发生。目前国内外对渗透变形型式的认识和划分尚未统一，但一般说来应分为管涌和流土两种基本型式。
在渗流作用下单个生颗粒发生独立移动的现象
（如图），叫管涌(piping)或潜蚀．管涌较普遍地发
生在不均匀的砂层或砂卵(砾)石层中，细粒物质从
粗粒骨架孔隙中被渗流携走，使土体的孔隙和孔隙
度都增大，强度降低，发展下去，会使土体呈现“架
空结构”，甚至导致地面塌陷。
根据渗流方向与重力方向的关系，可将管涌分为垂直管涌和水平管涌．土石坝坝基渗流图形，其渗流方向在坝前(上游)由上向下，与重力方向一致；在坝底下为水平方向，在坝后(下游)由下向上，与重力方向相反．由于坝前的渗流对土层起压密作用，不至于发生渗透变形现象。但是，在坝底下和坝眉地段则可能发
生渗透变形，尤其是坝后的渗流对土颗粒起上托作用，使之易于松动、悬浮、被携出地表，即为垂直管涌．而坝底下的细粒物质从粗粒骨架孔隙中被渗流携走的现象，即为水平管涌。
在透水性相差较大的两种土层接触而上，在渗流作用下还会发生接触管涌，根据渗流方向与土层接触面的关系，接触管涌又可分为垂直接触管涌和平行接触管涌．在垂直于土层接触面的渗流作用下，细粒土层的单个颗粒向粗粒土层孔隙移动的现象，称为垂直接触管涌；如汲水井孔四周的砂土层颗粒向过滤管外反滤料的管涌即是
在平行于粗、细粒土层接触面的渗流作用下，由于粗粒土层的渗透速度较细粒土层大得多，而使接触面附近的细粒土层中的颗粒被携走的现象，称之为平行接触管涌，如双层结构坝基水平渗流段的管涌即是。
在渗流作用下一定体积的土体同时发生移动的现象（如图），叫流土
(quicksoil)或硫砂(quick
sand)。流土一般发生在均质砂土
层和亚砂土层中。它可使土体完
全丧失强度，而危及建筑物的安
全，因此危害性较管涌大．如建
筑物基坑开挖或地下巷道掘进时发生的流砂现象即是溃坝的原因是第二层透水性较强的粉质亚砂土出露于坝下游排水沟边坡，大部分渗水均从该排水沟边坡逸出；施工时库内取土，破坏了表土层(亚砂土)，使库水沿上游的取土槽及坝踵附近以最短渗径向下游渗透．由于排水沟又无反滤层保护，破坏了渗流出口，粉质亚砂土在沙透力作用下被水流携出，并不断向上游发展，最终沿该以底部与龟裂土的顶部形成集中渗流通道，严重的流土而招致溃坝。
渗透变形也给地下巷道掘进和矿山作业带来很大危害，同时影响到地面建筑物的安全。1074年苏联列宁格勒市兴建地下铁道时，在地下80m深处于人工冻结的流砂层掘进巷道，但由于某一地段上的流砂未完全冻结而造成破裂，数千方流砂快速涌进，已掘进好的巷道，同时在地面形成了塌陷漏斗．我国淮南煤矿一竖井，位于淮河泛滥淤积的粉细砂土中，60年代施工时亦遇流砂涌入，引起四周地面下陷达1.4m。井筒四周的板桩沉陷变形，后来采用电动硅化法改良土质，
才得以继续掘进。渗透变形是十种可以影响建筑物和人民生命财产安全的工程动力地拉作用。渗透变形产生的条件，渗透变形的预测和防治措施等问题。
渗透变形预测是渗透稳定性评价的主要内容．在工程兴建以前必须预测场地或地基渗透变形的可能性，以便采取相应的防治措施。保障建筑物安全。此项工作，对于水工建筑物来说尤为重要。坝基工程渗透变形预测的步骤大体是这样的：首先根据土体的类型和性质，判定是否易于产生渗透变形及渗透变形的类型，随后确定坝基各点，主要是下游坝脚处的实际水力梯度；确定临界水力梯度和允许水力梯度；根据实际水力梯，度与允许水力梯度的比较，圈定出可能发生渗透变形的范围。
判定渗透变形的可能性及类型，颗粒分析的结果绘制成累积曲线和分布曲线后，即可根据曲线的形状或计算的特征值来判定渗透变形的可能性及渗透变形的类型，从累积曲线可知，凡属“瀑布式”者产生管涌：凡属“直线式“者不产生管涌，而在较高的梯度下产生流土；凡属于“阶梯式”者多为管涌，有时为流土(曲线向细粒方向缓坡延长者管涌，较大角度与横坐标相交者流土)。根据分布曲线，呈陡峭单峰的砂土一般木发生管涌，而双峰或多蜂且缺乏中间粒径者为“危险性管涌土”。除上分析外，也可根据累积曲线和分布曲线计算出的细颗粒百分含量及不均粒系数，下按上节所述方
法来判别海透变形的类型。在土坝上
下游水头整作用下，坝基渗流产生水
力坡降，共梯度值在各点是不相同的，
渗流路径的方向可分坝的渗入段，坝
基中部水平渗流段和坝后渗沉逸出
段。（如图）
其中坝前渗入段水流方向由上
向下，使土体压密．坝基中部水平渗流段，有使土粒向下游移动构趋势．坝后渗流逸出段位于下游坡脚附近，水流由下向上，由于地面临空，所以最易发生渗透变形，一般变形由此处开始并可能向坝下发展：所以应重点确定该段的实际水力梯度。坝基地层结构和各层渗透系数的变化，基础轮廓的不同，都影响水力梯度的分布。因而坝基各点实际水力梯度的分布由于受一系列因素的控制，是十分复
杂的。
防治原则主要是改变渗流的水动力条件，减少动水压力即降低水力梯度；改变土体结构，提高抗渗能力。渗透变形的防治措施，原则上可分为三类：第一类措施是改变渗流的水动力条件；第二类措施是保护渗流出口；第三类措施是攻善土石性质．它们都要根据工程类别和地质条件来具体处理。下面介绍几类工程防治措施，第一，建筑物基坑及地下巷道施工时流砂防治措施，这种防治措施主要是采取人工降低地下水位的办法，使之低于基墓坑底板以下。这种措施既可防治流砂，又防止了地下水涌入基坑。也可采用板桩防护措施。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进．也有采用冻结法或电动硅化法改善砂土性质，使施工顺利进行。第二，抽水井防止管涌的措施，这种措施是在过滤管与井壁间隙内允填反滤料。以保护渗流出口。反滤料的粒径选择必须要考虑到被保护的含水层中潜蚀颗粒的大小，使细颗粒不能穿过反滤料孔隙为原则。若被保护管涌土层为非主要含水层，那么最好用止水措施，将其与过滤管隔绝。第三，水工建筑物(土石坝)防治渗透变形的措施，这类建筑物因修筑于河谷地段，河流相堆积物以无粘性土为主。由于建坝后库水位抬高，坝前、后附近水力梯度较大，所以防治渗透变形的意义更大。主要的防治措施有：垂直截渗、水平铺盖、排水减压和反滤盖重以及物理、化学方法改造冻结、电动硅化、灌浆（化学浆液）等。
垂直截渗：常用的方法有粘土截水槽、灌浆帷幕和混凝土防渗墙等。粘土截水槽常用于透水性很强，抗管涌能力差、隔水层埋藏较浅的沙卵石坝基．其结构视土石坝的结构而定。截水槽一定要作到下伏的隔水晨中，形成一个封闭系统．必须注意隔水层的完整性和渗透性；灌浆帷幕适用于大多数松散土体坝墓．砂卵石坝基采用水泥和粘土的混合浆灌注，而中细砂层必须采用化学浆液(如丙凝)灌注．由于灌浆压力较大，故这种方法最好在冲积层较厚的情况下使用。混凝土防渗墙适用于砂卵石坝基，其常用的施工方法是槽孔法 。堤身垂直防渗。垂直防渗特别适用于地基透水层较薄、隔水层较浅的情况，此时可以做成封闭式防渗幕墙，堤基的渗流量和扬压力可以得到有效控制，从而可以达到根治堤基渗透破坏的目的。对双层或多层透水地基且透水层较深的情况，悬挂式垂直防渗幕墙的效果很差，封闭式垂直防渗难度大且造价太高，不宜采用。对多层地基且存在浅层
弱透水层的情况，可以考虑半封闭式垂直防渗，但必须在勘察资料充分并经渗流计算充分论证后方可采用。垂直防渗应布置在临水堤脚或堤顶靠临水侧。垂直防渗的位置宜布置在临水堤脚或堤顶尽量靠近临水侧，并与堤身防渗体连成一体。根据近几年的实践，比较经济合理有效的堤身垂直防渗技术有：锥探灌浆、劈裂灌浆、和垂直铺塑等。（如图）
锥探灌浆：
在堤顶采用梅花
形方式布孔并进
行充填灌浆。实
践证明，锥探灌浆是处理堤身隐患的一个比较有效的方法，但由于钻孔数量多往往造价较高。劈裂灌浆：沿堤顶轴线单排布孔，利用灌浆压力将堤身沿其走向劈开并灌浆，从而在堤身内沿其走向形成一厚度10cm左右的防渗幕。同时还具有压密堤身和充填洞穴的作用，可获得事半功倍的效果。该方法已经在许多堤防和土坝中得到应用，效果明显。垂直铺塑：在堤顶沿大堤走向用开槽机在堤身内垂直成槽，然后铺设土工膜并用粘土浆回填，从而达到降低堤身渗流量和浸润线的目的。该方法已经在黄河大堤上采用并取得较好的效果。垂直防渗：垂直防渗特别适用于地基透水层较薄、隔水层较浅的情况，此时可以做成封闭式防渗幕墙，堤基的渗流量和扬压力可以得到有效控制，从而可以达到根治堤基渗透破坏的目的（图A）。对双层或多层透水地基且透水层较深的情况，悬挂式垂直防渗幕墙的效果很差，封闭式垂直防渗难度大且造价太高，不宜采用。对多层地基且存在浅层弱透水层的情况，可以考虑半封闭式垂直防渗，但必须在勘察资料充分并经渗流计算充分论证后方可采用。垂直防渗应布置在临水堤脚或堤顶靠临水侧。
水平铺盖：当透水层很厚，垂直截渗措施难以奏效时，常采用此措施。其方法是在坝上游设置粘性土铺盖，
其渗透系数比透水地基小2—3
个数量级，并与坝体的防渗斜
墙搭接。（如图）这种措施只是
加长渗径而减小水力梯度，并
不能完全截断渗流，铺盖的长
度l一般为坝上下游水头差的5—10倍；其厚度t在上游末端为0.5—1m，与防渗斜墙搭接处应适当加厚。当坝胡河谷中丧层有分机稳定且厚度较大的粘性土覆盖时，则可利用它作天然的防渗铺盖。施工时一定要严格禁止破坏该覆盖层。
堤基防治工程的设计与施工，堤基除险加固的措施有：临水侧防渗铺盖、垂直防渗、背水侧压渗盖重、排水减压沟和减压井等。临水侧防渗铺盖：如果封闭式垂直防渗幕墙不尽合理，背水侧又无条件做压渗盖重，而临水侧有稳定的外滩时，可以采用临水侧防渗铺盖来减小背水侧堤基的出逸比降和地基渗流量，但其效果有一定限度。对近似均质透水堤基，临水侧铺盖的效果比较明显，当表层地层的渗透系数小于深部地层较多时，临水侧铺盖的效果将降低。设计考虑，采用临水侧防渗铺盖时，一般应结合背水侧的渗流控制措施，如压渗盖重和减压沟或减压井，以达到有效控制堤基渗流、防止管涌破坏和经济合理的目的。
临水侧防渗铺盖的效果取决于其长度、厚度和垂直向的渗透系数，并与堤基土体的分层性及渗透性有关，设计时应通过计算确定，并应满足地基、铺盖以及铺盖与地基之间的渗透稳定要求。当利用天然弱透水层作为防渗铺盖时，应查明天然弱透水层及下卧透水层的分布、厚度、级配、渗透系数和允许渗透比降等情况，在天然铺盖不足的部位应采用人工铺盖进行补强。在缺乏防渗土料的地区可以用土工膜做防渗材料，但土工膜的上部必须设置保护层。铺盖土料应具有一定的防渗性能，通常其渗透系数最好不大于1×10－5cm/s，如果渗透系数过大，即使加长铺盖其防渗效果也不会有大的增加。铺盖应采用不等厚形式，远离堤脚处应薄一些，但不应小于0.5～1.0m，近堤脚处应厚一些，并应考虑与堤身防渗连成一体。铺盖设计时，一般先根据净水头和堤基的允许水力比降初步确定所需的等效长度，然后通过经济比较选择铺盖的长度、厚度和铺盖的渗透系数，最后对铺盖本身的渗透稳定性进行校核。对粉质壤土修筑的铺盖，其允许水力比降为4～6。
施工考虑，当已经存在不透水的天然铺盖时，应对其进行仔细检查，看是否存在缺失区、树根孔洞、塌坑等通向透水地基的渗流通道，如果有，应采用不透水材料进行充填或覆盖。外滩取土必须在铺盖长度范围以外，以保证铺盖的整体防渗功能。铺盖施工应采用分层铺筑的方法，依靠运输与摊铺机械的行使压实。铺盖与堤身防渗斜墙连接处宜选用相同的材料。
背水侧压渗盖重，当没有必要采用封闭式垂直防渗幕墙或其造价太高时，可以采用背水侧压渗盖重的方法，来防止堤基渗流对表土层的渗透破坏。如果所需盖竽太长，应考虑与减压沟井联合使用的方法。其他的背水侧渗流控制措施，对堤身高度较大的情况，可以设置两层压渗盖重平台。这种方法在堤防工程中广为应用，效果明显。压渗盖重的形式很多，可以由不透水的变换到完全自由排水的。其形式的选择，取决于材料的料源及每种形式的费用大小。
排水减压:常用的方法有排水沟和减压井，它们的作用是吸收渗径和减小逸出段的实际水力梯度。排水减压措施应根据地层结沟选择不同的形式。如果坝基为单一透水结构或透水层上覆粘性上较薄的双层结构，可以在下游坝脚附近开挖排水沟，使之与透水层连通，以有效地降低浸润曲线和水头。如果双层结构的上层粘性上厚度较大，则应采用排水沟和减压井相结合的方法。减压井的位置在不影响坝坡稳定性的条件下，应尽量靠近坝脚，并且要平行坝轴线方向布置。井距一般为15—30m，井径200—300mm。
贴坡排水，为避免渗水对堤坡的冲刷和渗流出口发生流土破坏，可以采用贴坡反滤进行处理。施工时应清除堤坡表面的草皮、杂物，清除深度10～20cm，贴坡反滤的高度应高出最高的渗流出逸点0.5～1.0m，长度应超出散浸堤段两端至少3m。根据反滤材料不同，有以下两种方法可供选用：第一，砂砾料贴坡排水: 砂砾料贴坡排水的各层厚度如图A所示。褥垫排水的设计、材料的选用、反滤层铺设施工等的有关细节，请参见反滤层的设计与施工。土工织物贴坡排水。
透水后戗， 亦称透水压浸平台。它既能防止散浸造成的渗透破坏，又能加大堤身断面从而达到稳定堤坡的目的。一般适用于散浸严重、堤身断面单薄、背水坡较陡、外滩狭窄的情况。透水后戗应采用比堤身透水性大的材料填筑，高度应高出渗水的最高出逸点0.5～1.0m，顶宽2～4m，坡度1:3～1:5，长度应超出散浸堤段两端各5m。戗体材料渗透性大断面可小一些，相反则应大一些。当堤身较高时可采用两级或多级戗台。施工时应清除堤坡上的草皮和杂物，清除深度10～20cm。填筑戗体时应进行压实，相对密度不小于0.65。
水平排水，这种方法只有在堤坝加高培厚和增设压渗台时才可能应用。水平排水不但可以降低堤身的浸润线，对透水堤基还可以有效降低堤基的出逸比降，但会使堤基的渗流量有所增加。采用水平排水可以减小压渗戗台的工程量，如图所示。水平排水的长度、厚度应根据渗流计算来确定。
反滤盖重：在渗流逸出段分层铺设几层粒径不同的砂砾石层，层界面应与渗流方向正交，粒径由细到粗，常设置三层，即为反滤层．典型的反滤层结构如图6-25所示。反滤层是保护渗流出口的有效措施，它既呵以保证排水通畅，降低逸出水力梯度，又起到盖重的作用．专门盖重措施是在坝后用粘土或碎石填压，增加荷重，以防止被保护层浮动。
反滤层的设计与施工 ，在导渗沟、贴坡反滤、减压沟、减压井等的设计中均有反滤层的设计问题，为此专门进行讨论。反滤层是排水设备的主要组成部分，其作用是滤土排水，防止渗流逸出处遭受渗透破坏以及渗流造成的表面水流冲刷。对有承压水的地层还起压重作用。对反滤层的要求：(1)透水性应大于被保护土，并能将渗透水流通畅排出；(2)使被保护的土层不发生渗透变形；(3)不致被细颗粒淤塞失效；划分反滤层类型的目的主要是为了合理地确定反滤层数，因此只分两种类型。(1)Ⅰ型反滤：其特点是反滤层位于被保护土层的下部，渗流方向主要由上向下。如褥垫排水(2)Ⅱ型反滤：其特点是反滤层位于被保护土层的上部，渗流方向主要由下向上。如减压沟的反滤层。（如图）渗流方向近乎水平或倾斜
向，反滤层近乎垂直或倾斜向的情况，属于过渡型，如减压井、贴坡反滤等，可归为Ⅰ型。
反滤层的设计可分为保护无粘性土和保护粘性土两大类，设计内容有：(1)确定反滤层的类型；(2)根据滤土准则，确定反滤层的级配或选择土工织物产品。并据以选择宜于作反滤层的天然料场或确定人工筛选的任务。(3)对砂砾反滤料确定反滤层的厚度和层数；(4)鉴定反滤料的透水性，对土工织物反滤层还应鉴定淤堵性；(5)有纵向渗流时，鉴定沿反滤层和被保护土层接触面的冲刷稳定性。
砂砾料反滤层的设计与施工分为反滤料的选择及反滤层厚度的确定和施工要求。对于被保护土的第一层反滤料，建议用下列方法确定： D15/d85≤4～5
D15/d15≥5
式中：D15为过筛重量占15％时的反滤料粒径，d85为过筛重量占85％时的被保护土的颗粒直径；d15为过筛重量占15％时的被保护土的颗粒粒径。当选择第二、三层反滤料时，可同样按以上方法确定。但选择第二层反滤时第一层反滤为被保护土，选择第三层反滤时第二层反滤为被保护土。反滤层的厚度应根据反滤料的级配、料源、用途、施工方法等情况综合考虑确定。水平反滤层的最小厚度可采用30cm
，垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用50cm。采用推土机平料时，
最小水平宽度宜不小于3.0m。反滤料应具有要求的级配，且小于0.1毫米的颗粒含量不大于5％，并有要求的透水性。质地应致密坚硬，具有高度的抗水性和抗风化能力，风化料一般不能用作反滤料，如必须应用时应进行充分论证。反滤料宜尽量利用天然砂砾料筛选，在缺乏天然砂砾料时，也可以采用人工砂石料，但应选用抗水性和抗风化能力强的母岩轧制。
铺反滤层前应采用挖除法将基面整平，对个别低洼处采用与基面相同的土料或第一层反滤料进行填平。铺筑时应由底部向上逐层铺设，并保证层次清楚，互不混杂，不得从高出顺坡倾倒，以免发生填筑分离。对反滤层必须进行压实，在施工中应防止雨水冲泥等污染反滤料。
堤身防治工程的设计与施工，堤身渗透破坏的除险加固措施主要有：临水坡斜墙防渗、堤身垂直防渗、贴坡排水、透水后戗（压浸台）、水平排水等，对堤身缺陷可以采用回填或灌浆的办法进行处理：防渗斜墙的设计考虑对临水侧有铺盖或地基有垂直防渗的情况，斜墙应与其连成一体，构成完整的防渗体系，以提高防渗效果。斜墙的尺寸应根据散浸的范围、出渗点的高度和渗水的严重程度经计算确定，长度至少超过渗水段两端各5m，高度应超过设防水位0.5～1.0m。对粘土斜墙，垂直于堤坡方向的厚度为1～2m，坡度与原堤身相当或稍缓。为防止粘土斜墙干裂、冻裂和其它侵害的影响，应设壤土保护层，一般情况，保护层高于墙顶1.0～1.5m，垂直堤坡方向的厚度为0.8m。从施工考虑，施工时应首先清除边坡和坡脚附近的杂草、树木等杂物，清除厚度10～20cm，并适当整平。斜墙应选用粘性较大的土料且不得含植物根茎等杂质，填筑压实度应不小于0.94，含水率与最优含水率的允许偏差为±3％。当用土工膜作隔渗层建造斜墙时，土工膜幅间的拼接应采取焊接或粘接方式，确保施工质量，并注意施工中不要损坏土工膜。另外还需保证土工膜与堤身牢固接合，并采取防止生物破坏的措施。
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地 质 学 基 础
曹丽雯老师
名： 王 美
号： 05092099
地质工程09-5班
院： 资源与地球科学学院
二零一二年四月
程 专业教师：姓学专业年级：学
探析渗透变形工程防治
关键字：渗透变形 渗流 工程防治
摘要：土体抵抗渗透变形的能力叫抗渗强度，其大小取决于土的颗粒组成、排列方式、物理力学性质及地下水流向等．在渗流作用下，土体的渗透稳定性决定于动水压力与抗渗强度之间矛盾的发展演化过程。由此产生的工程地质问题，就是渗透稳定性问题。
地下水在渗流过程中对岩土体作用的力，引起渗透变形的驱动力，称渗透力(seepage force)或动水压力(hydrodynamic force)。岩土体在地下水渗透力（动水压力）的作用下，当此作用力达到一定值时，岩土中一些颗粒，甚至整体就发生移动，从而引起卷土体的变形和破坏，表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等，这种作用或现象，称之为渗透变形(seepege deformstion)或渗透破坏(seepage failure)。动水压力的大小主要取决于地下水的水力梯度。
在自然界中，渗透变形现象一般发生在无粘性土和亚砂土中，像“黄土喀斯特现象”，河流阶地上的“碟形洼地”和覆盖岩溶区的“土洞”等现象均属之。由于人类工程—经济活动使渗流加强，从而产生的渗透变形问题较多。如基坑开挖时的流砂现象，因矿山排水或汲取地下水在覆盖岩溶区产生的地面塌陷。土石坝坝基的渗透稳定性问题等．这种现象不但在松散土体中发生，而且在基岩的断裂破碎带和风化壳中也可能发生。目前国内外对渗透变形型式的认识和划分尚未统一，但一般说来应分为管涌和流土两种基本型式。
在渗流作用下单个生颗粒发生独立移动的现象
（如图），叫管涌(piping)或潜蚀．管涌较普遍地发
生在不均匀的砂层或砂卵(砾)石层中，细粒物质从
粗粒骨架孔隙中被渗流携走，使土体的孔隙和孔隙
度都增大，强度降低，发展下去，会使土体呈现“架
空结构”，甚至导致地面塌陷。
根据渗流方向与重力方向的关系，可将管涌分为垂直管涌和水平管涌．土石坝坝基渗流图形，其渗流方向在坝前(上游)由上向下，与重力方向一致；在坝底下为水平方向，在坝后(下游)由下向上，与重力方向相反．由于坝前的渗流对土层起压密作用，不至于发生渗透变形现象。但是，在坝底下和坝眉地段则可能发
生渗透变形，尤其是坝后的渗流对土颗粒起上托作用，使之易于松动、悬浮、被携出地表，即为垂直管涌．而坝底下的细粒物质从粗粒骨架孔隙中被渗流携走的现象，即为水平管涌。
在透水性相差较大的两种土层接触而上，在渗流作用下还会发生接触管涌，根据渗流方向与土层接触面的关系，接触管涌又可分为垂直接触管涌和平行接触管涌．在垂直于土层接触面的渗流作用下，细粒土层的单个颗粒向粗粒土层孔隙移动的现象，称为垂直接触管涌；如汲水井孔四周的砂土层颗粒向过滤管外反滤料的管涌即是
在平行于粗、细粒土层接触面的渗流作用下，由于粗粒土层的渗透速度较细粒土层大得多，而使接触面附近的细粒土层中的颗粒被携走的现象，称之为平行接触管涌，如双层结构坝基水平渗流段的管涌即是。
在渗流作用下一定体积的土体同时发生移动的现象（如图），叫流土
(quicksoil)或硫砂(quick
sand)。流土一般发生在均质砂土
层和亚砂土层中。它可使土体完
全丧失强度，而危及建筑物的安
全，因此危害性较管涌大．如建
筑物基坑开挖或地下巷道掘进时发生的流砂现象即是溃坝的原因是第二层透水性较强的粉质亚砂土出露于坝下游排水沟边坡，大部分渗水均从该排水沟边坡逸出；施工时库内取土，破坏了表土层(亚砂土)，使库水沿上游的取土槽及坝踵附近以最短渗径向下游渗透．由于排水沟又无反滤层保护，破坏了渗流出口，粉质亚砂土在沙透力作用下被水流携出，并不断向上游发展，最终沿该以底部与龟裂土的顶部形成集中渗流通道，严重的流土而招致溃坝。
渗透变形也给地下巷道掘进和矿山作业带来很大危害，同时影响到地面建筑物的安全。1074年苏联列宁格勒市兴建地下铁道时，在地下80m深处于人工冻结的流砂层掘进巷道，但由于某一地段上的流砂未完全冻结而造成破裂，数千方流砂快速涌进，已掘进好的巷道，同时在地面形成了塌陷漏斗．我国淮南煤矿一竖井，位于淮河泛滥淤积的粉细砂土中，60年代施工时亦遇流砂涌入，引起四周地面下陷达1.4m。井筒四周的板桩沉陷变形，后来采用电动硅化法改良土质，
才得以继续掘进。渗透变形是十种可以影响建筑物和人民生命财产安全的工程动力地拉作用。渗透变形产生的条件，渗透变形的预测和防治措施等问题。
渗透变形预测是渗透稳定性评价的主要内容．在工程兴建以前必须预测场地或地基渗透变形的可能性，以便采取相应的防治措施。保障建筑物安全。此项工作，对于水工建筑物来说尤为重要。坝基工程渗透变形预测的步骤大体是这样的：首先根据土体的类型和性质，判定是否易于产生渗透变形及渗透变形的类型，随后确定坝基各点，主要是下游坝脚处的实际水力梯度；确定临界水力梯度和允许水力梯度；根据实际水力梯，度与允许水力梯度的比较，圈定出可能发生渗透变形的范围。
判定渗透变形的可能性及类型，颗粒分析的结果绘制成累积曲线和分布曲线后，即可根据曲线的形状或计算的特征值来判定渗透变形的可能性及渗透变形的类型，从累积曲线可知，凡属“瀑布式”者产生管涌：凡属“直线式“者不产生管涌，而在较高的梯度下产生流土；凡属于“阶梯式”者多为管涌，有时为流土(曲线向细粒方向缓坡延长者管涌，较大角度与横坐标相交者流土)。根据分布曲线，呈陡峭单峰的砂土一般木发生管涌，而双峰或多蜂且缺乏中间粒径者为“危险性管涌土”。除上分析外，也可根据累积曲线和分布曲线计算出的细颗粒百分含量及不均粒系数，下按上节所述方
法来判别海透变形的类型。在土坝上
下游水头整作用下，坝基渗流产生水
力坡降，共梯度值在各点是不相同的，
渗流路径的方向可分坝的渗入段，坝
基中部水平渗流段和坝后渗沉逸出
段。（如图）
其中坝前渗入段水流方向由上
向下，使土体压密．坝基中部水平渗流段，有使土粒向下游移动构趋势．坝后渗流逸出段位于下游坡脚附近，水流由下向上，由于地面临空，所以最易发生渗透变形，一般变形由此处开始并可能向坝下发展：所以应重点确定该段的实际水力梯度。坝基地层结构和各层渗透系数的变化，基础轮廓的不同，都影响水力梯度的分布。因而坝基各点实际水力梯度的分布由于受一系列因素的控制，是十分复
杂的。
防治原则主要是改变渗流的水动力条件，减少动水压力即降低水力梯度；改变土体结构，提高抗渗能力。渗透变形的防治措施，原则上可分为三类：第一类措施是改变渗流的水动力条件；第二类措施是保护渗流出口；第三类措施是攻善土石性质．它们都要根据工程类别和地质条件来具体处理。下面介绍几类工程防治措施，第一，建筑物基坑及地下巷道施工时流砂防治措施，这种防治措施主要是采取人工降低地下水位的办法，使之低于基墓坑底板以下。这种措施既可防治流砂，又防止了地下水涌入基坑。也可采用板桩防护措施。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进．也有采用冻结法或电动硅化法改善砂土性质，使施工顺利进行。第二，抽水井防止管涌的措施，这种措施是在过滤管与井壁间隙内允填反滤料。以保护渗流出口。反滤料的粒径选择必须要考虑到被保护的含水层中潜蚀颗粒的大小，使细颗粒不能穿过反滤料孔隙为原则。若被保护管涌土层为非主要含水层，那么最好用止水措施，将其与过滤管隔绝。第三，水工建筑物(土石坝)防治渗透变形的措施，这类建筑物因修筑于河谷地段，河流相堆积物以无粘性土为主。由于建坝后库水位抬高，坝前、后附近水力梯度较大，所以防治渗透变形的意义更大。主要的防治措施有：垂直截渗、水平铺盖、排水减压和反滤盖重以及物理、化学方法改造冻结、电动硅化、灌浆（化学浆液）等。
垂直截渗：常用的方法有粘土截水槽、灌浆帷幕和混凝土防渗墙等。粘土截水槽常用于透水性很强，抗管涌能力差、隔水层埋藏较浅的沙卵石坝基．其结构视土石坝的结构而定。截水槽一定要作到下伏的隔水晨中，形成一个封闭系统．必须注意隔水层的完整性和渗透性；灌浆帷幕适用于大多数松散土体坝墓．砂卵石坝基采用水泥和粘土的混合浆灌注，而中细砂层必须采用化学浆液(如丙凝)灌注．由于灌浆压力较大，故这种方法最好在冲积层较厚的情况下使用。混凝土防渗墙适用于砂卵石坝基，其常用的施工方法是槽孔法 。堤身垂直防渗。垂直防渗特别适用于地基透水层较薄、隔水层较浅的情况，此时可以做成封闭式防渗幕墙，堤基的渗流量和扬压力可以得到有效控制，从而可以达到根治堤基渗透破坏的目的。对双层或多层透水地基且透水层较深的情况，悬挂式垂直防渗幕墙的效果很差，封闭式垂直防渗难度大且造价太高，不宜采用。对多层地基且存在浅层
弱透水层的情况，可以考虑半封闭式垂直防渗，但必须在勘察资料充分并经渗流计算充分论证后方可采用。垂直防渗应布置在临水堤脚或堤顶靠临水侧。垂直防渗的位置宜布置在临水堤脚或堤顶尽量靠近临水侧，并与堤身防渗体连成一体。根据近几年的实践，比较经济合理有效的堤身垂直防渗技术有：锥探灌浆、劈裂灌浆、和垂直铺塑等。（如图）
锥探灌浆：
在堤顶采用梅花
形方式布孔并进
行充填灌浆。实
践证明，锥探灌浆是处理堤身隐患的一个比较有效的方法，但由于钻孔数量多往往造价较高。劈裂灌浆：沿堤顶轴线单排布孔，利用灌浆压力将堤身沿其走向劈开并灌浆，从而在堤身内沿其走向形成一厚度10cm左右的防渗幕。同时还具有压密堤身和充填洞穴的作用，可获得事半功倍的效果。该方法已经在许多堤防和土坝中得到应用，效果明显。垂直铺塑：在堤顶沿大堤走向用开槽机在堤身内垂直成槽，然后铺设土工膜并用粘土浆回填，从而达到降低堤身渗流量和浸润线的目的。该方法已经在黄河大堤上采用并取得较好的效果。垂直防渗：垂直防渗特别适用于地基透水层较薄、隔水层较浅的情况，此时可以做成封闭式防渗幕墙，堤基的渗流量和扬压力可以得到有效控制，从而可以达到根治堤基渗透破坏的目的（图A）。对双层或多层透水地基且透水层较深的情况，悬挂式垂直防渗幕墙的效果很差，封闭式垂直防渗难度大且造价太高，不宜采用。对多层地基且存在浅层弱透水层的情况，可以考虑半封闭式垂直防渗，但必须在勘察资料充分并经渗流计算充分论证后方可采用。垂直防渗应布置在临水堤脚或堤顶靠临水侧。
水平铺盖：当透水层很厚，垂直截渗措施难以奏效时，常采用此措施。其方法是在坝上游设置粘性土铺盖，
其渗透系数比透水地基小2—3
个数量级，并与坝体的防渗斜
墙搭接。（如图）这种措施只是
加长渗径而减小水力梯度，并
不能完全截断渗流，铺盖的长
度l一般为坝上下游水头差的5—10倍；其厚度t在上游末端为0.5—1m，与防渗斜墙搭接处应适当加厚。当坝胡河谷中丧层有分机稳定且厚度较大的粘性土覆盖时，则可利用它作天然的防渗铺盖。施工时一定要严格禁止破坏该覆盖层。
堤基防治工程的设计与施工，堤基除险加固的措施有：临水侧防渗铺盖、垂直防渗、背水侧压渗盖重、排水减压沟和减压井等。临水侧防渗铺盖：如果封闭式垂直防渗幕墙不尽合理，背水侧又无条件做压渗盖重，而临水侧有稳定的外滩时，可以采用临水侧防渗铺盖来减小背水侧堤基的出逸比降和地基渗流量，但其效果有一定限度。对近似均质透水堤基，临水侧铺盖的效果比较明显，当表层地层的渗透系数小于深部地层较多时，临水侧铺盖的效果将降低。设计考虑，采用临水侧防渗铺盖时，一般应结合背水侧的渗流控制措施，如压渗盖重和减压沟或减压井，以达到有效控制堤基渗流、防止管涌破坏和经济合理的目的。
临水侧防渗铺盖的效果取决于其长度、厚度和垂直向的渗透系数，并与堤基土体的分层性及渗透性有关，设计时应通过计算确定，并应满足地基、铺盖以及铺盖与地基之间的渗透稳定要求。当利用天然弱透水层作为防渗铺盖时，应查明天然弱透水层及下卧透水层的分布、厚度、级配、渗透系数和允许渗透比降等情况，在天然铺盖不足的部位应采用人工铺盖进行补强。在缺乏防渗土料的地区可以用土工膜做防渗材料，但土工膜的上部必须设置保护层。铺盖土料应具有一定的防渗性能，通常其渗透系数最好不大于1×10－5cm/s，如果渗透系数过大，即使加长铺盖其防渗效果也不会有大的增加。铺盖应采用不等厚形式，远离堤脚处应薄一些，但不应小于0.5～1.0m，近堤脚处应厚一些，并应考虑与堤身防渗连成一体。铺盖设计时，一般先根据净水头和堤基的允许水力比降初步确定所需的等效长度，然后通过经济比较选择铺盖的长度、厚度和铺盖的渗透系数，最后对铺盖本身的渗透稳定性进行校核。对粉质壤土修筑的铺盖，其允许水力比降为4～6。
施工考虑，当已经存在不透水的天然铺盖时，应对其进行仔细检查，看是否存在缺失区、树根孔洞、塌坑等通向透水地基的渗流通道，如果有，应采用不透水材料进行充填或覆盖。外滩取土必须在铺盖长度范围以外，以保证铺盖的整体防渗功能。铺盖施工应采用分层铺筑的方法，依靠运输与摊铺机械的行使压实。铺盖与堤身防渗斜墙连接处宜选用相同的材料。
背水侧压渗盖重，当没有必要采用封闭式垂直防渗幕墙或其造价太高时，可以采用背水侧压渗盖重的方法，来防止堤基渗流对表土层的渗透破坏。如果所需盖竽太长，应考虑与减压沟井联合使用的方法。其他的背水侧渗流控制措施，对堤身高度较大的情况，可以设置两层压渗盖重平台。这种方法在堤防工程中广为应用，效果明显。压渗盖重的形式很多，可以由不透水的变换到完全自由排水的。其形式的选择，取决于材料的料源及每种形式的费用大小。
排水减压:常用的方法有排水沟和减压井，它们的作用是吸收渗径和减小逸出段的实际水力梯度。排水减压措施应根据地层结沟选择不同的形式。如果坝基为单一透水结构或透水层上覆粘性上较薄的双层结构，可以在下游坝脚附近开挖排水沟，使之与透水层连通，以有效地降低浸润曲线和水头。如果双层结构的上层粘性上厚度较大，则应采用排水沟和减压井相结合的方法。减压井的位置在不影响坝坡稳定性的条件下，应尽量靠近坝脚，并且要平行坝轴线方向布置。井距一般为15—30m，井径200—300mm。
贴坡排水，为避免渗水对堤坡的冲刷和渗流出口发生流土破坏，可以采用贴坡反滤进行处理。施工时应清除堤坡表面的草皮、杂物，清除深度10～20cm，贴坡反滤的高度应高出最高的渗流出逸点0.5～1.0m，长度应超出散浸堤段两端至少3m。根据反滤材料不同，有以下两种方法可供选用：第一，砂砾料贴坡排水: 砂砾料贴坡排水的各层厚度如图A所示。褥垫排水的设计、材料的选用、反滤层铺设施工等的有关细节，请参见反滤层的设计与施工。土工织物贴坡排水。
透水后戗， 亦称透水压浸平台。它既能防止散浸造成的渗透破坏，又能加大堤身断面从而达到稳定堤坡的目的。一般适用于散浸严重、堤身断面单薄、背水坡较陡、外滩狭窄的情况。透水后戗应采用比堤身透水性大的材料填筑，高度应高出渗水的最高出逸点0.5～1.0m，顶宽2～4m，坡度1:3～1:5，长度应超出散浸堤段两端各5m。戗体材料渗透性大断面可小一些，相反则应大一些。当堤身较高时可采用两级或多级戗台。施工时应清除堤坡上的草皮和杂物，清除深度10～20cm。填筑戗体时应进行压实，相对密度不小于0.65。
水平排水，这种方法只有在堤坝加高培厚和增设压渗台时才可能应用。水平排水不但可以降低堤身的浸润线，对透水堤基还可以有效降低堤基的出逸比降，但会使堤基的渗流量有所增加。采用水平排水可以减小压渗戗台的工程量，如图所示。水平排水的长度、厚度应根据渗流计算来确定。
反滤盖重：在渗流逸出段分层铺设几层粒径不同的砂砾石层，层界面应与渗流方向正交，粒径由细到粗，常设置三层，即为反滤层．典型的反滤层结构如图6-25所示。反滤层是保护渗流出口的有效措施，它既呵以保证排水通畅，降低逸出水力梯度，又起到盖重的作用．专门盖重措施是在坝后用粘土或碎石填压，增加荷重，以防止被保护层浮动。
反滤层的设计与施工 ，在导渗沟、贴坡反滤、减压沟、减压井等的设计中均有反滤层的设计问题，为此专门进行讨论。反滤层是排水设备的主要组成部分，其作用是滤土排水，防止渗流逸出处遭受渗透破坏以及渗流造成的表面水流冲刷。对有承压水的地层还起压重作用。对反滤层的要求：(1)透水性应大于被保护土，并能将渗透水流通畅排出；(2)使被保护的土层不发生渗透变形；(3)不致被细颗粒淤塞失效；划分反滤层类型的目的主要是为了合理地确定反滤层数，因此只分两种类型。(1)Ⅰ型反滤：其特点是反滤层位于被保护土层的下部，渗流方向主要由上向下。如褥垫排水(2)Ⅱ型反滤：其特点是反滤层位于被保护土层的上部，渗流方向主要由下向上。如减压沟的反滤层。（如图）渗流方向近乎水平或倾斜
向，反滤层近乎垂直或倾斜向的情况，属于过渡型，如减压井、贴坡反滤等，可归为Ⅰ型。
反滤层的设计可分为保护无粘性土和保护粘性土两大类，设计内容有：(1)确定反滤层的类型；(2)根据滤土准则，确定反滤层的级配或选择土工织物产品。并据以选择宜于作反滤层的天然料场或确定人工筛选的任务。(3)对砂砾反滤料确定反滤层的厚度和层数；(4)鉴定反滤料的透水性，对土工织物反滤层还应鉴定淤堵性；(5)有纵向渗流时，鉴定沿反滤层和被保护土层接触面的冲刷稳定性。
砂砾料反滤层的设计与施工分为反滤料的选择及反滤层厚度的确定和施工要求。对于被保护土的第一层反滤料，建议用下列方法确定： D15/d85≤4～5
D15/d15≥5
式中：D15为过筛重量占15％时的反滤料粒径，d85为过筛重量占85％时的被保护土的颗粒直径；d15为过筛重量占15％时的被保护土的颗粒粒径。当选择第二、三层反滤料时，可同样按以上方法确定。但选择第二层反滤时第一层反滤为被保护土，选择第三层反滤时第二层反滤为被保护土。反滤层的厚度应根据反滤料的级配、料源、用途、施工方法等情况综合考虑确定。水平反滤层的最小厚度可采用30cm
，垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用50cm。采用推土机平料时，
最小水平宽度宜不小于3.0m。反滤料应具有要求的级配，且小于0.1毫米的颗粒含量不大于5％，并有要求的透水性。质地应致密坚硬，具有高度的抗水性和抗风化能力，风化料一般不能用作反滤料，如必须应用时应进行充分论证。反滤料宜尽量利用天然砂砾料筛选，在缺乏天然砂砾料时，也可以采用人工砂石料，但应选用抗水性和抗风化能力强的母岩轧制。
铺反滤层前应采用挖除法将基面整平，对个别低洼处采用与基面相同的土料或第一层反滤料进行填平。铺筑时应由底部向上逐层铺设，并保证层次清楚，互不混杂，不得从高出顺坡倾倒，以免发生填筑分离。对反滤层必须进行压实，在施工中应防止雨水冲泥等污染反滤料。
堤身防治工程的设计与施工，堤身渗透破坏的除险加固措施主要有：临水坡斜墙防渗、堤身垂直防渗、贴坡排水、透水后戗（压浸台）、水平排水等，对堤身缺陷可以采用回填或灌浆的办法进行处理：防渗斜墙的设计考虑对临水侧有铺盖或地基有垂直防渗的情况，斜墙应与其连成一体，构成完整的防渗体系，以提高防渗效果。斜墙的尺寸应根据散浸的范围、出渗点的高度和渗水的严重程度经计算确定，长度至少超过渗水段两端各5m，高度应超过设防水位0.5～1.0m。对粘土斜墙，垂直于堤坡方向的厚度为1～2m，坡度与原堤身相当或稍缓。为防止粘土斜墙干裂、冻裂和其它侵害的影响，应设壤土保护层，一般情况，保护层高于墙顶1.0～1.5m，垂直堤坡方向的厚度为0.8m。从施工考虑，施工时应首先清除边坡和坡脚附近的杂草、树木等杂物，清除厚度10～20cm，并适当整平。斜墙应选用粘性较大的土料且不得含植物根茎等杂质，填筑压实度应不小于0.94，含水率与最优含水率的允许偏差为±3％。当用土工膜作隔渗层建造斜墙时，土工膜幅间的拼接应采取焊接或粘接方式，确保施工质量，并注意施工中不要损坏土工膜。另外还需保证土工膜与堤身牢固接合，并采取防止生物破坏的措施。
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