2.4 渗透破坏及工程控制
渗流引起的渗透破坏问题主要分为两类：①由于渗流力作用使土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致土体变形甚至失稳；②由于渗流作用使水压力或浮力发生变化，导致土体或结构失稳。
2.4.1 渗透力
水在土体中流动时会由于克服土粒的阻力而消耗能量，引起水头损失，同时水流又会对土粒产生作用力，渗透力就是指渗透水流施加于单位体积土粒上的拖曳力，即单位体积土颗粒所受到的渗流作用力，也称为动水压力。
图2.11 渗透破坏试验原理
图2.11为渗透破坏试验装置。当h1=h2时，土中水处于静止状态，无渗流发生。当将贮水器提升到h1＞h2时，由于水位差的存在，土样中产生向上渗流，随着贮水器位置的不断提升，渗透水流速度会越来越快，直到土样表面出现类似于沸腾的现象，此时土样产生了流土破坏。
设土样截面积为A，厚为L，渗透水流流进和流出的水头损失为Δh，则土粒对渗透水流的阻力可以按下式确定
当忽略水体的惯性力时，渗流作用于土粒的总渗透力J和土粒对渗透水流的阻力F大小相等，即
由上式可得单位体积土粒所受到的渗透作用力为
式（2.30）的推导表明，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面的孔隙水压力差（外力）转化的结果。渗透力的量纲与γw相同，大小和水力坡降成正比，方向与渗流方向一致。
对于平面渗流，利用流网可以方便的求出任意网格上的渗透力及其作用方向。如图2.12为取自流网中的一个网格，已知任意两条等势线之间的水头降落为Δh，网格流线的平均长度为ΔL，单位厚度上网格土体的体积V=bΔl×1，则网格平均水力坡降i=Δh/Δl，作用于该网格形心、与流线平行的总渗透力为
上式表明，流网中各处的渗透力无论是大小还是方向均不相同，等势线越密的区域，水力坡降越大，因而渗透力也越大。
图2.12 流网中的渗透力计算
图2.13 闸基下渗流对土体稳定的影响
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。如图2.13中坝下渗流a点，渗透力方向与重力一致，渗透力可促使土体压密、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，使土粒有向下游移动的趋势，对稳定不利。c点的渗流力方向与重力相反，当渗透力大于土体的有效重度时土粒将被水流冲走。
2.4.2 渗透变形
渗透变形是指渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形的现象。根据土体局部破坏的特征，渗透变形大致可分为流土和管涌两种形式。
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。流土一般是以突发的形式发生在地基或土坝下游渗流出逸处，多发生于颗粒级配均匀的饱和细砂、粉砂和粉土层中。
流土的发生原理可通过图2.11所示的试验装置说明。
若图2.11中的贮水器不断上提，则Δh逐渐增大，从而作用在土体中的渗透力也逐渐增大。当达到j=γ′状态时，土体就处于发生浮起或破坏的临界状态，根据渗透力计算公式j=iγw可得此时的水力坡降为
式中：icr为开始发生流土的临界水力坡降。
已知土的有效重度γ′为
将上式代入式（2.32），可得到以三相比例指标表示的临界坡降icr为
上式表明流土的临界水力坡降取决于土的物理性质，例如砂土，ds约为2.66，e约为0.5～0.85，则icr一般在0.8～1.2之间。
在自下而上的渗流逸出处，如果出现i≥icr这一水力条件，流土就必然会发生。因此在工程设计中，为保证建筑物的安全，需将土的临界水力坡降考虑某一安全系数Fs作为允许水力坡降［i］。安全系数的取值与土的颗粒级配及工程的重要性有关，对于无黏性土，取值范围约为1.5～2.5［《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008）］。
实际设计中水力坡降i应控制在允许坡降［i］内，即
图2.14（a）为产生流土破坏的示意，河堤下游相对不透水层下面有一层强透水砂层，由于堤外水位高涨，造成水头增大，使得局部覆盖层被水流冲溃，砂土大量涌出，此种现象将危及堤防安全。
图2.14 渗透破坏示意
（a）流土；（b）管涌
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，慢慢形成一种贯通的渗流通道，掏空地基或坝体，造成土体塌陷。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，其发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏。
管涌多发生于砂性土中，特别是缺少某种中间粒径的砂性土，其产生必须具备两方面条件：①几何条件，即土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细粒土的直径；②水力条件，即存在能够带动细颗粒在孔隙间移动的渗透力。产生管涌的条件目前还缺乏完善的理论计算公式，发生管涌的临界水力梯度icr一般都是通过试验确定。图2.14（b）为河堤管涌破坏的示意，开始时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，逐渐在土体内部形成管状通道，带走大量砂粒，最后导致上部土体坍塌。
防治管涌一般都是从改变水力条件和改变几何条件两方面采取措施，如降低水力梯度，在逸出部位设反滤层等。
【例2.2】 某土坝地基土的比重ds=2.68，孔隙比e=0.78，下游渗流出口处经计算水力坡降i=0.3，若取安全系数Fs=2.5，试问该土坝地基出口处是否会发生流土破坏？
解：临界水力坡降
允许水力坡降
计算水力坡降i<［i］，故土坝地基出口处一般不会发生流土破坏。
【例2.3】 如图2.15所示试验装置，已知试验土样的有关指标为：dsA=dsB=2.68，eA=0.6、eB=0.85；A、B土样的截面积为A=100cm2，在稳定渗流条件下测得ΔhA=3cm、ΔhB=10cm。已知Δt=20s时的渗透水量Q=8cm3，试求A、B土样的渗透系数，并判断土样是否会发生流土破坏？
图2.15 ［例2.3］图
解：
（1）A、B土样的渗透系数。
（2）判别是否会发生流土。如图2.15所示装置形成的渗流向上。
对于B土样来说，可确定临界水力坡降为
由此求得安全系数
虽然安全系数FsB>1，但是由于不满足流土控制要求，所以B土样还是存在产生流土破坏的可能。
对于A土样来说，由于上面有B土样的压重，所以在判别是否产生流土时还需要综合考虑B土样的压重作用。若忽略B土样的压重作用，有
由此确定的安全系数
此时的安全系数FsA已经满足流土控制要求，加之上覆B土样的压重作用，故可以判断A试样产生流土破坏的可能性不大。
2.4.3 渗流产生的其他工程问题
渗流产生的工程问题除了上述流土（砂）和管涌（潜蚀）外，还包括地下水的浮托作用、承压水作用等。
地下水对建筑物基础产生浮托力一般按下述原则考虑：当建筑物位于粉土、砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基时，按设计水位的100%计算浮托力；当建筑物位于节理裂隙不发育的岩石地基时，按设计水位的50%计算浮托力；当建筑物位于黏性土地基时，其浮托力较难准确确定，应结合地区的实际经验考虑。
承压水的作用对开挖工程有较大影响，这部分内容将在第10章详细介绍。
2.4.4 防止渗透破坏的工程措施
对于渗流产生的各类工程问题，其防治路径都是从减小水头差、增长渗流路径、平衡渗透力、土体加固等方面考虑，具体的工程措施有下述一些做法。
1.减小水头差
图2.16是基坑开挖工程中通过明沟排水和井点降水等方法人工降低地下水位的示意，目的是减小水头差。明沟排水是在基坑内或基坑外设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出，如图2.16（a）所示。当基坑开挖较深时，为满足深层降水要求，可采用井点降水方法，即在基坑周围布置一排乃至几排井点，各抽水井的顶部相连，通过水泵从井中抽水降低水位，图2.16（b）为多级井点降水示意。井点的间距根据土的种类及要求降水的深度而定，一般取1～3m。
图2.16 基坑降水
（a）坑内明沟降水；（b）多级井点降水
2.增长渗流路径
图2.17为水工堤坝中常用的增长渗流路径的方法。
图2.17 增长渗流路径措施
（a）心墙坝设置混凝土防渗墙；（b）土坝设置黏土铺盖防渗
（1）设置垂直截渗。采用防渗墙、帷幕灌浆、板桩等截渗体完全或不完全截断透水层，达到延长渗径，降低上、下游的水力坡度的目的。图2.17（a）为心墙坝，通过设置完全截断透水层的混凝土防渗墙达到防渗效果。如果透水层深厚导致防渗墙不能截断透水层，也可以起到延长渗径的作用。
（2） 设置水平铺盖。在上游设置黏土水平铺盖与坝体防渗体连接，也可起延长水流渗透路径的作用，如图2.17（b）所示。
3.平衡渗透力
图2.18（a）为在水工建筑物下游设置减压井或深挖排水槽，以减小下游渗透压力。
图2.18（b）为采用土工布在水工建筑物下游设置反滤层以起到通畅水流和防止细粒流失的作用，反滤层也可由粒径不等的无黏性土组成。
图2.18 水工建筑物防渗措施
（a）土坝减压井；（b）堤防基础设置土工布反滤层
4.土层加固处理
常用土层加固处理措施有冻结、注浆等。