千里之堤毁于蚁穴（为什么千里之堤毁于蚁穴）

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为什么千里之堤毁于蚁穴？

——渗透变形的工程地质分析

2019年7月13号，水利部消息，受上游干流及鄱阳湖水系来水影响，长江中游干流九江水文站今天5时水位涨至20.00米，达到警戒水位（20.00米），依据水利部《全国主要江河洪水编号规定》，为长江2019年第1号洪水。

8月4日19点12分，黄河龙门水文站出现3960立方米每秒的洪峰流量。为今年入汛以来最大洪水。

每当洪水来临，对于防汛工作人员，很重要的一点是来回巡视坝体，观察是否有水从坝体及坝体后方的孔缝中涌出的，一旦有水涌出，则需要立刻采取相关工程措施进行处理。否则会导致溃坝等严重后果，所谓千里之堤溃于蚁穴，今天小编带领大家了解一下渗透变形的工程地质研究.

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基本概念

凡有渗流就有渗流力或称水动压力。渗透压力达到一定值时，土中的某些颗粒就会被渗透水流携带和搬运，这种地下水的侵蚀作用称为潜蚀。潜蚀包括机械潜蚀和化学潜蚀。

机械潜蚀作用

指渗流的机械冲刷力把细小的土颗粒携走，而较大的颗粒仍留在原处。

化学潜蚀作用

指当土中含有可溶盐类的颗粒或胶结物时，水流溶蚀了它们，使土的结构变松，孔隙度增大，水流的渗透能力加强。

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机械潜蚀和化学潜蚀一般是同时进行的，且二者是相互影响、相互促进的。

潜蚀使得岩土中一些颗粒甚至整体就会发生移动而被渗流携走，从而引起岩土的结构变松，强度降低，甚至整体发生破坏。这种工程动力地质作用或现象称之为渗透变形或渗透破坏。强烈的渗透变形会在渗流出口处侵蚀成孔洞，孔洞又会促使渗透途径已经缩短、水力梯度有所增大的渗流向它集中，而在孔洞末端集中的渗透水流就具有更大的侵蚀能力，所以孔洞就不断沿最大水力梯度线溯源发展，最终形成一条水流集中的管道，由管道中涌出的水携带较大量的土颗粒，即管涌。

管涌破坏示意图

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渗透变形的类型和特点

渗透水流通过一系列特有的作用过程，使土体中某些颗粒松动、脱离、被水携带和搬运，导致土中形成孔洞通道及孔洞通道的不断向源延伸和扩大。这些作用包括：

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1）淋蚀或渗流侵蚀

当土层中细小颗粒小于与之呈互层状产出的砂、砾层中的孔隙，则细小颗粒可被渗透水流所携带，并穿过这些孔隙通道而被搬运走。土中的细微裂缝、虫孔、兽穴、根孔等大孔洞也可成为地下水流搬运细小颗粒的通道。这种渗透水流的选择性侵蚀，可能是土中管道开始形成的主导方式。

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2）渗流面蚀

饱水敏感土于斜坡面出露，集中渗流可携带其出口处的土粒顺流而下将之搬运走，于是出口处首先形成一凹入龛并累进性切入坡内，逐步发展为一个地下管道。使渗流流线聚敛的因素有地形、岩性或细微裂隙等。

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3）孔道冲刷

土或易蚀基岩中的孔洞或管道开始形成之后，通过这类孔道流动的集中水流即可冲刷孔道壁、冲走可由壁上脱落下来的颗粒而使孔道不断扩大。

管涌可以多种方式出现，如流面管涌，土裂隙管涌、虫穴管涌等。在自然条件下，潜蚀和管涌可以在干旱区黄土中形成地下洞穴，也可在红层中形成洞穴。洞穴末端陷落即形成落水洞，而当大部分顶拱塌落即形成残留有“天生桥”的深冲沟等。这些地貌形态组合类似于喀斯特，故一般称为假喀斯特。

发生在土石坝体中的渗透变形也可以分为以下几种类型：潜蚀：即土体中一部分小颗粒被渗透水流携出，较普遍发生在不均质砂层中。

流土：即土体表层某一部分土粒在垂直土层的渗透水流作用下全部浮动和流走。常发生在大坝下游坡脚有渗透水流逸出的土层中。

接触流土：即渗透水流近于垂直土层运动，当由颗粒粗细相差悬殊的细粒土进入粗粒土中时，细粒土被水流带入粗粒土中。

接触冲刷：渗透水流方向与土层平行，细粒土与粗粒土接触面上的土粒受粗粒土中流速较大的水流所冲刷并被它带走。

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渗透变形的危害

由于工程活动所引起的潜蚀和管涌更为常见，如开挖深基坑或者采矿竖井穿过粉细砂层，在基坑或竖井中大量排除地下水，造成坑（井）内与边壁之间的大水头差。地下水便会携带大量砂土由边壁涌入坑（井）之中，这就是工程中通称的流砂。有时也会在坑底出现喷砂或者砂沸，这种不良作用，往往引起边壁坍塌，甚至危及临近地面建筑物的安全和稳定。

2003年7月1日凌晨4时，正在施工中的上海轨道交通4号线（浦东南路至南浦大桥）区间隧道浦西联络通道发生渗水，随后大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。引发一幢八层楼房发生倾斜，其裙房部分倒塌。

管涌更多的与修建坝堤相联系，大河两岸修建防洪堤后，洪水期间堤内外之间有一定的水头差，而建坝水位上升后，坝上、下游之间的水头差会显著加大，这两种情况下渗透水流的水力梯度都会有所增大甚至显著增大。产生潜蚀的水动力条件就因此而形成。如果坝为土石坝、坝基土石为透水的砂质土，而防渗措施又不得当，往往会造成溃坝溃堤。

1998年长江洪水险情以渗流险情最为普遍，沿长江6000余处险情中就有400余处属渗流险情。其中管涌被视为险中之险。

水利水电科学研究院于1974年调查了我国33座坝身有问题的土石坝，其中属于渗透变形所引起的占总数60%。

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渗透变形的产生条件

1）水动力条件

水力梯度要足够大，当水力梯度超过土石体的临界水力梯度时，则会发生渗透。

2）土石结构及颗粒成分条件

只有较多量的粗大颗粒构成骨架，才能形成直径较大的孔隙，易于产生潜蚀。如细颗粒达到一定含量致使颗粒间不能相互接触，不能由它构成骨架，则孔隙大小取决于细颗粒，则比较难以潜蚀。

粗细颗粒粒径之比对潜蚀的发生具有很重要的意义。

经过压密固结的土不仅孔隙度有所降低，粒间嵌合力也有所增强，其临界梯度和允许梯度显著高于颗粒成分相近但未经固结的土。

粘粒含量增多增加土的内聚力，增加土的抗潜蚀能力。

土中孔隙直径与土排列紧密程度的关系

3）渗流出口条件

对于由渗流出口溯源发展的潜蚀—管涌型渗透变形，渗流出口有无适当保护，对渗透变形的产生和发展具有重要的意义。

坝基渗透水流

如图所示，渗流逸出口直接临空，且此处水力梯度比整个渗流路径上的平均水力梯度高，水流方向也有利于土的松动和悬浮，因此这种渗流出口条件最易于产生渗透变形。

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渗透变形的防治

渗透变形的防治，通常采用三方面的措施：1)改变渗流的动力条件；2)保护渗流出口；3)改善土石性质。

一、建筑物基坑及地下巷道施工时流沙的防治措施

1、建筑物基坑: 人工降低潜水位或者采用板桩防护墙。

2、地下巷道、水平巷道：采用盾构法施工；挖竖井：沉井式支护抗掘进或采用冻结法、电动硅化法。

二、汲水井的防止管涌措施

（1）在过滤管与井壁间隙内充填反滤料，以保护渗流出口。反滤料的粒径选择，必须要考虑到被保护含水层中管涌颗粒的大小，使细颗粒不能通过反滤料的孔隙为原则。

（2）过滤管外若缠绕丝网的话，要选择合适的网眼直径。

（3）非主要含水层的管涌土层，应采用止水措施将其与过滤管隔绝。

三、土石坝防治渗透变形的措施

1.垂直截渗：设置粘土截水槽、灌浆帷幕、混凝土防渗墙等 。

2.水平铺盖防渗层

防渗铺盖示意图

3. 排水减压

在坝后的坝脚附近设置排水沟和减压井，它们的作用是吸收渗流和减小溢出段的实际水力梯度。

4. 铺设反滤层

反滤层是保护渗流出口的有效措施，它既可以保证排水通畅，降低溢出梯度，又起到盖重的作用。

美编：桃之妖

校对：张腾飞

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