千里之堤毀于蟻穴(千里之堤毀于蟻巢的意思)

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為什么千里之堤毀于蟻穴？

——滲透變形的工程地質分析

2019年7月13號，水利部消息，受上游干流及鄱陽湖水系來水影響，長江中游干流九江水文站今天5時水位漲至20.00米，達到警戒水位（20.00米），依據水利部《全國主要江河洪水編號規定》，為長江2019年第1號洪水。

8月4日19點12分，黃河龍門水文站出現3960立方米每秒的洪峰流量。為今年入汛以來最大洪水。

每當洪水來臨，對于防汛工作人員，很重要的一點是來回巡視壩體，觀察是否有水從壩體及壩體后方的孔縫中涌出的，一旦有水涌出，則需要立刻采取相關工程措施進行處理。否則會導致潰壩等嚴重后果，所謂千里之堤潰于蟻穴，今天小編帶領大家了解一下滲透變形的工程地質研究.

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基本概念

凡有滲流就有滲流力或稱水動壓力。滲透壓力達到一定值時，土中的某些顆粒就會被滲透水流攜帶和搬運，這種地下水的侵蝕作用稱為潛蝕。潛蝕包括機械潛蝕和化學潛蝕。

機械潛蝕作用

指滲流的機械沖刷力把細小的土顆粒攜走，而較大的顆粒仍留在原處。

化學潛蝕作用

指當土中含有可溶鹽類的顆粒或膠結物時，水流溶蝕了它們，使土的結構變松，孔隙度增大，水流的滲透能力加強。

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機械潛蝕和化學潛蝕一般是同時進行的，且二者是相互影響、相互促進的。

潛蝕使得巖土中一些顆粒甚至整體就會發生移動而被滲流攜走，從而引起巖土的結構變松，強度降低，甚至整體發生破壞。這種工程動力地質作用或現象稱之為滲透變形或滲透破壞。強烈的滲透變形會在滲流出口處侵蝕成孔洞，孔洞又會促使滲透途徑已經縮短、水力梯度有所增大的滲流向它集中，而在孔洞末端集中的滲透水流就具有更大的侵蝕能力，所以孔洞就不斷沿最大水力梯度線溯源發展，最終形成一條水流集中的管道，由管道中涌出的水攜帶較大量的土顆粒，即管涌。

管涌破壞示意圖

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滲透變形的類型和特點

滲透水流通過一系列特有的作用過程，使土體中某些顆粒松動、脫離、被水攜帶和搬運，導致土中形成孔洞通道及孔洞通道的不斷向源延伸和擴大。這些作用包括：

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1）淋蝕或滲流侵蝕

當土層中細小顆粒小于與之呈互層狀產出的砂、礫層中的孔隙，則細小顆粒可被滲透水流所攜帶，并穿過這些孔隙通道而被搬運走。土中的細微裂縫、蟲孔、獸穴、根孔等大孔洞也可成為地下水流搬運細小顆粒的通道。這種滲透水流的選擇性侵蝕，可能是土中管道開始形成的主導方式。

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2）滲流面蝕

飽水敏感土于斜坡面出露，集中滲流可攜帶其出口處的土粒順流而下將之搬運走，于是出口處首先形成一凹入龕并累進性切入坡內，逐步發展為一個地下管道。使滲流流線聚斂的因素有地形、巖性或細微裂隙等。

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3）孔道沖刷

土或易蝕基巖中的孔洞或管道開始形成之后，通過這類孔道流動的集中水流即可沖刷孔道壁、沖走可由壁上脫落下來的顆粒而使孔道不斷擴大。

管涌可以多種方式出現，如流面管涌，土裂隙管涌、蟲穴管涌等。在自然條件下，潛蝕和管涌可以在干旱區黃土中形成地下洞穴，也可在紅層中形成洞穴。洞穴末端陷落即形成落水洞，而當大部分頂拱塌落即形成殘留有“天生橋”的深沖溝等。這些地貌形態組合類似于喀斯特，故一般稱為假喀斯特。

發生在土石壩體中的滲透變形也可以分為以下幾種類型：潛蝕：即土體中一部分小顆粒被滲透水流攜出，較普遍發生在不均質砂層中。

流土：即土體表層某一部分土粒在垂直土層的滲透水流作用下全部浮動和流走。常發生在大壩下游坡腳有滲透水流逸出的土層中。

接觸流土：即滲透水流近于垂直土層運動，當由顆粒粗細相差懸殊的細粒土進入粗粒土中時，細粒土被水流帶入粗粒土中。

接觸沖刷：滲透水流方向與土層平行，細粒土與粗粒土接觸面上的土粒受粗粒土中流速較大的水流所沖刷并被它帶走。

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滲透變形的危害

由于工程活動所引起的潛蝕和管涌更為常見，如開挖深基坑或者采礦豎井穿過粉細砂層，在基坑或豎井中大量排除地下水，造成坑（井）內與邊壁之間的大水頭差。地下水便會攜帶大量砂土由邊壁涌入坑（井）之中，這就是工程中通稱的流砂。有時也會在坑底出現噴砂或者砂沸，這種不良作用，往往引起邊壁坍塌，甚至危及臨近地面建筑物的安全和穩定。

2003年7月1日凌晨4時，正在施工中的上海軌道交通4號線（浦東南路至南浦大橋）區間隧道浦西聯絡通道發生滲水，隨后大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。引發一幢八層樓房發生傾斜，其裙房部分倒塌。

管涌更多的與修建壩堤相聯系，大河兩岸修建防洪堤后，洪水期間堤內外之間有一定的水頭差，而建壩水位上升后，壩上、下游之間的水頭差會顯著加大，這兩種情況下滲透水流的水力梯度都會有所增大甚至顯著增大。產生潛蝕的水動力條件就因此而形成。如果壩為土石壩、壩基土石為透水的砂質土，而防滲措施又不得當，往往會造成潰壩潰堤。

1998年長江洪水險情以滲流險情最為普遍，沿長江6000余處險情中就有400余處屬滲流險情。其中管涌被視為險中之險。

水利水電科學研究院于1974年調查了我國33座壩身有問題的土石壩，其中屬于滲透變形所引起的占總數60%。

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滲透變形的產生條件

1）水動力條件

水力梯度要足夠大，當水力梯度超過土石體的臨界水力梯度時，則會發生滲透。

2）土石結構及顆粒成分條件

只有較多量的粗大顆粒構成骨架，才能形成直徑較大的孔隙，易于產生潛蝕。如細顆粒達到一定含量致使顆粒間不能相互接觸，不能由它構成骨架，則孔隙大小取決于細顆粒，則比較難以潛蝕。

粗細顆粒粒徑之比對潛蝕的發生具有很重要的意義。

經過壓密固結的土不僅孔隙度有所降低，粒間嵌合力也有所增強，其臨界梯度和允許梯度顯著高于顆粒成分相近但未經固結的土。

粘粒含量增多增加土的內聚力，增加土的抗潛蝕能力。

土中孔隙直徑與土排列緊密程度的關系

3）滲流出口條件

對于由滲流出口溯源發展的潛蝕—管涌型滲透變形，滲流出口有無適當保護，對滲透變形的產生和發展具有重要的意義。

壩基滲透水流

如圖所示，滲流逸出口直接臨空，且此處水力梯度比整個滲流路徑上的平均水力梯度高，水流方向也有利于土的松動和懸浮，因此這種滲流出口條件最易于產生滲透變形。

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滲透變形的防治

滲透變形的防治，通常采用三方面的措施：1)改變滲流的動力條件；2)保護滲流出口；3)改善土石性質。

一、建筑物基坑及地下巷道施工時流沙的防治措施

1、建筑物基坑: 人工降低潛水位或者采用板樁防護墻。

2、地下巷道、水平巷道：采用盾構法施工；挖豎井：沉井式支護抗掘進或采用凍結法、電動硅化法。

二、汲水井的防止管涌措施

（1）在過濾管與井壁間隙內充填反濾料，以保護滲流出口。反濾料的粒徑選擇，必須要考慮到被保護含水層中管涌顆粒的大小，使細顆粒不能通過反濾料的孔隙為原則。

（2）過濾管外若纏繞絲網的話，要選擇合適的網眼直徑。

（3）非主要含水層的管涌土層，應采用止水措施將其與過濾管隔絕。

三、土石壩防治滲透變形的措施

1.垂直截滲：設置粘土截水槽、灌漿帷幕、混凝土防滲墻等 。

2.水平鋪蓋防滲層

防滲鋪蓋示意圖

3. 排水減壓

在壩后的壩腳附近設置排水溝和減壓井，它們的作用是吸收滲流和減小溢出段的實際水力梯度。

4. 鋪設反濾層

反濾層是保護滲流出口的有效措施，它既可以保證排水通暢，降低溢出梯度，又起到蓋重的作用。

美編：桃之妖

校對：張騰飛