[科普中国]-渗流力

定义

水在土体中流动时，将会引起水头的损失。而这种水头损失是由于水在土体孔隙中流动时，力图拖曳土粒而消耗能量的结果。自然，水流在拖曳土粒时将给予土粒以某种拖曳力，将渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为渗流力。1由下面的流土试验来更好地理解渗流力。

流土试验图中圆筒形容器A的细筛上装有均匀的砂土，其厚度为L，容器顶缘高出砂面，细筛底部用一根管子与贮水器B相连，当贮水器的水面与容器A的水面保持齐平时，则无渗流发生。若将贮水器B逐级提升，则由于水位差的存在，贮水器B内的水就从底部透过砂层从容器A的顶缘不断溢出，渗透水流的速度也愈来愈快。当贮水器B提升到某一高度时，就可以明显地看到渗水翻腾并挟带着砂子向A涌出，这一现象称为渗透变形。产生这一现象的原因可解释如下。

设试样的截面积为A，若试样渗流进口（ab面）与出口（cd面）两测压管是水面髙差为h，水从ab面流过L厚的试样到达cd面时，因为要克服整个试样内砂粒对水流的阻力，总水压力便损失了 ，其中 为水的重度。一般而言，土中渗流速度极小，流动水体的惯性力可以忽略不计。按照牛顿第三定律，渗流作用于试样的总渗透力J应和试样中砂粒对水流的阻力大小相等方向相反，即有：

所以作用于单位体积土体的渗透力应为：

从上式可知，渗透力是一种体积力，其量纲与 相同。渗透力的大小和水力梯度成正比，其方向与渗流方向相一致。

从上述分析结果可知，在有渗流的情况下，由于渗流力的存在，将使土体内部受力情况（包括大小和方向）发生变化。一般地说，这种变化对土体的整体稳定是不利的，但是，对于渗流中的具体部位应作具体分析。例如，对于右图中的1点，由于渗流力方向与 重力一致，渗流力促使土体压密、强度提高，对稳定起着有利的作用；2，3两点的渗流力方向与重力近乎正交，使土粒有向下游方向移动的趋势，对稳定是不利的；4点的渗流力方向与重力相反，对稳定最为不利，特别当向上的渗流力大于土体的有效重量时，土粒将被水流冲出，造成流土破坏，如不及时加以防治，将会引起整个建筑物的失事。1

渗流力的危害渗透不可避免地将引起土体内部应力状态的变化，从而改变建筑物基础的稳定条件。因此，对于土工建筑物来说，如何确保在有渗流作用时的稳定性是非常重要的。渗流所引起的渗透破坏问题主要有两大类。

—类是土体的局部稳定问题。这是由于渗透水流将土体的细颗粒冲出、带走或局部土体产生移动，导致土体变形而引起的。因此，这类问题又常称为渗透变形问题，主要表现为流土和管涌。

另一类是整体稳定问题。由于渗流作用，使得水压力或浮力发生变化，导致整个土体发生滑动、坍塌或建筑物失稳。表现为岸坡滑动或挡土墙等构筑物的整体失稳。土坝在水位降落时引起的滑动是这类破坏的典型事例。1