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摘要：深基坑工程的施工特点决定了其渗流场水力条件的复杂性，渗流问题是许多基坑工程事故的主要或重要原因，本文拟结合长沙地铁1号线省政府站，采用有限元软件分析基坑渗流场，分析基坑渗流场的分布特性，探讨工程中可能出现的不利因素，特别是防渗体被破坏的情况下对基坑安全造成的危害性，对渗流引起的破坏的进行研究和分析。
关键词：渗流场；有限元；防渗体；
1引言
管涌和流土是发生在土体中的两种基本渗流破坏形式。在实际工程中，常统称为管涌。主要原因是渗流破坏出口形式，一般都表现为单个或多个泉涌，最后导致土体内形成渗流通道。实际上，管涌和流土从发生机理、渗流破坏发展的过程和危险程度是不同的。在工程防渗设计中，必须确定土的抗渗比降，而管涌和流土的允许比降相差很大，判别管涌和流土的不同渗流破坏形式，对工程的防渗设计和防洪抢险都具有十分重要的意义。
土体的渗透破坏主要表现为管涌、流土和突涌，其中，管涌是在渗透水作用下，土中细粒在所形成的孔隙通道中被移动流失，土的孔隙不断扩大，渗流量也随之增大，最终导致土体内形成贯通的渗流通道，土体发生破坏的现象。而流土则是指在向上的渗流水作用下，表层局部范围的土体和土颗粒同时发生悬浮、移动的现象。
从上面的讨论中可以看出，流土与管涌是个不同的概念，发生的土质和水力条件不同，破坏的现象也不相同。有些规范中规定验算的条件实际上是验算流土的是否发生的水力条件，而不是管涌发生的条件。在地下水水位较高的软土中，虽然水力坡降比较大，但软土很少具有不连续的级配，通常没有产生管涌的土质条件，所以容易发生流土破坏，因此验算相当于验算流土稳定性。为此，有些规范将这一验算称为抗渗流稳定验算。
2常用规范对抗渗计算的适用范围：
2.1《建筑基坑支护技术规程》的计算方法
《建筑基坑支护技术规程》中规定的公式，当基坑坑底为砂土、碎石土，基坑内排水且作用有渗透水压力时，侧向截水的排桩、地下连续墙除应满足多支点支护结构嵌固深度外，嵌固深度设计值尚应满足抗渗透稳定条：
按照上述公式计算（若使用理正深基坑设计软件），省政府站的地下连续墙嵌固深度达19米。
对于此公式，并非经过严谨的推导得出，目前的理解，应该只是针对浅基坑的抗渗流的一种近似计算。而我们地铁行业的基坑，大部分在20米左右，故它并不适用现有的深基坑设计。
2.2《建筑基坑工程技术规范》的计算方法
《建筑基坑工程技术规范》中，规定当坑底下深度范围内，无承压水层时，如图：
可用下式计算，
式中γm 为D深度范围内土饱和重度，h’基坑内外水头差，γRw为基坑底土层渗流稳定抗力分项系数，γRw≥1.1， γw为水的重度。
公式中，以基坑底面处坑内外水头差h’作为计算压力差γwh’，因为公式考虑了水头差至支护桩底已损失50%，故支护桩底面处的水压力为
γw(h’/2+t)，但是水头损失与土质、渗流路径有关，并且因嵌固深度不同而异，所以直接将嵌固深度定为50%理由不充分，而且针对嵌固较浅的基坑也偏于不安全。
3抗渗流（流土）计算公式的推导：
上述两种抗渗计算方法，是对于流土发生在桩墙底部的情况进行的计算。而实际情况，若基底有隔水层，那么不必考虑抗渗稳定计算；因此对于抗渗流（抗流土）稳定计算，只需要控制在渗流出口处即可。
如图，要避免基坑发生渗流破坏，要在渗流出口满足：单位体积的土重度大于水的渗流力。即：
式中γ’和γw分别为土体的浮重度和地下水重度。
计算水力梯度i时，可以取最大水力梯度，即渗流路径可以近似的取最短的渗流路径，即紧贴围护结构位置的渗流路线，求得最大水力梯度：
根据公式可以定义抗渗的安全系数：
抗渗流稳定安全系数K带有不同的地域经验性，参照《上海市基坑工程设计规程》规定，当坑底为砂土、砂质粉土或有明显的砂土夹层时，取3.0，其他土层取2.0。
按此计算，地下连续墙的嵌固深度在９米左右，即可达到抗流土的计算要求。
4渗透破坏的性质判断：
原则上任何土均发生流土，只不过有时在砂土在流土的临界水力梯度达到以前，就已先发生管涌破坏。管涌是个渐进破坏的过程，可以发生在任何方向渗流的溢出处；也可以发生在土体内部。在一定级配（特别是级配不连续的）砂土中，常有发生。
4.1管涌和流土的判别方法：细粒含量判别法
北京水科院刘杰提出的细粒含量判别法如下：
对于不同的均匀系数Cu>5的土，可分为级配不连续的土和级配连续的土，应分别先按以下方法，区分细粒径d及相应的含量P。
4.1.1级配不连续土粗细粒径的区分及相应含量P1的确定
按不连续土分布曲线图的方法，确定细粒粒径d（分布曲线断裂谷点或含量小于3%点），再在颗粒级配曲线上确定小于对应点粒径的对应含量P1。
4.1.2级配连续土粗细粒径的区分及相应含量P2的确定
按计算平均几何粒径确定细粒径
，
再在级配曲线上，确定小于细粒粒径d的对应含量P2。
4.1.3管涌和流土判定方法：
对于级配连续或级配不连续的土，从工程实际应用出发，均可按下式判别：
P1(或P2)>35%流土型
P1(或P2)<25%管涌型
P1(或P2)=25%~35%过渡型
以上计算方法是假定充满粗粒孔径的细粒含量按下式确定：
对于级配连续的土，刘杰提出的理论上也可按下式判别：
P2>1.1Pop 流土型
P2<0.9Pop 管涌型
P2=（0.9~1.1）Pop 过渡型
4.2省政府站的土质渗流破坏类型（结合上述理论）
在一般情况下：1).工程上把Cu≤5的土看作是均粒土，属级配不良；Cu>5时，称为不均粒土；Cu>10的土属级配良好。2).经验证明，当级配连续时，Cc的范围约为1～3；因此当Cc<1或Cc>3时，均表示级配线不连续。
从工程上看：Cu≥5且Cc＝1～3的土，称为级配良好的土；不能同时满足上述两个要求的土，称为级配不良的土。
从地勘（目前仅有中间资料）来看，卵石层尚未给出不均匀系数和土粒系数，姑且从与它性质相近的圆砾层Cu约为69.4，曲率系数为Cc为5.6，属于级配良好的土质，但级配不连续。
将地勘中的粒径分析汇总统计表，绘制成曲线图，如下：
按上述判定方法，卵石层土细粒粒径d=0.005mm，对应级配曲线上的细粒粒径的含量为6%左右，远小于25%，故卵石层为管涌型土，因此该土层在流土的临界水力梯度达到以前，就已先发生管涌破坏。因此，要按上述规范中规定的方法计算流土，需要先解决管涌的问题，即：要去用抗流土的条件去验算基坑的抗渗稳定之前，先将水力梯度控制在管涌不会发生的范围内。
4.3临界水力梯度的控制
临界树立梯度与渗透系数的关系
无粘性土的渗透性与渗透变形特性有着直接的关系。
对于不均匀土，如果透水性强，渗透系数就大，抗渗透变形的能力就差；如果滲透性弱，渗透系数就小，抵抗渗透变形的能力就强。
一般来说，渗透系数越大，则临界水力坡降越小。无粘性土的临界水力坡降可归纳如下表1：
若假设在满足流土计算的前提下，经过计算的嵌固深度为9米，那么水力梯度的计算为i=h/(h+2t)，式中，计算出i=0.5。由上述判定，针对省政府站卵石层，为管涌型土，且级配不连续，那么临界水力梯度应该在0.10~0.30范围内，显然，对于0.5的水力梯度，已经发生了管涌破坏。故本车站基坑的首要问题，是如何处理抗管涌的问题。
4.4管涌型土的临界水力梯度问题：
发生管涌的临界水力梯度目前尚无合适的公式可循。
主要根据实验时，肉眼观察细颗粒的移动现象和借助于水力坡降i和流速V之间的变化来判断管涌是否出现。
4.5管涌的防治措施：
通常，防治管涌的措施有：增加基坑围护结构的入土深度以延长地下水的流线，降低水力梯度；人工降低地下水位，改变地下渗流方向，减小水头差，降低水力梯度；在水流溢出处设置反滤层等。
5结论
对水力工况下的渗流场数值分析表明，渗流作用对基坑的安全是十分不利的，而渗流破坏的性质，必须判断清楚，以便在制定施工处理措施的时候对症下药。采用数值分析的方法，进行不同工况下的渗流场计算分析得出以下结论：
（1）设计时应根据有关资料，采用多种计算方法进行结构和渗流计算，综合进行技术经济比较，确定地连墙等支护结构的入土（岩）深度hd和墙底止水帷幕深度，并由此计算和选定弯矩以及配置钢筋等。
（2）基坑角点和溢出点水力梯度最大，是整个基坑最容易发生渗透破坏的地方，因此，当基坑底下处于卵石层中时，必须采取地基加固，以防止基坑发生渗透破坏；
（3）在基坑开挖过程中极易发生渗透破坏，当基坑的稳定性不满足要求时，必须设置减压井或止水帷幕减小基坑中渗透水的水力梯度，保证基坑安全；
关键词：渗流场；有限元；防渗体；
1引言
管涌和流土是发生在土体中的两种基本渗流破坏形式。在实际工程中，常统称为管涌。主要原因是渗流破坏出口形式，一般都表现为单个或多个泉涌，最后导致土体内形成渗流通道。实际上，管涌和流土从发生机理、渗流破坏发展的过程和危险程度是不同的。在工程防渗设计中，必须确定土的抗渗比降，而管涌和流土的允许比降相差很大，判别管涌和流土的不同渗流破坏形式，对工程的防渗设计和防洪抢险都具有十分重要的意义。
土体的渗透破坏主要表现为管涌、流土和突涌，其中，管涌是在渗透水作用下，土中细粒在所形成的孔隙通道中被移动流失，土的孔隙不断扩大，渗流量也随之增大，最终导致土体内形成贯通的渗流通道，土体发生破坏的现象。而流土则是指在向上的渗流水作用下，表层局部范围的土体和土颗粒同时发生悬浮、移动的现象。
从上面的讨论中可以看出，流土与管涌是个不同的概念，发生的土质和水力条件不同，破坏的现象也不相同。有些规范中规定验算的条件实际上是验算流土的是否发生的水力条件，而不是管涌发生的条件。在地下水水位较高的软土中，虽然水力坡降比较大，但软土很少具有不连续的级配，通常没有产生管涌的土质条件，所以容易发生流土破坏，因此验算相当于验算流土稳定性。为此，有些规范将这一验算称为抗渗流稳定验算。
2常用规范对抗渗计算的适用范围：
2.1《建筑基坑支护技术规程》的计算方法
《建筑基坑支护技术规程》中规定的公式，当基坑坑底为砂土、碎石土，基坑内排水且作用有渗透水压力时，侧向截水的排桩、地下连续墙除应满足多支点支护结构嵌固深度外，嵌固深度设计值尚应满足抗渗透稳定条：
按照上述公式计算（若使用理正深基坑设计软件），省政府站的地下连续墙嵌固深度达19米。
对于此公式，并非经过严谨的推导得出，目前的理解，应该只是针对浅基坑的抗渗流的一种近似计算。而我们地铁行业的基坑，大部分在20米左右，故它并不适用现有的深基坑设计。
2.2《建筑基坑工程技术规范》的计算方法
《建筑基坑工程技术规范》中，规定当坑底下深度范围内，无承压水层时，如图：
可用下式计算，
式中γm 为D深度范围内土饱和重度，h’基坑内外水头差，γRw为基坑底土层渗流稳定抗力分项系数，γRw≥1.1， γw为水的重度。
公式中，以基坑底面处坑内外水头差h’作为计算压力差γwh’，因为公式考虑了水头差至支护桩底已损失50%，故支护桩底面处的水压力为
γw(h’/2+t)，但是水头损失与土质、渗流路径有关，并且因嵌固深度不同而异，所以直接将嵌固深度定为50%理由不充分，而且针对嵌固较浅的基坑也偏于不安全。
3抗渗流（流土）计算公式的推导：
上述两种抗渗计算方法，是对于流土发生在桩墙底部的情况进行的计算。而实际情况，若基底有隔水层，那么不必考虑抗渗稳定计算；因此对于抗渗流（抗流土）稳定计算，只需要控制在渗流出口处即可。
如图，要避免基坑发生渗流破坏，要在渗流出口满足：单位体积的土重度大于水的渗流力。即：
式中γ’和γw分别为土体的浮重度和地下水重度。
计算水力梯度i时，可以取最大水力梯度，即渗流路径可以近似的取最短的渗流路径，即紧贴围护结构位置的渗流路线，求得最大水力梯度：
根据公式可以定义抗渗的安全系数：
抗渗流稳定安全系数K带有不同的地域经验性，参照《上海市基坑工程设计规程》规定，当坑底为砂土、砂质粉土或有明显的砂土夹层时，取3.0，其他土层取2.0。
按此计算，地下连续墙的嵌固深度在９米左右，即可达到抗流土的计算要求。
4渗透破坏的性质判断：
原则上任何土均发生流土，只不过有时在砂土在流土的临界水力梯度达到以前，就已先发生管涌破坏。管涌是个渐进破坏的过程，可以发生在任何方向渗流的溢出处；也可以发生在土体内部。在一定级配（特别是级配不连续的）砂土中，常有发生。
4.1管涌和流土的判别方法：细粒含量判别法
北京水科院刘杰提出的细粒含量判别法如下：
对于不同的均匀系数Cu>5的土，可分为级配不连续的土和级配连续的土，应分别先按以下方法，区分细粒径d及相应的含量P。
4.1.1级配不连续土粗细粒径的区分及相应含量P1的确定
按不连续土分布曲线图的方法，确定细粒粒径d（分布曲线断裂谷点或含量小于3%点），再在颗粒级配曲线上确定小于对应点粒径的对应含量P1。
4.1.2级配连续土粗细粒径的区分及相应含量P2的确定
按计算平均几何粒径确定细粒径
，
再在级配曲线上，确定小于细粒粒径d的对应含量P2。
4.1.3管涌和流土判定方法：
对于级配连续或级配不连续的土，从工程实际应用出发，均可按下式判别：
P1(或P2)>35%流土型
P1(或P2)<25%管涌型
P1(或P2)=25%~35%过渡型
以上计算方法是假定充满粗粒孔径的细粒含量按下式确定：
对于级配连续的土，刘杰提出的理论上也可按下式判别：
P2>1.1Pop 流土型
P2<0.9Pop 管涌型
P2=（0.9~1.1）Pop 过渡型
4.2省政府站的土质渗流破坏类型（结合上述理论）
在一般情况下：1).工程上把Cu≤5的土看作是均粒土，属级配不良；Cu>5时，称为不均粒土；Cu>10的土属级配良好。2).经验证明，当级配连续时，Cc的范围约为1～3；因此当Cc<1或Cc>3时，均表示级配线不连续。
从工程上看：Cu≥5且Cc＝1～3的土，称为级配良好的土；不能同时满足上述两个要求的土，称为级配不良的土。
从地勘（目前仅有中间资料）来看，卵石层尚未给出不均匀系数和土粒系数，姑且从与它性质相近的圆砾层Cu约为69.4，曲率系数为Cc为5.6，属于级配良好的土质，但级配不连续。
将地勘中的粒径分析汇总统计表，绘制成曲线图，如下：
按上述判定方法，卵石层土细粒粒径d=0.005mm，对应级配曲线上的细粒粒径的含量为6%左右，远小于25%，故卵石层为管涌型土，因此该土层在流土的临界水力梯度达到以前，就已先发生管涌破坏。因此，要按上述规范中规定的方法计算流土，需要先解决管涌的问题，即：要去用抗流土的条件去验算基坑的抗渗稳定之前，先将水力梯度控制在管涌不会发生的范围内。
4.3临界水力梯度的控制
临界树立梯度与渗透系数的关系
无粘性土的渗透性与渗透变形特性有着直接的关系。
对于不均匀土，如果透水性强，渗透系数就大，抗渗透变形的能力就差；如果滲透性弱，渗透系数就小，抵抗渗透变形的能力就强。
一般来说，渗透系数越大，则临界水力坡降越小。无粘性土的临界水力坡降可归纳如下表1：
若假设在满足流土计算的前提下，经过计算的嵌固深度为9米，那么水力梯度的计算为i=h/(h+2t)，式中，计算出i=0.5。由上述判定，针对省政府站卵石层，为管涌型土，且级配不连续，那么临界水力梯度应该在0.10~0.30范围内，显然，对于0.5的水力梯度，已经发生了管涌破坏。故本车站基坑的首要问题，是如何处理抗管涌的问题。
4.4管涌型土的临界水力梯度问题：
发生管涌的临界水力梯度目前尚无合适的公式可循。
主要根据实验时，肉眼观察细颗粒的移动现象和借助于水力坡降i和流速V之间的变化来判断管涌是否出现。
4.5管涌的防治措施：
通常，防治管涌的措施有：增加基坑围护结构的入土深度以延长地下水的流线，降低水力梯度；人工降低地下水位，改变地下渗流方向，减小水头差，降低水力梯度；在水流溢出处设置反滤层等。
5结论
对水力工况下的渗流场数值分析表明，渗流作用对基坑的安全是十分不利的，而渗流破坏的性质，必须判断清楚，以便在制定施工处理措施的时候对症下药。采用数值分析的方法，进行不同工况下的渗流场计算分析得出以下结论：
（1）设计时应根据有关资料，采用多种计算方法进行结构和渗流计算，综合进行技术经济比较，确定地连墙等支护结构的入土（岩）深度hd和墙底止水帷幕深度，并由此计算和选定弯矩以及配置钢筋等。
（2）基坑角点和溢出点水力梯度最大，是整个基坑最容易发生渗透破坏的地方，因此，当基坑底下处于卵石层中时，必须采取地基加固，以防止基坑发生渗透破坏；
（3）在基坑开挖过程中极易发生渗透破坏，当基坑的稳定性不满足要求时，必须设置减压井或止水帷幕减小基坑中渗透水的水力梯度，保证基坑安全；