土力学趣话（其四）——让人又爱又恨的水
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#趣话#：
Empty your mind. Be formless, shapeless like water. Now you put water into a cup, it becomes the cup. You put water into a bottle, it becomes the bottle. You put water in a teapot, it becomes the teapot. Now water can flow or it can crash. Be water my friend.
——Bruce Lee
“你刚才在看李小龙？”小汐回到宿舍，看到康怡笔记本上抄写了Bruce Lee的一段话，电脑屏幕上是穿着西装的李小龙在接受外国人采访的镜头。
“对啊。昆汀有部新电影最近引起了讨论不是吗。”正在阳台上晾衣服的康怡说。
“奥，你是说那部有把李小龙刻画成一个傲慢鬼的《Once Upon a Time in Hollywood（好莱坞往事）》吧？”小汐突然想到了自己昨天还在网上看了大家对这部电影的评论。
“是的，我看了好多关于李小龙的影片，这部电影中的李小龙形象我实在接受不了。且不论李小龙在功夫上面能不能被打败，我觉得能从中国哲学中参悟武术精髓的人绝对不是一个自大的讨厌鬼。李小龙曾经在采访中劝告大家的话是‘Be water my friend’，而不是‘Be steel my friend’，这还不能说明问题吗？”康怡讲的情绪稍微有点激动。
说话间，小冰和晓楠也回到宿舍了，正好听见康怡的最后一句话。
“Be water my friend.这句话确实包含中国道家的哲理啊，所谓‘上善若水’。但是在工程里，水的危害也是不可忽视的，工程师对水都有些害怕呢。”晓楠想让康怡更全面地思考这个问题。
“水利万物，怎么在工程上就成为灾害之源了呢？”康怡很不解。
“我知道”小汐说，“水对边坡稳定性会造成很大的影响……”小汐便把前几天学到的水对边坡安全系数的影响再讲了一遍。
“对，工程上还有很多由水引起的问题，比如水引起混凝土抗裂性减小，渗流引起土的渗透破坏（seepage failure）。” 晓楠继续补充说。
“渗流——是什么啊？”小汐问。
“渗流啊，简单说就是土体中的水在能量差的作用下在土体内的孔隙中流动的现象。这个能量差叫做水头差，跟高中物理的电势差类似。渗透和强度、变形一起作为岩土的三大工程问题，土中水的渗流引起的工程问题总的来说又可以分成两类：一类是渗流量与渗流速度的问题，另一类是稳定问题（包括土体的渗透稳定和渗流引起的土体抗滑稳定问题）。”小冰抢在晓楠前头解释道。
“啊，这个渗流的意思我懂了。讲一下你刚才说的seepage failure吧。”康怡把衣服晾好了，回到自己的书桌前。
“渗透破坏这个词在不同的教材上有不同的叫法，有的说是渗透失稳（instability due to seepage），有的叫渗透变形（seepage deformation），表达的都是一个意思。流土（soil flow）和管涌（piping）是渗透破坏的两种主要形式。”晓楠把自己的书包从背上卸下，慢慢地解释道。
“流土？是贝爷节目里的流沙（quick sand）吗？那种陷下去越挣扎陷得越深的沙子。”小汐插了一句话。
“嗯，怎么说呢，很多教材上是没有区分这两个概念的，在提到流土的概念的时候会加一句‘或称流沙’。”晓楠显得有些纠结，但随即说道，“如果非要讲区别的话，还得提到清华大学李广信教授，他觉得实际上流沙的意义更广，流土发生在垂直方向上的渗流情况，而流沙可能发生在任何方向。为了说明这一点，他举了个上海轨道四号线隧洞施工的例子，由于衬砌不良或破坏，饱和的砂土在压力水作用下从侧壁，洞顶涌出，这种现象也是流沙。”
“所以啊，流土的定义是，在向上的渗流作用下，在渗流出口处一定范围内，土颗粒或其集合体随之浮扬而上移动或涌出的现象。判断发生流土的条件时水力坡度大于临界水力坡度（critical hydraulic slope）。在工程上按发生流土的土性不同，可以把流土分为砂沸（boiling 对于砂土）和突涌（对于黏性土）”小冰作出总结。
“可是，你看这本书上写的，对于黏土类的细粒土，由于粘聚力大，能阻止被水冲走，而且细粒土间的孔隙小，不连通，水很难渗透，是不是就不发生流土啊？”小汐刚才一边听一边在看小冰桌子上的土力学教材。
“这个问题提的好。细粒土的渗透性较小，所以它发生流土时一般是被它下面的粗颗粒土层中的承压水整体或局部顶起——既然穿不过，那就莽一点，把上面的黏土层整个给举起来。”小冰解释说。
“再来讲一讲管涌吧。管涌是在渗透力作用下，土中细颗粒在粗颗粒的孔隙间被渗流水带走而流失的现象。”小冰想到一个有意思的比喻，“你们挤过地铁吧，假如挤地铁的人中既有像晓楠那样的高个子，也有像小汐这么瘦小的乘客，在人流的推挤下，小汐由于比较瘦小，能比较容易从人缝中穿过，最后就被挤上地铁了。管涌有两个条件，一个是几何条件，就是说要满足细颗粒能穿过土中粗颗粒间的孔隙，所以细粒的直径起码要小于粗颗粒的孔隙平均直径。几何条件还包括土中的粗颗粒与细颗粒的比例要在适当的比例范围内。黏性土和均匀粒径的砂土都不属于管涌土；另一个条件是水力条件，就是说要有足够的渗透力推动细颗粒在粗颗粒间的孔隙中流动才能造成管涌。从能量观点来看，就是水力坡度要大于临界水力梯度。”
“我爸跟我讲过，98年长江发生特大洪灾，那会儿由于管涌造成了很大的损失呐。也就是那年夏天，我出生了。”康怡回忆道。
“是啊，渗流破坏的危害是巨大的，其包含的类型除了流土和管涌外还有土的流滑（flow slide）和砂土液化（liquefaction）等。因此我们才有必要了解一些防治渗透变形的方法。根据我们刚才讲的渗透破坏的形式和产生条件，你们能想到什么方法吗？”晓楠开始考验康怡和小汐有没有掌握刚才的内容了。
“刚才你讲两个基本渗透破坏形式的时候都讲了水力坡度这个词，虽然不太懂是什么意思，不过我感觉这个数应当小一些才好，应该小于临界值。”康怡思考了一下，答道。
“对，这个对于所有的渗透变形的防治都是有效的。具体方法可以概括为四个字：‘上挡下排’。即在挡水建筑的上游设置水平或垂直防渗体，通过增大渗流路径的长度来减小水力坡度；在下游设置减压井等排水措施。小冰，你上课时不是被问到了这个题吗，你继续补充一下。”
“嗯，防治流土可以采用减压和压重两种方法。减压就是把透水性小的土层用井挖穿，填入渗透性大的砂石，从而释放向上的渗透压力又不至于破坏整个土层；压重的话，可以这样理解：对于黏土层，渗流力把它往上顶，压重便是把它往下压，只要压力足够就能防止突涌。防治管涌的措施则可以用反滤层（inverted filter），反滤层是1-3层的含各种粒径的砂和砾石（gravel），设置在垂直渗流的方向。下面我也考考你们，沿着渗流的方向，反滤层的粒径是逐渐增大还是减小呢？”
小汐自信地说：“逐渐增大，因为原来土层的细颗粒土被渗流水带出，如果先碰到细粒砂的话，这些细颗粒通不过细粒砂间的微小孔隙，被阻挡下来，就能防治渗流破坏了。”
“答得对。” 小冰打了个响指，“现在工程上普遍采用的是各种土工布（geotextile）和土工网作为反滤层，比用砂石更加方便。”
“所以，康怡，现在你对李小龙说的Be water my friend.有新的思考吗？”
“上善若水，至害亦若水。水随器变，如心随境变，随遇安之。为人处世之时，但且记得，唯有于变换境遇之中守住一颗本心，方可止于至善。”
“真那么玄吗？”
#小记#：
渗流力：水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力（水是具有一定粘滞度的液体，当其在土中渗流时，对土颗粒有推动、摩擦和拖曳作用，综合形成作用于土骨架的力）。
水力坡度：单位流程的水头损失。
临界水力坡度：当土颗粒的重力与动水力相等时，土颗粒不受任何力的作用，处于悬浮状态，此时的水力坡度为临界水力坡度。
流土与管涌比较：
#贝爷教你逃离流沙#：
每日一思#：中英文描述达西定律的内容及适用条件
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