第七章渗透变形工程地质研究.

渗透变形工程地质研究工程学院岩土工程与工程地质系概述渗透变形产生的条件渗透变形的预测渗透变形的防治提要第一节概述一、概念渗透压力:渗透水流作用于岩土上的力，也称渗透力。渗透变形：岩土体在地下水渗透力（动水压力）的作用下，部分颗粒或整体发生移动，引起岩土体的变形和破坏的作用和现象。表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等。二、研究意义边坡工程渗透变形基坑工程渗透变形水库工程渗透变形1975年8月，特大暴雨引发的淮河上游大洪水，使河南省驻马店地区包括两座大型水库在内的数十座水库漫顶垮坝，1100万亩农田受到毁灭性的灾害，1100万人受灾，超过2.6万人死亡，纵贯中国南北的京广线被冲毁102公里，中断行车18天，影响运输48天，经济损失近百亿元。驻马店地区的水库建设蜂拥而上：1957—1969年代，新建水库200多座，由于片面重视蓄水，忽视防洪，导致隐患四伏。板桥水库和石漫滩水库兴建于1950年代。溃坝事故工程渗透变形堤岸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。一般来说，长江中下游平原冲积地层，上面是粘性土；往下是粉砂、细砂等，砂层间也有粘性土夹层的，再往下则是砂砾及卵石等强透水层，在河床中露头与河水相通。在汛期高水位时由于渗水流经强透水层压力损失很小，堤内数百米范围内粘土层下面仍承受很大的水压力，如果这股水压力，冲破了粘土层，下面的粉砂、细砂就会随水流出（在没有反滤层保护的情况下），从而发生管涌。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。上午9时左右，地面建筑物中山南路847号一幢八层楼房发生倾斜，其裙房部分倒塌。由于报警及时，所有人员提前撤出，无人员伤亡。三、渗透变形的类型1.管涌：在渗流作用下，细颗粒沿土体骨架中的孔道发生移动带走的现象，又称潜蚀。根据渗透方向与重力方向的关系：垂直管涌水平管涌2.流土：在渗透作用下，土体中的颗粒群或团块同时发生移动的现象。常发生于均质砂土层和亚砂土层中。第二节渗透变形产生的条件一、渗透变形的必要条件1、存在可能被渗流带走的松软土石2、具备强烈的水动力条件3、存在渗流出逸的临空条件3.接触冲刷：渗流沿着渗透系数相差悬殊的两种土层接触面带走细颗粒的现象。常发生于漂石和卵石等巨粒土与砂类土和粉土接触处。当水流沿两层土接触面方向流动时，因前者渗透系数和流速远大于后者，细颗粒易被水流冲刷带走。4.接触流失：渗流垂直渗透系数相差悬殊的两种土层接触面，将细粒土层的颗粒带到粗粒层中的现象。反滤层设计不当或施工不当时，在渗流作用下，被保护图层的颗粒被带到反滤层中。接触冲刷和接触流失多以单个颗粒独立运动为主。管涌和流土是主要破坏形式。第二节渗透变形产生的条件二、渗流的动水压力及临界水力梯度流入：pA=h1wgdw流出：pB=h2wgdw渗透压力：dP=pA-pB=dww·dh·gdwdlgρdFdwdlgρdWIgρdldhgρdldwdPD＝sat土体水下重量dQ=dW-dF=(sat-)·g·dl·dw=’·g·dl·dw动水压力（D）：单位体积土层所受的渗透压力浮容重当dP=dQ时，单元体处于临界悬浮状态，即将发生流土。此时渗流的水力梯度为临界水力梯度Icr——土的抗渗强度的大小。在渗流作用下，土粒开始发生移动时的水力坡度。则有：dw·dh·g=’·g·dl·dwdh/dl=’/Icr=dh/dl=’/Icr=’=(s-1)(1-n)太沙基公式土粒越密实，n越小，Icr越大，土体越不容易发生渗透变形。但太沙基公式未考虑土体本身的抗剪强度，所以实测的各种土的临界梯度往往较上述公式计算结果偏大。所以有必要进行修正。－土的侧压力系数式中：我国水利部门：扎马林：gctgInn(ρIcrscr)1(5.0)1)(121,管涌的Icr的求取较为复杂，一般通过图表法或试验测定。三、土体性质与渗透变形类型土体结构包括了土中粗细颗粒直径比例、细粒物质含量、土的级配等。1.粗细颗粒直径比例细粒从空隙中流动最优比例：d0/d≥8天然无粘性土n=0.395D/d0=2.5因此D/d=20有利于管涌d0：孔隙直径d：细颗粒直径D：粗颗粒直径土体的排列方式决定着D/d0的值：当排列疏松时，D/d0减小，有利于渗透变形当排列密实时，D/d0增大，不利于渗透变形2.细颗粒的含量用细颗粒含量来判别双峰型砾土的渗透变形型式：35%流土25%管涌=25%～35%流土或管涌，取决于砾土的密实度及细颗粒的组成中等以上密实度、不均匀系数较小的细粒土，发生流土。细颗粒成分中粘粒含量增加，可增大土的凝聚力，土的抗渗强度增加，不易发生渗透变形。3.土的级配特征：不均匀系数Cu=d60/d10Cu10流土Cu20管涌Cu＝10～20流土或管涌不发生接触流失的条件：Cu5且D15/d85=10或Cu=10且且D20/d70=7不发生接触冲刷的条件：双层土结构：D10/d10=10且两层土的不均匀系数均满足Cu=10四、地层组合关系单一型：多位于河流的上游，一般为砂卵（砾）石层，一般发生管涌，随着细粒成分的增多，可能流土。双层型：主要考虑表层粘性土的性质、厚度、完整程度。多层型：除考虑表层粘性土层外，还考虑砂层透镜体或粘性土层透镜体或相变等造成水力梯度的突变等原因。五、地形地貌条件沟谷切割等改变了渗流的补给、渗流的长度、出口条件等。六、工程因素施工等破坏了表层具有防渗作用的弱透水层。第三节渗透变形的预测一、预测步骤1.根据土体类型和性质，判定是否容易发生渗透变形及变形的类型；2.确定土体中各点的实际水力梯度；3.确定相对于该土体的临界水力梯度和允许水力梯度；4.判定渗透变形的可能性及其范围。第三节渗透变形的预测二、渗透变形类型的确定1.粗细颗粒比例2.细粒物质含量3.土的级配累计曲线：Ⅰ为瀑布式管涌Ⅱ为直线式不产生管涌，在高梯度下产生流土Ⅲ为阶梯式多为管涌，有时为流土分布曲线：呈陡峭单峰砂土一般不产生管涌，在高梯度下产生流土双峰或多峰且缺乏中间粒径者危险性管涌土三、实际水力梯度的确定常用方法有：水力学方法：计算及图解——数值计算法——12111223434222HHIKTTbKTHHIbHH逸平水平＝式中：、为上、下游坝脚处下层的测压水位理论计算法：坝后渗流溢出段的平均水力梯度（逸出梯度）：四、临界水力梯度与允许水力梯度的确定图表法：试验法：允许水力梯度：1mmIIcr＝允m—与地质条件和工程重要性有关：砂土：m＝1.5～3.0粘性土：m＝2.5～4.0m五、渗透变形可能性判定I实I允发生渗透变形I实I允不发生渗透变形示例分析某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口处经计算水力坡降I实为0.2，若取m为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏解答如下：临界水力坡降由于实际水力坡降I实＝0.2＜[i]，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏92.082.01168.211eGiscr允许水力坡降37.05.292.0][scrFiiI允第四节渗透变形的防治一、防治原则1.改变渗流的水动力条件，减少动水压力即降低水力梯度。2.改变土体结构，提高抗渗能力。二、防治措施（一）垂直截渗（二）水平铺盖（三）排水减压（四）反滤盖重（一）垂直截渗心墙坝斜墙坝粘土截水槽示意图（二）水平铺盖（三）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。减压井网状排水褥垫排水贴坡排水棱体排水（四）背水侧压渗盖重当没有必要采用封闭式垂直防渗幕墙或其造价太高时，可以采用背水侧压渗盖重的方法，来防止堤基渗流对表土层的渗透破坏。如果所需盖竽太长，应考虑与减压沟井联合使用的方法。其他的背水侧渗流控制措施，对堤身高度较大的情况，可以设置两层压渗盖重平台。这种方法在堤防工程中广为应用，效果明显。压渗盖重的形式很多，可以由不透水的变换到完全自由排水的。其形式的选择，取决于材料的料源及每种形式的费用大小。反滤盖重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。典型反滤层结构图思考题1、渗透变形的产生条件？2、渗透变形的破坏模式？3、渗透变形如何防治？