渗透变形工程地质研究.ppt

渗透变形工程地质研究 课程名称 工程地质学 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 多发生在不均匀的卵砾类土和砂类土中 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 g 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 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 管涌的Icr的求取较为复杂 一般通过图表法或试验测定 二 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 D d减小 有利于渗透变形当排列密实时 D d0增大 D d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 d10 Cu20管涌Cu 10 20流土或管涌 三 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 四 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 五 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 为瀑布式管涌 为直线式不产生管涌 在高梯度下产生流土 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 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 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 允许水力坡降 I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