Ch4渗透变形工程地质研究.ppt

1、1,Ch4 渗透变形工程地质研究,1 概述 2 渗透变形的类型与特点 3 渗透变形产生的条件 4 渗透变形的预测 5 渗透变形的防治,2,1 概述,1.渗流 地下水在岩石空隙（）中的运动称为渗流（渗透） 渗流是在与介质发生密切联系的条件下进行的。由于受到介质的阻滞，水的运动远比地表水缓慢。 2.渗透压力 渗透水流作用于岩土上的力，称渗透压力或动水压力 3.渗透变形 当渗透压力达到一定值时，岩土中一些颗粒甚至整体就会发生移动而被渗流携走，从而引起岩土的结构变松，强度降低，甚至整体发生破坏的工程动力地质作用或现象,3,1 概述,在自然界中，渗透变形一般发生在无粘性土和粉土中。如河流岸坡或阶地上的碟

2、形洼地，覆盖型岩溶区的“土洞”和陷穴，以及黄土“喀斯特”现象等。 更多的渗透变形现象是发生在工程场地中，由于人类工程活动使渗流加强，往往导致危害严重的渗透变形发生。而且它不但在松散土体中发生，在基岩的断裂破碎带、软弱夹层和风化壳中也可能发生。譬如，基坑和巷道开挖时的流沙现象，覆盖型岩溶区矿山疏干排水或汲取地下水产生的地面塌陷，水坝坝基的管涌等。,4,1 概述,渗透变形现象在坝工建设中尤为引人关注。这是因为建坝后促使河谷地段地下水的渗流大大加强，经常引起坝基松散沉积物或软弱岩体发生变形破坏，以致酿成溃坝的严重后果。 美国破坏的土石坝中，有40是坝基或坝体渗透变形造成的。 我国水利水电科学研究院于

3、1974调查了33座坝身有缺陷的土石坝，其中属渗透变形的约占60。,5,1 渗透变形的类型与特点,目前国内外对渗透变形类型的划分和术语名称尚未统一，但一般来说可以划分为潜蚀和流土两种基本型式。,6,一、管涌(piping)或潜蚀,1.定义：在渗流作用下单个土颗粒发生独立移动的现象，称潜蚀或管涌 管涌较普遍地发生在不均匀的砂层或砂卵（砾）石层中，细粒物质从粗粒骨架孔隙中被渗流携走，使土层的孔隙和孔隙度增大，强度降低，发展下去使土体呈现“架空结构”，甚至造成地面塌陷。,7,一、管涌(piping)或潜蚀,2.机械潜蚀和化学潜蚀 机械潜蚀：指渗流的机械冲刷力把细小的土颗粒携走，而较大颗粒仍留在原处。

4、 化学潜蚀：当土中含有可溶盐类的颗粒或胶结物时，水流溶蚀了它们，使土的结构变松，孔隙度增大，水流的渗透能力加强，这就是化学潜蚀。 化学潜蚀与岩溶不同，因为渗透的机械冲刷是主要的，化学溶蚀是从属的，为机械潜蚀的加强创造条件,8,一、管涌(piping)或潜蚀,3.分类 根据渗透方向与重力方向的关系，将管涌分为： 垂直管涌 水平管涌,土石坝坝基渗流示意图,坝前的渗流对土层起压密作用，不致于发生渗透变形。坝后的渗流对土颗粒起上托作用，使之易于松动、悬浮、被携出地表，为垂直管涌。坝底下的细粒物质从粗颗粒骨架孔隙中被渗流携走，为水平管涌。,渗流方向：在坝前(上游)由上向下，与重力方向一致；在坝底为水平方

5、向；渗流方向在坝后(下游)由上向下，与重力方向相反,10,一、管涌(piping)或潜蚀,4.接触管涌 定义：粗、细颗粒土层互相叠置时，在它们接触面上的渗流作用下所发生的管涌 分类：按渗流方向与接触面的关系 垂直接触管涌：在垂直于土层接触面的渗流作用下，细粒土层的大颗粒向粗颗粒土层孔隙移动的现象。 平行接触管涌 ：在平行于粗粒、细粒土层接触面的渗流作用下，由于粗粒土层的渗透速度比细粒土层的渗透速度大得多，而使接触面附近的细粒土层中的颗粒被携走的现象。,抽水井孔若成井工艺较差，井周砂砾石层中的细颗粒就会向井管外反滤料管涌，而随水流抽出井外。这种现象即为垂直接触管涌,12,二、流土(quick s

6、oil quick sand),1.定义：在渗流作用下一定体积的土体同时发生移动的现象，称流土或流沙 。 流土一般发生在均质砂土层或粉土中 。 流土的危害性较管涌大，它可使土体完全丧失强度。 管涌的发展演化，往往转化为流土。,13,3 渗透变形产生的条件,一.必要条件 引起渗透变形的动力因素是动水压力，一旦当渗流的动水压力达到岩土的抗渗强度时，就会发生渗透变形。 抗渗强度：岩土抵抗渗透水流作用的能力。,14,一.必要条件,1. 渗流的动水压力及临界水力梯度 地下水在松散土体中渗流时，土颗粒与水流围绕接触，由于水流流线之间以及水流与土颗粒接触面上摩擦阻力的作用，使得水流产生水头损失，因而沿土粒周

7、围渗流的水头将下降，也即渗流水压力将下降。此时每一个土颗粒在水头差作用下承受了来自水流的渗透力即动水压力。,假设渗透水流流经一单元土体 长度为dl 断面积为dw 上下界面的水头差为dh,动水压力数学表达式推导,则此单元土体承受的水压力dP为 dP=wg dh dw 式中： w为水的密度； g 为重力加速度 dP即为渗流因摩擦阻力而受到的水头损失，习惯以作用于单位体积土体上的水压力来表征，即 D=dP/(dw dl)= wg I D即为动水压力，I为渗流的水力梯度 I=dh/dl（单位长度上的水头差） 动水压力的方向与渗流方向一致,当w=9.8kN/m3，则D=Ig (kN/m3) 在水流由下往

8、上渗透时，一旦当动水压力与土体的水下重量相等，土体将处于悬浮状态而发生流土。此时渗流的水力梯度即为临界水力梯度Icr，即 Icr= / w wgIcr= g = Icr= /w w=9.8kN/m3 = Icr= =(s -1)(1-n) = Icr = (s -1)(1-n) 为土体的水下密度, s为土粒密度；n为孔隙率,由于砂土和粉土的土粒密度为1g/cm3左右，其孔隙率大致为30-50，所以临界水力梯度均在0.8-1.2之间。 修正公式： 太沙基公式未考虑到土体本身强度（即抗剪强度参数C、值）的影响，所以实测的Icr值一般较公式计算的要大些；尤其当土的结构较密实以及土中粘粒含量较多时，差

9、值更大。为此，E.A.札马林建议给予修正，即 Icr = (s -1)(1-n)+0.5n 我国有些水利部门考虑到土体的抗剪强度，建议采用 Icr = / w(1+ tg )+c/(wg) 为土的侧压力系数；为土的内摩擦角；C为单位土体的凝聚力（kPa）。,19,一.必要条件,2.影响土的抗渗强度结构特性 土体抗渗强度取决其本身的结构。制约渗透变形发生的土体结构特性，包括 (1)土中粗细颗粒直径比例 (2)细粒物质的含量 (3)土的级配特征,20,(1)土中粗细颗粒直径比例,只有当土中细颗粒的粒径d小于粗颗粒的骨架孔隙直径d0时，才会发生管涌。最优比值为：d0/d8。 一般天然无粘性土均为混粒

10、结构，孔隙率多为n39.5，大颗粒粒径D与其孔隙d0的比D/d02.5。所以有利于发生潜蚀的粗细粒径比例D/d20。,21,(1)土中粗细颗粒直径比例,砂土颗粒粒径与其孔隙比值的大小，与颗粒的排列方式关系极大。假定土粒为等粒球体，若为立方体排列最疏松，孔隙率n47.6，D/d02.4。若为四面体排列最紧密，n25.9，D/d06.4。 显然，土愈疏松，则细小颗粒在孔隙中随渗流运动愈顺畅；愈紧密则只能允许更细小的颗粒通过。,22,(2)细粒物质的含量,天然无粘性土的颗粒组成相当复杂，其分布曲线有单峰型、双峰型和多峰型。 目前对渗透变形意义较大的双峰型土作了不少研究工作。这种土的特点是在其颗粒组成

11、分布曲线上具有两个峰点，并在峰点之间有一明显“断裂点”。因此，可以认为这种土是由粗、细两组颗粒构成的,双峰型土颗粒组成分布曲线（点断线）及累计曲线（实线）,渗透破坏梯度与细粒含量关系图,当细粒含量达20-30时，产生渗透变形所需的水力梯度值急剧增大。但当细粒含量小于20时，临界梯度小于0.5，较公式算值0.8-1.2小得多。可能是由于土的结构和孔隙不均一的缘故。,25,(2)细粒物质的含量,用细颗粒含量百分数来判别双峰型砾土的渗透变形型式： 当细颗粒含量35时，为流土； 当细颗粒含量25时，为潜蚀； 当细颗粒含量在25-35之间时，流土和潜蚀均可能发生，主要取决于砾土的密实程度及细颗粒的组成。

12、中等以上密实度、细颗粒的不均粒系数较小的砾土，一般发生流土；反之为潜蚀。 细颗粒成分中粘粒含量的增加，不易产生渗透变形,26,(3)土的级配特征,土的级配特征用土的不均粒系数Cu表示， Cu值愈大，说明土愈不均匀，级配愈好 Cu 20时，主要型式是潜蚀； Cu在10-20之间时，流土和潜蚀均可能发生,临界水力梯度与土不均粒系数曲线,28,3 渗透变形产生的条件,二.充分条件 在具备渗透变形产生的必要条件前提下，渗透变形现象是否会产生，由宏观地质因素和工程因素来决定。,29,1.宏观地质因素,（1）地层组合：地层结构对渗透变形的影响，在坝基下表现最为明显。 （2）地形地貌条件,30,a.单一型地

13、层结构,大多位于河流的上游地段，一般为砂卵（砾）石层，厚度较小，往往产生管涌型渗透变形，其强烈程度则取决于土中细颗粒成分的含量 。 若粗粒骨架孔隙中细粒成分较多，且被渗流不断携走时，则会产生强烈管涌，甚至转化为流土。,31,b.双层和多厚层地层结构,双层和多厚层地层结构多位于河流的中游地段，其渗透变形是否会产生，主要取决于表层粉土、粘性土的性质、厚度和完整程度。 如果表层粉土、粘性土较厚而完整，且抗剪强度较大时，即使下层砂砾石的水力梯度较大，也不易产生渗透变形。 如果表层粉土、粘性土较薄或不完整，且位于坝下游地下水溢出段时，顶部可能发生流土而形成破坏区，下层的管涌或流土可相继发生。 如果下层的

14、砂砾石层由坝上游向下游逐渐变厚，由于过水断面增大而削减了动水压力，不易产生渗透变形；反之，如果砂砾石层向下游逐渐变薄甚至尖灭，则由于动水压力逐渐增大而易于产生渗透变形。,32,c.多薄层地层结构,多薄层地层结构一般位于河流下游地段，由细砂土、粉土和粘性土互相叠置组成，单层厚度不大，且多相变和尖灭现象。 产生渗透变形主要取决于表层是否存在粘性土，及其性质、厚度和完整程度,33,（2）地形地貌,主要表现在沟谷切割影响渗流的补给、渗径长度和渗流出口条件等方面。 若坝体上、下游的沟谷将弱透水的表土层切穿，有利于渗流的补给，并使渗径缩短而加大水力梯度。如果下游地下水溢出段的渗流出口临空，则极有利于渗透变

15、形的产生。 古河道分布控制了地层结构和岩性变化，对渗流补给和排泄条件有很大影响，在古河道上布设水利或汲水工程时，应充分注意渗透稳定性问题,34,2.工程因素,工程因素主要指的是渗流出口的保护问题。 土石坝和汲水井的渗流出口处，若任其临空而不加保护，则最易产生渗透变形 库水位的急剧消落 施工破坏坝前表面弱透水层 建筑物底面轮廓 渗流出口段必须要设置反滤层（料），使渗流既能顺畅地溢出，土层又不致于变形破坏,35,4 渗透变形的预测,渗透变形预测是渗透稳定性评价的主要内容。 在工程兴建以前，通过勘测了解建筑场地工程地质条件，结合工程的特点预测渗透变形的可能性，以便采取相应的防治措施，保障建筑物的安全

16、,36,渗透变形的预测步骤,1.根据土体的类型和性质，判定是否会产生渗透变形及渗透变形的类型 2.确定坝基各点，主要是下游坝脚处的实际水力梯度 3.确定临界水力梯度和允许水力梯度 4.根据实际水力梯度与允许水力梯度的比较，圈定出可能发生渗透变形的范围。,37,一、判定渗透变形的可能性及类型,1.分析坝基地层结构和地形地貌条件，初步判定可能产生渗透变形的地段。 2.根据颗粒分析资料绘制的累积曲线和分布曲线，计算出不均粒系数和细颗粒的百分含量，判别渗透变形的类型。也可根据累积曲线和分布曲线的形状来判定 。,累积曲线：凡属“瀑布式”者（1）产生管涌；凡属“直线式”者（II）不产生管涌，而在较高的梯度

17、下产生流土；凡属“阶梯式”者（III）多为管涌，有时为流土，（曲线向细粒方向缓坡延长者管涌，较大角度与横坐标相交者流土）,39,二、确定坝基各点的实际水力梯度,由于坝基地层结构和各层渗透系数的变化，水库蓄水后大坝上下游水头差的不同，以及坝基轮廓的差异等因素制约，坝基下实际水力梯度的分布是比较复杂的。目前确定坝基实际水力梯度的方法有理论计算法、绘制流网的图解法、水电比拟法及观测法等。,水平流情况下，坝后渗流溢出段的平均水力梯度（溢出梯度）,坝基下水平渗流段的平均水力梯度 可按直线比例法确定,H3、H4分别为上、下游坝脚处下层土的测压水位,43,三、确定临界水力梯度和允许水力梯度,确定临界水力梯度

18、的方法： 理论计算法 图表法 试验测定法 根据渗透变形的类型、工程重要性和不同勘察阶段等采用。 工程等级较低或初期勘察阶段，可采用图表法估计临界水力梯度 工程等级较高或后期勘察阶段，则应采用试验法直接确定临界水力梯度。,理论计算法仅适用于流土类型 根据土的类型及其密实程度，选择不同的计算公式 管涌土由于细颗粒在粗颗粒骨架孔隙中单独运动时受力条件比较复杂，目前尚无理想的计算公式，一般采用图表法或直接试验法确定临界水力梯度。,45,1.图解法求取临界水力梯度,(1)管涌临界水力梯度，采用细颗粒含量与渗透破坏坡降关系曲线求得临界水力梯度（即渗透破坏坡降） (2)当不均粒系数（Cu）小于20，渗透变形

19、型式为流土时，采用临界水力梯度与不均粒系数关系曲线求取 (3)参考渗透系数与临界水力梯度关系曲线求取临界水力梯度,渗透系数与临界梯度关系曲线,47,2.试验法求取临界水力梯度,试验法是测定临界水力梯度最直接、可靠的方法 室内试验 现场试验 （准确，昂贵）,48,允许水力梯度,1.概念：临界水力梯度除以安全系数m 2.m值的确定：根据地质条件复杂程度和工程重要性考虑。 一般砂土，m=1.5-2；粉土和粘性土，m=2.5-4 重要建筑物取高限，普通建筑物取低限 危险性较大的发展型管涌土，m值取高限。,49,5 渗透变形的防治,原则： 改变渗流的动力条件 保护渗流出口 改善土石性质,50,一、建筑物基坑及地下巷道施工时流沙的防治措施,1.建筑物基坑主要采取人工降低潜水位的办法，使潜水位低于基坑底板 ？ 2.板桩防护墙 3.水平巷道采用盾构法施工 4.竖井采用沉井式支护掘进,51,二、汲水井防止管涌的措施,主要措施：在过滤管与井壁间隙内充填反滤料，保护渗流出口。 反滤料的粒径选择，考虑被保护含水层中管涌颗粒的大小，使