土的渗透稳定与渗流控制要点

1、第一章 土的渗透性质第一节 概述一、土中渗透的基本定律二、无粘性土渗透系数的确定三、粘性土的渗透特性液体和气体在孔隙介质中的流动叫渗透。土的渗透性是指水在土的孔隙中 的流动过程及其性质；常以渗透系数来表示。 因为土的渗透性与土的强度、 变形 有密切联系，由有效应力将三者联系在一起，形成一个体系。同时渗透系数反映土的颗粒组成、结构、紧密程度、孔隙大小等因素的综合指标，在土木工程的各 个领域里的许多课题中都会用到。所以渗透性质的研究是土力学及渗流力学中极 其重要的一环。第二节 土中渗透的基本定律、土中渗透的基本定律1、达西定律v = kiH1 -H2Q =kA 12 =vAL2、平均流速与实际流速

2、（达西定律）Q, QQvV 平均=Y = - - = - 二 一 = v 实际A An nA n式中v 平均一一-平均流速；V实际一一实际流速；Q一一渗水量；A单位时间通过的面积；A n 单位时间通过的土粒孔隙的面积；n一土体的孔隙率；3、适用范围呈线性阻力关系的层流运动。临界雷诺数Re<1。渗流速度<0.50.7cm/s。4、符合达西定律时的水力比降i和有效粒径di。i <800> 100、12、0.8、0.1d 10=0.05、0.1 、0.2、0.5、1.0mm、结论达西定律揭示了流体的本构关系；渗流的实际流速远远大于平均流速；达西定律是有适用范围的。、试验方法试

3、验方法室内现场第三节无粘性土渗透系数的确定常水头（粗粒土）砂质土变水头（细粒土）粘性土和粉质土 抽水（重要建筑物）注水（重要、次要建筑物）、两种计算方法1、两种半经验半理论的计算方法1）水力半径理论一柯森一卡门g n31v (1 - n)2 s2K渗透系数；A毛细管截面形状及渗透长度修正系数;，一一流体的运动粘滞系数；g一一重力加速度；n一一孔隙率；s 一一比表面积；s =湿润孔隙的表面积单位固体体积2）孔隙平均直径法a:均匀土的平均直径D0=（0.20.3）db:不均匀土的平均直径I加权R d2 - dadb da - d20db -d 10一般采用d2=d20对不均匀± Do =

4、0.38得d20c :无粘性土孔隙平均直径的试验确定Do =0.63nd20水利水电科研院d: 孔隙平均直径计算k值2k10=ADe: 无粘性土的k 水科院k =0.0031n3£d；0T =10 C= 0.013cm2 /sk=234n3d20d20等效粒径2、常见的几种确定渗透系数的半经验半理论公式a:哈增公式 k=cd io2 c=100 500b：柯森公式k780昌d：1 =£瓯+3钝(1M :d： di2 dic:扎乌叶布列公式门32k18 =c&d17(c=134 350)d:康德拉且公式k18 =105n( D50)2=-Dn-D100 _ne：水科院

5、3.2k10 =234n3d20第四节粘性土的渗透特性一、压实含水量对粘性土渗透性的影响1、偏干时，以凝聚结构为主，杂乱排列，孔隙连通性好，k值大。2、偏湿时，分散结构，定向排列，孔隙通道尺寸小，k值小。二、压实干密度对粘性土渗透系性的影响。压实试验表明，压实含水量相同而干密度不同的土样，其所消耗的压实功 是不一样的。由于结构的不同，使无粘性土的孔隙率对渗透系数的影响程度可 达两个数量级以上。无粘性土，表明压实土的结构性远强于无粘性土，致使确 定无粘性土渗透系数的数学模型不适用于粘性土。三、结论影响压实粘性土渗透性的重要因素是压实含水量和压实功能以及由此而引 起的士的不同结构形态。含水量对渗透

6、系数的影响要比干密度对渗透系数的影 响大。30第二章无粘性土颗粒组成的类型与基本性质第一节 概述1、 无粘性土的描述：无粘性土包括各类砂及砂砾石，是土石坝的主要建筑材料，而且是水工建筑物中常遇到的地基土。2、 对于无粘性土它的颗粒组成范围广，对砂砾石本身是砂和砾石的混合物也就决定了其性质可能是砂也可能是砾石。3、 土的物理力学性质主要决定于颗粒组成特性，在渗透和渗透稳定性方面于颗粒组成的关系更为密切，对渗透稳定的研究实质就是对颗粒组成特性的研 究。4、 提出了渗透性，抗渗强度与孔隙率的大小有密切关系在相同相对密实度下均匀土的孔隙率大，干密度小；不均匀土的孔隙率小干密度大。5、 由颗粒组成能反应

7、无粘性土的基本性质，法勒和桑普松提出理想级配公0.45P -1 d 100%D式中p小于粒径d的含量百分数；D 最大粒径，mm认为符合这个式子的无粘性土具有最小孔隙率及高力学指标。6、 密实性与细料含量及不均匀系数的关系式中n 孔隙率；Gs土的比重；p w水的密度，g/cm3;P d干密度，g/cm 3;第二节无粘性土颗粒组成类型与分类一、颗粒组成颗粒组成是研究无粘性土基本性质的主要依据，通常以各粒径含量的累积 曲线，或分布曲线表示。均匀土：分布曲线上是单峰形式，各粒径都有一定的含量，峰值粒径含 量占绝对优势，具破坏形式主要是流土破坏。无粘性土单峰形：峰值远离中值，呈左偏峰，出现双峰时右峰较低

8、，两峰连续，谷点里粒径至少占4豚5%曲线无明显平缓 段，集中在某段，无峰值。不均匀土：级配连续和级配不连续双峰形：双峰间有间断，有的相连接，但最低点粒径含量小于或等于3%累积曲线呈椅子形，出现台阶。二、均匀土的区分原则和方法均匀土特点：级配不良，压实性差，孔隙率大，稳定性差。太沙基指出d <0.1mm,Cu <5的砂最不稳定。对于均匀土的确定尚不统一，下列有几种方法标准:1. Cu <5的土叫均匀土2. Cu <10的土叫均匀土3. Cu = 5 10之间的叫均匀土、结论把不均匀土进步分非级配连续和级配不连续的两种C第三节不均匀土颗粒级配曲线形状与基本性质一、级配不连续

9、的土的基本性质1、颗粒组成特征这类土的粒径大于5 nlm的砾卵石，细料为砂土类粒径普遍小于 1.0 mm在颗 分曲线上有双峰值，谷底粒径含量小于 3%2 、土孔隙体积、粗料的骨架作用与细料含量的关系细料含量：指谷底粒径（0.55mm小于谷底粒径累积百分含量值。细料含量少时，不足以充满粗料孔隙，也就不破坏粗料的骨架作用，其性 质仍取决于粗料。但随细料的含量的增加，混合料密度增加，孔隙相应减小，到 细料超出一定含量时，混合料性质就取决于细料。最优级配的细料含量P=25喇30%3、混合料中开始参与骨架作用的细料含量理想状态下的计算式:n21 -n2：,2：d1n2其中 Pa =(1 - n1bPs1

10、；在理想状态下：1=工；并考虑到无粘性土一般Psi = Ps2 ；得出细料含量与孔隙率的关系P=n。1 - n为使P含量与实际相符，就要考虑粗料孔隙体积被撑开的影响，由实验分析知n随n增大而增大，且An? =3n2;我们取粗料孔隙率为0.3，则& = 0.3 + 3n220.3 3n - n1 一 n但在实际中，混合料中细料是多少要撑开粗料孔隙的，所以理论计算的P要小于实际中的。实际值小于它时表明细料没填满粗料孔隙；实际值大于它时细料填满粗料孔隙且与粗料共同组成骨架；当实际值等于它时认为混合料有最优级配料。4、渗透系数与细料含量的关系；P30%寸填不满孔隙，对渗透系数起控制作用的是粗料

11、。P30%寸孔隙与细料产生关系。P70%寸粗料只起填充作用，对渗透系数的影响减少直到消失。二、级配连续土的基本性质1、级配连续土的性质： C u>101<C c<32 、确定粗细料的区分粒径的标准进行探讨：1）d=12 mm为区分粒径（主要用于区分土的渗透稳定性）；2）d=5mm为区分粒径（用于区分和研究土的压实性）；3） d = v'd10d70粗料被细料撑开为准则,四=30%-35%、结论将细料含量进一步引伸到级配连续中来，关键变成：确定细料含量的粒径值第四节 无粘性土的颗粒组成与密度、孔隙率，颗粒组成及密度的关系式中n 0单一粒径均匀土的孔隙率，紧密时 0.3疏

12、松时0.46;n孔隙率；Gs土的比重；p w水的密度，g/cm 3；p d干密度,g/cm 3；二、结论non 二8Cu已知土的不均匀系数，并明确了土体需要达到的相对密度， 即可选用相应懂 得命值,然后根据上式估算土体的孔隙率。在缺乏土的干密度试验资料的情况下， 计算土的渗透系数或孔隙平均直径时，就可用上式计算孔隙率。第五节特征粒径和特性参数、特征粒径有效粒径di0；等效粒径d2o；分界粒径d3°, 土中小于或等于d30的部分为填料，大于d30的部分为土的骨架;哈增粒径de。；控制粒径d7o,不均匀土中粗料开始起控制作用的粒径；太沙基控制粒径d85；、特征粒径与特性参数1、不均匀系数

13、CUde。dio是反映土的组成离散程度的参数，G值越大，土越不均匀。但不能反映颗粒 级配曲线的形状、类型及细料含量的多少。2、曲率系数CCCcd；。diod60表明颗粒级配曲线的类型及细料含量。CC1.0,级配不连续，且细料含量大于 30%CC5.0,级配不连续，且细料含量小于 30%1 <CC <5,级配连续土，内部结构稳定。3、细料含量P表示不均匀土中粗颗粒的孔隙被细颗粒填充程度的指标。一般以细料占总 重量的30%乍为评价细料填满粗料孔隙体积的界限指标。第三章 无粘性土的渗透稳定特性及抗渗强度第一节 概述无粘性土是各类砂及砂砾（ 卵） 石混合料的统称， 颗粒组成变化范围很广，不

14、仅是土石坝的主要筑坝材料， 而且是常遇到的地基土， 无论是作为筑坝材料或是大坝地基， 在渗流作用下都需考虑破坏问题， 许多水工建筑物的破坏和失事都是由于渗透破坏而造成， 故渗透破坏为工程界广泛所重视。 土的渗透稳定性就是反映土的各类渗透破坏性质的总称。土的抗渗强度是土体抵抗渗透破坏的能力，即：单位土体能承受的极限渗透力：i xrw , 土的抗渗强度一般用Jn来表示。无粘性土的渗透稳定特性及抗渗强度实质是从渗流的角度和颗粒特性出发来研究颗粒间的相互制约程度，从而认识其破坏机理。第二节 无粘性土的渗透破坏形式及判别方法一、无粘性土的渗透破坏形式：水工建筑物与地基的渗透破坏，在后期多表现为集中渗流对

15、土体的冲刷，以往统称为管涌， 但是由于渗透破坏的机理不同， 于是土体能够承受的渗透力以及形成集中渗流管道直到最终破坏所需要的时间都不相同，有的建筑物很快失事， 有的则需要较长时间。 从渗透破坏机理的角度将破坏形式分为： 流土， 管涌，接触流失和接触冲刷四类。1、流土：局部土体的集体流失，发生在渗流出口无任何保护的情况下2、管涌：细颗粒被集体带出，多发生在砂砾石土层中，根据发展形态的不同分为：发展型： 细颗粒连续不断的带出，土体不能承受更大的水头，甚至出现土体所承受的水头有所下降的情况非发展型：出现管涌现象不久，细颗粒停止流失，当继续增大水头，管涌继续出现，土体承受的水力比降增大，土体最后以流土

16、的形式破坏。 （实际是过 渡型）3、接触流失：发生在垂直方向上，粗、细颗粒的接触层面间，包括接触管涌和接触流失4、接触冲刷：发生在水平方向上以上四种破坏形式中，前两种发生在单一土层中，后两种发生在成层土中。单一土层的渗透破坏形式又可细分为：流土、管涌、过渡型三种。对于过渡型，当土体处于密实状态可能呈流土型，疏松状态呈管涌型。二、渗透破坏形式的判别方法：主要有三种：1、单一因素法：1）依斯托美娜的不均匀系数法：a. Cu<10: 流土型，允许抗渗比降i =0.4b. 10<Cu<20过渡型，i =0.2,不适用（没有区分连续和不连续，也没有考 虑细料含量，过于笼统）c. Cu&

17、gt;20 ：管涌型， i =0.1 , 不适用 （理由同上 ）2)普拉维登的细料粒径对比法：(适用于级配连续土)a. Do/d <1.3 非管涌土b. Do/d > 1.3 管涌土其中：Do为孔隙平均粒径，主要取决于细料直径，d取为d3Do由下式计算：D0 = 0.535. Cu n d171 一 nD0 =0.026(1 0.15Cu), k/n当满足判别式:d3d17d3d17_ _ _ _ n _ 0.34(1 0.05Cu)6 Cu1 - n ,，、,一 一时，为流土，否则就为管涌。2、双因素法：康德拉且夫同时考虑了曲线形状和混合料中粗料的孔隙率两种因素，以混 合料中粗料

18、的孔隙率nck与粗料单独存在时的孔隙率n2相比较，给出判别渗透破 坏形式的准则：1 ) n ck> n2时，粗料处于互不接触的状态，破坏形式为流土，由分析结果认为n250%2) nck< n2时,为管涌a. D 0>(d70)z时，为整体管涌：细颗粒不断被渗流带出土体b. D 0<(d70)z时，为局部管涌,即：过渡型该方法的缺点在于：将级配连续土全归于过渡型。3、综合分析方法：将无粘性土先根据颗粒组成特征分成几种类型，分别提出相应得判别标准,这样使得分析方法更加简单，分析结果更为可靠。不均匀土，又分为级配连续和级配不连续土。1)均匀土：破坏形式为流土2) 不均匀土：级

19、配不连续土的渗透破坏特性：a. 破坏形式取决于细料含量细料全部充满粗料孔隙：破坏形式为流土细料未充满粗料孔隙：破坏形式为管涌或过渡型b. 以最优细料含量出作为判别渗透破坏形式的标准Pop= (0.3+3n2-n) / (1-n)谷底粒径含量P<0.9Pop,管涌(P<25%从工程实际出发)P>1.1Pop,流土( P>35%P=0.9 1.1Pop,过渡型(P=25呛 35%级配连续土的渗透破坏特性：a. 分界粒径：(最优细料含量法)P<0.9Pop,管涌，P<25%P>1.1Pop,流土，P>35%P=0.9I.IPop,过渡型,P=25%35

20、%b.孔隙平均直径法： Do=0.63nd20D o> d 3 , 管涌D0< d3 ,流土D0= d3d5 ,过渡型 天然无粘性土渗透破坏形式的综合判别法：水利水电科学研究院法, 从均匀土和非均匀土来划分。第三节无粘性土的抗渗强度、流土型：1、太沙基公式：i Bn=(Gs-1)(1-n),比实际值约小15%- 20%2、扎马林公式：i Bn=(Gs-1)(1-n)+0.5n、管涌型：1、依斯托美娜：J =4.5(/)2d0vdB允许的可移动的细颗粒粒径d。d0v土体孔隙平均直径，可有文献1(3)= f(Cu)的关系确定 d502、康德拉且夫方法：、G -1紊流：口)Gs 1 一D

21、1 (1.5 -2.5)?dB层流：口 =一二 D0 21 0.43()2 dB、水科院确定无粘性土抗渗比降的方法：1、连续级配管涌型土的抗渗比降：i cr =2.2(1-n) 2(Gs-1)d 5/d 202、级配不连续土的抗渗比降： 可引用以上公式或者通过试验确定3、根据渗透系数K确定抗渗比降：根据图1-1和J-K关系曲线确定。P58。 4、无粘性土抗渗比降的变化范围及其允许值：抗渗 比降土的抗渗破坏形式流土过渡型管涌CuW 5Cu>5级配连续级配不连续J破坏J允许O.8 1.0O.4 0.51.0 1.5O.5 0.8O.40.80O.25 0.40O.2 0.4O.15 0.25

22、O.10 0.30.10 0.2注：表中所列数据只适用于渗流出口无反滤保护的情况，大值用于34级建筑物，小值用于12级建筑物J允许=J= J破坏/安全系数在上表中，确定J允许时：考虑流土是整体破坏，故采用 2为安全系数管涌破坏时的安全系数采用 1.5左右即可。四、结论本章的实质是从渗流的角度和它的颗粒特性来研究颗粒间的相互制约程 度，破坏机理，最终得到抗渗比降，从而得到允许比降，为设计者分析建筑物的 渗透稳定性并进行渗流理论提供理论基础和方法。第四章粘性土的抗渗强度第一节概述一、粘性土（一般为粘土、南方红粘土、分散土）特点特点：W>26% Ip>47,粘粒含量>10%（d&l

23、t;0.005mm） Cw0,中等密实状态, K<1X 10-4cm/s,因此可作为防渗材料。二、粘性土的渗透稳定特性粘性土的渗透稳定特性取决于粘土的矿物成分、交换阳离子的成分和含量，孔隙液体含盐量及成分等物理化学因素。三、粘性土分类1、南方红粘土：残积土为主，亲水性差，*40%高岭石为主，抗渗强度高。2、北方一般粘土：沉积为主，具有湿化崩解性，高岭石、伊理石为主。3、分散性土：纳蒙脱石为主，遇纯净水迅速崩解水化成原级配，抗冲蚀能力差，PH>8.5。4、黄土。第二节 分散性粘性土的基本性质、鉴别方法及抗渗强度一、分散性土的基本性质分散性粘性土是一种在纯净水中团粒能够大部或全部自行分

24、散成原级颗粒 的土。1、其他物理化学性质及矿物成份1）塑性不高（中塑性）、粘土及粘质粘土，粘粒含量>30%寸也如此。2）矿物成份：Na+蒙脱石（钙蒙脱石不易分散） 二、分散性土的鉴别方法：1、针孔试验是通过土的抗冲蚀能力鉴别分散性的一种方法1）使渗流很快通过土体观察各级水力比降下针孔冲蚀的情况。（I）=1.0mm的针孔，在多各级比降下观察针孔的冲蚀情况：L=100cnf D=3.54.0cm,试样长3.8cm,预埋1.3cm的锥体，第一次水头5cm,实际比降为2.0 ,在510min, 出水浑浊且渗透流速逐渐增大，冲蚀后 小3.0mm,则为分散性土。出水不浑 浊且渗透流速稳定，i提高到4

25、0,渗流速度没有多大变化，具有高抗蚀能力，则 为分散性土。针孔试验分散性鉴定标准各次试验结果分类类别D及6分散性土，在2.0的水力比降下迅速破坏ND及 ND中等分散性土，在 2或7的水力比降下冲蚀缓慢ND及 ND非分散性土，在1540的水力比降下没有冲蚀注：D分散，ND-非分散。2）注意的问题：试样制备：含水量应在塑限为wop± 2%,干密度应大于饱和含水量为液限 时的干密度针孔的扩大情况：分散性土针孔是由下游向上游呈均匀的扩大，如果发现仅仅是出口扩大，或出口远大进口表明是由于出口 的渗透破坏引起的针孔扩大，此时应放小出口砾石的 粒径，进一步观察针孔的冲蚀情况2、双比重计试验一一即两

26、次比重计试验1）方法常规不加分散剂，不煮沸，不搅拌只是将土样用蒸储水浸泡，抽气 10分 钟，抽走孔隙中的气体，倒人量筒，摇晃均匀后用比重计测定粘粒含量。比较两 次测定的粘粒含量得土的分散度 D。100%不加分散剂时：二0.005mm颗粒含量加分散剂时：二0.005mm颗粒含量2）标准：D<30%非分散性土，D=30%r 50%过渡型，D>50%分散性土3）注意的问题：试验土样要用天然含水量或半风干状态的土 ，不能用烘干土 不加分散剂的试样不能浸泡时间过长 ，以免部分团粒自行分散 使非分散性土误定名为分散性土。3、孔隙水溶液试验一一是通过孔隙水溶液中钠离子含量的多少鉴别土的分散性1）

27、方法：将士用蒸储水拌合成液限的稠度，再用真空法将孔隙水汲出 测定孔隙水中四种金属阳离子（钠、镁、钾和钙）的总量。以毫摩 尔每升计（mmol/L）TDSNaNa Ca2 KMg2100%2）金属阳离子的成分3）有无裂缝4）渗流出口临空面的大小等因素2、提高分散性土抗渗强度的方法：1）渗水中含有一定量的二价钙离子，2）或土中掺入3分5%勺石灰，均可降低土的分散性，甚至变成非分散 性土，抗渗强度变成非分散性土的强度。3）在渗流出口用细反滤作保护，同样可以具有较高的抗渗强度。由上可知，分散性土不宜于作均质坝。用作心墙防渗材料时在与岩石和岸 坡接触带多掺入3%-5%的石灰外，并且整个下游面用渗透性相当于

28、中细砂的材 料作反滤层可保证防渗体具有足够的抗渗强度第三节非分散性土正常条件下的抗渗强度* * 非分散性土和分散性土的区别就是遇到纯净的水后粒团是否分散* *正常条件是指土体的整体性未被裂缝破坏的情况* *粘性土的主要特征是具有较大的内聚力， 细颗粒都呈粒团存在。工程性质主要决定于粒团遇水后的稳固程度一、粘性土渗透破坏的机理1、基本因素性质密度、水流方向渗流出口无保护的临空面的大小2、达维登柯夫给出了粘性土渗透破坏时抗渗强度的本构关系6cwJn = - r cos- Do6C rrw Do rw式中Jn 抗渗强度；C 与土性有关的抗拉内聚力；D反映渗流出口土表面无保护临空面大小的参数，以孔隙直

29、径表示，单位cmi;r 土体浮容重。a土体表面与水平面的夹角，正号表示适用于渗流向上，负号表 示渗流向下的情况3、注意其实质说明抗拉内聚力C不是常数，它不仅决定于土的密度和含水量，同 时决定于粒团遇水后的稳固程度（即水化能力），特别是实际达到的水化程度，而 水化能力的高低要看粘土矿物成分而定，实际能以达到的水化程度取决于渗流出 口无保护面积的大小以及是否被水所淹没两种因素，它随着土表面水化程度的增加而减小4 、粘性土渗透破坏的三个原因1 )单纯在渗透水流下作用的破坏2 )渗流出口土体表面的水化崩解造成的破坏3 )渗透力和土体水化崩解同时作用的破坏二、粘性土的抗渗强度1、抗渗强度与土密度间的关系

30、由单纯研究抗渗强度与干密度之间关系的试验资料表明：土的抗渗比降与 密度呈以下双曲线函数关系.Jna bJn在半对数坐标中则呈直线关系，式中 a、b,是系数，决定于土的基本性质 2、抗渗强度与土性的关系反映土性的指标：液限干密度PdL因为处于液限状态时各种土性的抗拉内聚力C都很小，理论上其值应当接6c r近于零，由Jn-6±-,不同土性的土料具有基本相同的抗渗强度rwD0 rw所以用液限状态时的抗渗强度作为基本抗渗强(PdL相当于一个常数四 J 一 一J 一工一和Pd相当于一种倍数关系)，用Pd =(1-n)Gs ,dLai bJna bJnPdL =(1-m)Gs代入上式：d 二 J

31、n:dL aibiJn(1-n) 一 Jn(1-nL)a bJn从而导出以孔隙率表示的抗渗比降。经整理上式得Jn= a(1-n)(纯变形过程)=15(1-n)(1 -nL)-b1(1 -n)(1 - Al)-0.79(1- n)式中a1 =15, b =0.79是试验常数3、出口无保护临空面的孔径与抗渗强度的关系临空面孔径的增大，抗渗强度逐渐降低通过对试验资料的整理得出抗渗强度与临空面孔径呈双曲余切函数的关系，回归分析结果为3311 0.09D04、粘性土的抗渗强度由上n)_=- Jn (1-nL)Jn=ai+biJn (1)(是线性关系)(1-%)a1+bj'iZ (1 -n)由(1

32、)把个不同土，不同临空面孔径的试验数据绘成图如图(4-9)(注意横纵,，一 ,331 .一坐标)，在由Jn = -2把图(4-9 )的横纵坐标变为1 0.09D0(1 -L)1 +0.09Do2 Jn，,(1十0.09D。2 Jn则图(4-9)中各直线就在一直线上 /、I I ' 'I I24(1 - n)在回归分析可得J =1-n)(1 -nL) -0.79(1- n) (1 0.09D02)24(1 - n)(0.21 f 0.79n)(1 0.09D。2)综合大量试验资料，对粘性土的抗渗强度可采用下列一般表达式：_24(1 - n)J n -'2(1 %) 0.7

33、9(1 -n)(1 cD° )式中，c值是反映土体的水化能力及水化程度的系数，其值变化于0. 060. 15之间，大值适合于粘土矿物以蒙脱石为主的粘性土，小值适合于南方红粘土。第四节裂缝土的抗渗强度* 土质防渗体裂缝后抗渗强度大幅度降低，同时在渗流作用下有以下特征：1)在小的水力比降下裂缝会自行愈合，而且在缓慢蓄水过程中愈合部分可 以得到渗透压密，抗渗强度会有一定提高。2) 裂缝愈合能力取决于三种周素，是土的水化崩解能力，即粘土矿物成 分，是开始作用的水力比降，是出口反滤层的粗细。水化能力强，开始的水 力比降小，出口反滤层细，裂缝愈合性能好，否则愈合性能差。3) 如果渗流出口有合适的

34、反滤层作保护，即使在大的水力比降作用下，裂 缝也不会受冲蚀，因而能够自行愈合.一、土体裂缝后的自愈能力1) 土体的自愈能力遇水后才有明显表现，干燥状态的土，裂缝是不会自愈2)开始作用的水头小，裂缝自愈性能好，大水头时，具有反滤层保护。但 自愈后的抗渗性要差于小水头作用下的情况。3)南方红粘土的湿化崩解能力弱，裂缝自愈能力差，但仍能有较高的抗渗 强度。、裂缝土的抗渗强度1、主要决定于土性、裂缝是否自愈反滤层的粗细红粘土 一般粘土 蒙脱石为主的粘土2、同种类型的土的icr裂缝未愈合 愈台后无合适反滤层保护的土反滤层较细时仍具有较高的抗渗强度未发生裂缝的情况3、在相同的反滤层保护下分散性高的土其抗渗

35、强度低于分散性低的土第五节粘性土的允许抗渗比降*目前工程实际中所采用的允许平均水力比降值比试验室的结果小很多，原因是，认识还不深透；另外防渗体是保证土石坝安全的首要结构，一旦失事，将 会带来灾难性的后果；室内试验的控制条件不统一，因此持更慎重的态度 一、正常情况下组成粘性土允许抗渗比降安全系数的因素土的施工含水量低于设计含水量；施工干密度对抗渗强度的影响：土体饱和度对抗渗强度的影响；反滤层铺设条件的影响程度；工程实际中的出逸水力比降大于工程常用的平均水力比降的问题1 、施工含水量的影响施工含水量偏高一一变化不明显，低于最优含水量一一抗渗强度明显地降低由试验得115. 一5 = 0.76 （如图

36、 4-14）1512、土体干密度的影响（按规范规定，大坝实际填筑的干密度，只要90%认上的试样达到没计干密度，即认为满足设计要求）由试验得4003 .土体饱和度的影响（自然状态下形成的渗流场，土体饱和度主要在Sr =85%90%£围内）由试验得4 .渗流出口反滤层保护条件的室内外差别1）现场施工为机械施工，反滤出现分离现象；2）室内模拟两种施工方法在结合面产生了不同的结合条件：点接触 （先填 土压实后铺反滤层）；面接触（先铺反滤层后填土）1050.502105 .试验时的水力比降与实际工程中水力比降的差别工程中水力比降大于试验时的水力比降（平均水力比降），最大出逸比降为平均水力比降的

37、2.53.0倍11c c5 = ,'= 0.3 0.42.53.0、决定允许抗渗比降的安全系数1、抗渗比降的折减系数减系数用味的倒数表示=241）上述五种最不利的条件在工程中同时出现时，则123450.76 0.53 0.69 0.50 0.32）填土与反滤层呈紧密结合12 ）=12123512353）防渗体在湿于最优含水量的条件下填筑（不考虑含水率的影响）1 =9.1 0.53 0.69 0.32、允许抗渗比降的安全系数的确定安全系数包括上述折减系数及安全储备两个方面，若取安全储备为1.21.5 ,则安全系数k为k=(1.2 1.5) n并可分为以下几种类型。1）填筑含水量在缶

38、77;3%的条件下 opk=1418式中op 最优含水量。2）填筑含水量在湿于最优含水量的条件下k=8.0 103）若设计水力比降以出逸比降为标准，湿于最优含水量下填筑k=2.5 3.5式中大值用于一、二级建筑物，小值用于三级及以下的建筑物、试验结果已考虑裂缝时的安全系数k=2.5 3.5第五章设计反滤层的基本原理与方法第一节概述一、反滤层的基本作用滤土减压防止土体渗透破坏二、反滤层设计D ， c一 <4 10 dD 是应能反映反滤层孔隙大小的粒径（取决于细粒土）d 是土的控制粒径：控制了该部分的土不被渗流所带走。三、反滤层的设计方法中将被保护土分为粘性土：与它的稠度和水稳定性有关；无粘

39、性土：是保护土的颗粒不流失。四、土的渗透破坏特性与渗流方向的关系型型反滤一一渗流向下的反滤层型反滤一一渗流向上的反滤层五、近年来反滤层在理论和实践上的发展表现在三个方面1 、确定无粘性土控制粒径时，考虑了土的渗透稳定性；2 、反滤的料源由Cu<5增大到了 Cu<4Q3 、明确了粘性土反滤层设计原则裂缝的自愈能力和反滤层的颗粒组成。第二节无粘性土反滤层的作用、基本原理和设计方法一、反滤层的作用滤土减压1、滤土作用的是不允许被保护土的颗粒穿过反滤层孔隙2、为了满足滤土的作用选料是应该符合下列公式庄，12dk3、减压作用主要决定于反滤层与被保护土之间的渗透系数的差值，二者差值愈大，降压效

40、果就愈明显。4、减压的原理呈下列关系式Ji K2J2 Ki:、反滤层的设计方法1、分为：渗流向上时和渗流向下时1）渗流向上的情况，由于重力与渗透力相反的方向，除均匀土外，三个 颗粒并排被渗流带走的可能性要小，而以两个颗粒并排被渗流走的可能性要 大。则反滤层滤土的一般设计式表示如下以及排水条件D024d202）渗流向下的情况，由于自重的作用反滤层的等效粒径要大于渗流向上 的情况，可以用下列关系式表示= D0wiO2、几种常用方法的适应性比较1）均匀的土可以使用常规的设计方法2）不均匀的土不能用常规的方法必须通过试验得到Do的值第三节无粘性被保护土的控制粒径控制粒径是控制土体渗透破坏的粒径一、决定

41、控制粒径的因素1、决定级配连续土控制粒径dk的因素1） Cu与dk的关系CU小，相互制约的能力强，因而dk出现的概率就大。反之，dk出现的概率 就小。2） 土的渗透破坏特性与dk的关系管涌型土控制粒径出现的概率小而过渡型和流土型概率大2、决定级配不连续土控制粒径dk的因素细料含量是决定控制不连续土控制粒径的主要因素。因此决定无粘性土控 制粒径的因素和决定渗透破坏形式的因素是相同的。二、各类土控制粒径的试验分析和确定上述分析表明抗渗强度高的土， dk出现的的概率大于抗渗强度底的土。非 管涌土又分为级配连续和不连续两种情况，级配连续的土，不均匀系数愈大， 控 粒径出现的概率愈小，级配不连续的土，随

42、细料含量的减少而控制粒径减相应的 减少因此在确定无粘性土的控制粒径时同样应将士分为两大类，四种情况，即1）级配连续的± D00d5非管涌型土D0 >d5管涌土。2）级配不连续的± P >25% 非管涌型土P< 25% 管涌型土1、级配连续型土控制粒径的理论分析1） D°wd5的非管涌型土当 G<5 时 dk=d70 ,当 Q>5 时 dk=f（Cu） d k2） Do >d5的管涌土，d k=d®只能起滤土作用，不能减压。3） 级配不连续型土控制粒径的理论分析4） 当P> 25%寸（主要取决于细料含量，非管涌土）

43、dk=d7o.p5） 当 P< 25%寸（管71±）dk=d15第四节 粘性土反滤层设计的基本原理和方法粘性土反滤层的设计分为：有裂缝和无裂缝的情况、无裂缝谢拉德在粘性土 W=W后得出的结论1、d85<0.074mm寸的粉土和粘土料，反滤层的要求是:D15 <9d852、对d<0.074mmB勺颗粒含量占40%-85%勺砂质粉土和粘土，以及 Cu较 大（宽级配）的其他防渗土料，反滤层的要求是Di5< 0.7mm、有裂缝的粘性土的反滤层的设计问题裂缝开度的大小对反滤层取值影响不大，与土的分散度有关D 20(mm)0.2520.1 D -0.6D2三、粘性土

44、反滤层设计准则1 、不考虑裂缝情况（三级以下建筑物）D20< 2.74.7 4.8nl -9.5n1 -4.8nL 3.8n(mm)2、考虑裂缝情况1）要保证裂缝可以自愈2）设计准则要满足A 南方红粘土D 20 < 2.0mmB 北方的一般粘性土D 200 0.8mmC分散性粘土及其它类型的细粒土D 20 0 0.5mm3、含有粗料的粘性土一一宽级配土对于这类土，仍以保护细料为原则。细料以<0.1mm的颗粒来划分，等效粒的选择为。0 2.0mmf口 D20 < 0.8mm第五节 设计反滤层的内容、步骤和方法、反滤层设计的内容1、确定第一层反滤允许的等效粒径 D。；D0

45、<4-12dkD20>2-4 d202、确定反滤层需要的层数（n<2）;3、确定其反滤层的等效粒径，最终给出颗粒的组成:也三4-12 皿三4一12dkD20-4、定出各层反滤的厚度：人工施工：T min > 30cm机械施工：T min > 3m、设计步骤1、确定反滤层的类型I型反滤D0W10渗流向下dkD20d20-2-4II型反滤D°M5-7渗流向上dk2、选定设计方法3、设计第一层反滤层1 ）无粘性土D20dk<4-12滤土D20dk_2 -4排水2 ）粘性土南方红粘土D20 < 2.0mm北方一般粘性土 D 20W0.8mm分散性粘土

46、D20 0 0.5mm4、确定反滤层的层数5、其它个层反滤的设计6、各层反滤厚度的确定三、反滤层的设计方法反滤层设计，包括确定被保护土控制粒径和不均匀系数及反滤层的层数及 厚度的计算。1、无粘性土的设计方法1 ）层间系数A Cu < 51 勺土 ,二 D D0 w 7或D20 W 7d70d70B品5的土，非管涌土匚二 D20 dkE7或D20 < 7dkM5或 D20 < 5d15管涌土非管涌土土的类型Cu <5Cu >5管涌土极配连续 级配不连续d70按图 5-12P127 d70Pd15d15D20d152） dk的确定方法2、粘性土反滤层设计的方法1）不考

47、虑裂缝，H<30m i <2.0A细粒粘性土D204.7 4.8nl -9.5n<2.7l1 -4.8nL 3.8n(mm)nL 二GsWl1 GsWLB含砾粘性土（只考虑d<0.1mm±的性质）(mm)4.7 4.8nl -9.5n20<2.7l1 -4.8nL3.8n2）考虑裂缝A细粒粘性土南方红粘土 D 20 < 2.0mm北方一般粘性土D 20 0 0.8mmB含砾粘性土南方红粘土 D 20 < 2.0mm北方一般粘性土D 20 0 0.8mmC 分散性土 D 20 < 0.5mm3、反滤层的不均匀系数1）渗透稳定性要求：不允许

48、是管涌土Cu < 20可满足要求2）施工方面的要求A 反滤层在运输和施工中，不应出现明显的分离B 易于压实a 5<Cu420能满足上述要求b 20<Cu <40在施工保证的情况下不易分离c水下施工易分离要求Cu <54、反滤层的透水性无粘性土 ：1）被保护土层为非管涌土时,D0之4d202）被保护土为管涌土时，D0之2d20粘性土：南方红粘土D20 < 2.0mm北方一般粘性土D 20 0 0.8mm分散性粘土D20W0.5mm5、反滤层层数的确定和方法1）I型反滤层层数的确定A下层强透水体的粒径B各层反滤层的粗细程度2） II型反滤层层数的确定d20i2

49、-2 J1D20当i 2能满足自身稳定时可不考虑第二层反滤层i 2 W i 2当i2不能满足自身稳定时可，考虑第二层反滤层i2i 2,或结构上要求时，可放宽第二层的层间系数，吐_10dk6、反滤层厚度一般规定Tmm>5D85在满足Tmin>5d的基础上人工施工：T min > 30cm机械施工：T min > 3m第六节 浅谈以后发展的趋势和存在的问题、发展的趋势反滤层的设计更为合理和施工工艺更为简单、存在的问题：1）有效粒径的确定比较麻烦2）做模型的太投资比较大第六章 土石坝及地基的渗流控制第一节 概述裂缝破坏归属于渗透破坏渗透破坏问题的重要性表现在以下几个方面1、防

50、渗和排渗相结合：防渗控制渗流量，排渗削减水头。2、反滤层是防止渗透破坏的有效措施， (保护渗流出口) 。3、允许水力比降的经验数值明显提高4、防渗土料的范围及压实标准明显放宽。由高防渗能力作为选择防渗土料及压实标准的主要准则，到，满足允许渗透流量和内部结构渗透稳定为准则。5、土石坝的裂缝有渗透破坏问题有新的解决方法。要求反滤层自愈。6、基岩的渗流控制标准明显的提高。第二节 渗流控制的基本要素、破坏过程和控制方法一、设计渗流控制方案需要的基本水力要素1、坝基和坝体材料的渗透系数k ， (由实验或经验公式k10=234n3D202)2 、水力比降1) 平均水力比降J=H/L2) 出逸水力比降与平均水力比降的关系 J BMA=X 2.5H/L3 、土体的抗渗强度J <J 允许二、土工建筑物及地基渗透破坏产生与发展的过程若是先开始于渗流出口向内部发展直达上游进口，最后形成渗流通道，故将渗流破坏统称为管涌三、渗流控制的基本原理和方法1、防渗2、排水减压3、反滤层保护第三节 土石坝坝基渗流控制、透水地基有截水槽、混凝土防渗墙、水平铺盖等防渗措施。1、设置截水槽的方法1) 开挖深度T0 10m的透水地基；2) 截水槽底宽坝高与底宽之比为612倍；3) 截水槽与基岩的连接问题A 在连接部位易出现：防渗体在基岩面向裂隙中冲蚀；沿基岩面方向