第七章渗透变形工程地质研究

1、工程学院岩土工程与工程地质系工程学院岩土工程与工程地质系提提 要要边坡工程渗透变形边坡工程渗透变形基坑工程渗透变形基坑工程渗透变形水库工程渗透变形水库工程渗透变形溃坝事故 工程渗透变形工程渗透变形堤堤 岸岸 19981998年长江洪水险情以渗流险情最为普遍，沿长江年长江洪水险情以渗流险情最为普遍，沿长江60006000余处余处险情中就有险情中就有400400余处属渗流险情。其中管涌被视为险中之险。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，再往下则是砂下是

2、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。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。情况下），从而发生管涌。三、渗透变形的类型三、渗透变形的类型1.1.管涌管涌：在渗流作用下，

3、细在渗流作用下，细颗粒沿土体骨架中的孔道发颗粒沿土体骨架中的孔道发生移动带走的现象，又称潜生移动带走的现象，又称潜蚀。蚀。根据渗透方向与重力方向的根据渗透方向与重力方向的关系：关系： 垂直管涌垂直管涌 水平管涌水平管涌2.2.流土流土：在渗透作用下，土体：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。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。常发生于均质砂土层和亚砂土层中。第二节第二节 渗透变形产生的条件渗透变形产生的条件一、渗透变形的必要条件一、渗透变形的必要条件 1 1、存在可能被渗流带走的松软土石、存在可能被渗流带走的松软土石 2 2、具备强烈的水动力

4、条件、具备强烈的水动力条件 3 3、存在渗流出逸的临空条件、存在渗流出逸的临空条件3.3.接触冲刷接触冲刷：渗流沿着渗透系数相差悬殊的：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。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常发生于漂石和卵石等巨粒土与砂类土和粉土接触处。和粉土接触处。 当水流沿两层土接触面方向流动时，因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。被水流冲刷带走。4.4.接触流失接触流失：渗流垂直渗透系数相差悬殊的：渗流垂直渗透系数相差悬殊的两种土层接触面，将

5、细粒土层的颗粒带到粗两种土层接触面，将细粒土层的颗粒带到粗粒层中的现象。粒层中的现象。 反滤层设计不当或施工不当时，在渗流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。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接触冲刷和接触流失多以单个颗粒独立运动为主。运动为主。 管涌和流土是主要破坏形式。管涌和流土是主要破坏形式。第二节第二节 渗透变形产生的条件渗透变形产生的条件二、渗流的动水压力及二、渗流的动水压力及临界水力梯度临界水力梯度流入：流入：p pA A= h= h1 1 w wg g d dw w 流出：流出：p pB B= h=

6、h2 2 w wg g d dw w 渗透压力：渗透压力：dP=pdP=pA A-p-pB B=dw=dw w w dh dh g gdwdlgdFdwdlgdWIgdldhgdldwdPDsat土体水下重量土体水下重量 dQ=dW-dF =(dQ=dW-dF =( satsat- - ) ) g gdldl d dw w = = g gdldl d dw w动水压力（动水压力（D D）：单位体积土层所受的渗透压力）：单位体积土层所受的渗透压力浮容重浮容重当当dP=dQdP=dQ时，单元体处于临界悬浮状态，即将时，单元体处于临界悬浮状态，即将发生流土。发生流土。此时渗流的水力梯度为此时渗流的水

7、力梯度为临界水力梯度临界水力梯度I Icrcr 土的抗渗强度的大小。土的抗渗强度的大小。在渗流作用下，土粒开在渗流作用下，土粒开始发生移动时的水力坡度。始发生移动时的水力坡度。则有：则有： d dw w dh dh g= g= g gdldl d dw w dh/dl= dh/dl= / / I Icrcr=dh/dl= =dh/dl= / / I Icrcr= = =( =( s s-1)(1-n) -1)(1-n) 太沙基公式太沙基公式土粒越密实，土粒越密实， n n 越小，越小， I Icrcr 越大，土体越不容越大，土体越不容易发生渗透变形。易发生渗透变形。 但太沙基公式但太沙基公式

8、未考虑土体本身的抗剪强度，所以实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。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。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(Icrscr)1 (5 . 0)1)(121, 管涌的管涌的I Icrcr的求取较为复杂的求取较为复杂，一般通过图表法或，一般通过图表法或试验测定。试验测定。三、土体性质与渗透变形类型三、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。土的级配等。1.1

9、.粗细颗粒直径比例粗细颗粒直径比例细粒从空隙中流动最优比例：细粒从空隙中流动最优比例：d d0 0/d 8/d 8天然无粘性土天然无粘性土 n=0.395 D/ dn=0.395 D/ d0 0 =2.5 =2.5因此因此 D/d = 20 D/d = 20 有利于管涌有利于管涌d0 ：孔隙直径孔隙直径d：细颗粒直径细颗粒直径D：粗颗粒直径粗颗粒直径 土体的排列方式决定着土体的排列方式决定着D / dD / d0 0 的值：的值： 当排列疏松时，当排列疏松时， D / dD / d0 0 减小，减小， 有利于渗透变形有利于渗透变形 当排列密实时，当排列密实时， D / dD / d0 0 增大

10、增大，不利于渗透变形不利于渗透变形 2.2.细颗粒的含量细颗粒的含量用细颗粒含量用细颗粒含量 来判别双峰型砾土来判别双峰型砾土的渗透变形型式：的渗透变形型式： 35% 流土流土 25% 管涌管涌 =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。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。抗渗强度增加，不易发生渗透变形。 Cu20 管涌管涌Cu1020 流

11、土或管涌流土或管涌Cu5 且且 D /d =10或或Cu=10 且且且且 D /d =7 D /d =10 Cu I I允允 发生渗透变形发生渗透变形I I实实 I I允允 不发生渗透变形不发生渗透变形解答如下：解答如下：临界水力坡降临界水力坡降 由于实际水力坡降由于实际水力坡降0.2i，故土坝地基出口处土，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏体不会发生流土破坏 92.082.01168.211eGiscr允许水力坡降允许水力坡降 37.05.292.0scrFii第四节第四节 渗透变形的防治渗透变形的防治一、防治原则一、防治原则1. 1. 改变渗流的水动力条件，减少动水压改变渗流的水动力条件

12、，减少动水压 力即降低水力梯度。力即降低水力梯度。2. 2. 改变土体结构，提高抗渗能力。改变土体结构，提高抗渗能力。二、防治措施二、防治措施（一）垂直截渗（一）垂直截渗（二）水平（二）水平铺盖铺盖（三）（三）排水减压排水减压（四）反滤盖重（四）反滤盖重（一）（一） 垂直截渗垂直截渗心墙坝心墙坝斜墙坝斜墙坝粘土截水槽示意图粘土截水槽示意图（二）水平铺盖（二）水平铺盖（三）（三）排水减压排水减压 在坝后的坝脚在坝后的坝脚附近设置排水沟和减附近设置排水沟和减压井，它们的作用是压井，它们的作用是吸收渗流和减小溢出吸收渗流和减小溢出段的实际水力梯度。段的实际水力梯度。 减压井减压井网状排水网状排水褥垫

13、排水褥垫排水贴坡排水贴坡排水棱体排水棱体排水（四）（四）背水侧压渗盖重背水侧压渗盖重 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，效果明盖重平台。这种方法在堤防工程中广为应用，效果明显。显。 压渗盖重的形式很多，可以由