第八章 渗透变形工程地质研究

1、工程地质学工程地质学资环学院资环学院 吴道祥吴道祥第八章第八章 渗透变形工程地质研究渗透变形工程地质研究一、概念一、概念地下水在渗流过程中对岩土体作用的力，称渗透力渗透力或动动水压力水压力。当此力达到一定值时，岩土中一些颗粒、甚至整体就发生移动，从而引起岩土体的变形和破坏。这种作用或现象，称之为渗透变形渗透变形或渗透破坏渗透破坏。由此产生的工程地质问题，就是渗透稳定性问题渗透稳定性问题。 引起渗透变形的驱动力是动水压力；动水压力的大小主要取决于地下水的水力梯度。土体抵抗渗透变形的能力叫抗抗渗强度渗强度，其大小取决于土的颗粒组成土的颗粒组成、排列方式排列方式、物理力学物理力学性质性质及地下水流向

2、地下水流向等。在渗流作用下，土体的渗透稳定性决定于动水压力与抗渗强度之间矛盾的发展演化过程。 二、研究意义二、研究意义堤堤 岸岸 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。 2

3、003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、渗透变形的类型三、渗透变形的类型 1.管涌：在渗流作用下，单个颗粒发生独立移动的现象，又称为潜蚀。 根据渗透方向与重力方向的关系： 垂直管涌 水平管涌三、渗透变形的类型（续三、渗透变形的类型（续1 1）接触管涌接触管涌：当粗细粒土相互叠置时，接触面上发生的管涌。 按渗流方向与土层接触面的关系： 垂直接触管涌垂直接触管涌：在垂直

4、于土层接触面的渗流作用下，细粒 土层的单个颗粒向粗粒土层孔隙移动的现象。 平行接触管涌平行接触管涌：在平行于粗、细粒土层接触面的渗流作用 下，由于粗粒土层的渗透速度较细粒土层大 得多，而使接触面附近的细粒土层中的颗粒 被携走的现象。 三、渗透变形的类型（续三、渗透变形的类型（续2 2）2、流土：在渗透作用下，一定体积的土体同时发、流土：在渗透作用下，一定体积的土体同时发生移动的现象。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。 据美国的有关统计资料，在破坏的土石坝中，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l974年调查了33座坝身有缺陷的

5、土石坝，其中属渗透变形的约占60。 实例实例图73东榆林水库副坝溃决段地质割面图(单位：m)砂琅土(亚砂土)，厚l.31.5m；粉质亚砂土，厚2.53.0m；砾状粘土，厚0，l0，8m；龟裂土(亚砂土)，厚2.5m；砂质粘土，厚5m；粉砂土 (据张致仁，1982) 一、渗流的动水压力及临界水力梯度一、渗流的动水压力及临界水力梯度 当地下水在松散土体的孔隙中渗流时，土颗粒与水流围绕接当地下水在松散土体的孔隙中渗流时，土颗粒与水流围绕接触触(图图74)。由于水流流线之间以及水流与土粒接触面上摩擦脚。由于水流流线之间以及水流与土粒接触面上摩擦脚阻力的作用，使得水流产生水头损失阻力的作用，使得水流产生

6、水头损失(图图75)，因而渗流的水压，因而渗流的水压力下降。此时每一个土颗粒在水头差作用下，承受了来自水流的力下降。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。渗透力。 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、渗流的动水压力及一、渗流的动水压力及临界水力梯度临界水力梯度流入：pA= h1 wg dw 流出：pB= h2 wg dw 渗透压力：dP=pA-pB=dww dh g dwdlgdFdwdlgdWIgdldhgdldwdPDsat水下重量水下重量dQ=dW-dFdQ=dW-dF=(=( satsat- - ) ) g gdldl d dw w = = g gd

7、ldl d dw w动水压力（D）：单位体积土层所受的渗透压力当当dp=dQdp=dQ时，单元体处于临界悬浮状态，即将发生流土。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此时渗流的水力梯度为临界水力梯度临界水力梯度IcrIcr 土的抗渗土的抗渗强度。强度。则有：则有： d dw w dh dh g= g= g gdldl d dw w dh/dl= dh/dl= / / Icr Icr=dh/dl= =dh/dl= / / IcrIcr= = =( =( 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， IcrIcr

8、 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。土的侧压力系数式中：我国水利部门：扎马林：gctgIcrnn(Icrs)1 (5 . 0)1)(121,管涌的管涌的IcrIcr的求取较为复杂的求取较为复杂，通过试验测定。，通过试验测定。土体结构包括了土中粗细颗粒直径比例、细粒物质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。含量、土的级配等。1、粗细颗粒直径比例粗细颗粒直径比例 最优比例：最优比例：d0/d=8d0 ：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：粗颗粒直径天然无粘性土天然无粘性土 n=0.395 D/ d0 =2.5 D/d

9、=20 有利于管涌有利于管涌土体的排列方式决定着土体的排列方式决定着D / d0 的值：的值： 当排列疏松时，当排列疏松时， D / d0 减小，减小， D/d减小，渗透变形广泛减小，渗透变形广泛 当排列密实时，当排列密实时， D / d0 增大，增大， D/d增大，渗透变形不广泛增大，渗透变形不广泛二、土体结构特征抗渗强度二、土体结构特征抗渗强度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 来判别双峰型砾土的渗透变形型式：来判别双峰型砾土的渗透变形型式： 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流土或管涌，取决于砾土的密实度及细颗粒的组成及

10、细颗粒的组成 中等以上密实度、细颗粒的不均匀系数较小的砾中等以上密实度、细颗粒的不均匀系数较小的砾土，发生流土土，发生流土 细颗粒成分中粘粒含量增加，可增大土的凝聚力，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。土的抗渗强度增加，不易发生渗透变形。二、土体结构特征抗渗强度（续二、土体结构特征抗渗强度（续1 1）3、土的级配特征土的级配特征：不均匀系数：不均匀系数Cu=d60/d10Cu20 管涌管涌 砾质土砾质土Cu:1020 流土或管涌流土或管涌二、土体结构特征抗渗强度（续二、土体结构特征抗渗强度（续2 2）1、地层组合关系：（单一型、双层型、多层型）、地

11、层组合关系：（单一型、双层型、多层型） 单一型：多位于河流的上游，一般为砂卵（砾）石层，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。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、完整程双层型：主要考虑表层粘性土的性质、厚度、完整程度度 多层型：除考虑表层粘性土层外，还考虑砂层透镜体多层型：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。或粘性土层透镜体或相变等造成水力梯度的突变等原因。 2、地形地貌条件、地形地貌条件 沟谷切割等改变了渗流的补给、渗流的长度、出口条沟谷

12、切割等改变了渗流的补给、渗流的长度、出口条件等。件等。三、宏观地质因素三、宏观地质因素四、工程因素四、工程因素施工等破坏了表层具有防渗作用的弱透水层。施工等破坏了表层具有防渗作用的弱透水层。1、根据土体类型和性质，判定是否容易发生渗透、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变形及变形的类型 2、确定土体中各点的实际水力梯度，尤其是最大、确定土体中各点的实际水力梯度，尤其是最大水力梯度水力梯度 3、确定相对于该土体的临界水力梯度和允许水力、确定相对于该土体的临界水力梯度和允许水力梯度梯度 4、判定渗透变形的可能性及其范围、判定渗透变形的可能性及其范围一、预测步骤一、预测步骤二、

13、渗透类型的确定二、渗透类型的确定1、粗细颗粒比例、粗细颗粒比例 2、细粒物质含量、细粒物质含量 3、土的级配、土的级配三、实际水力梯度的确定三、实际水力梯度的确定实际水力梯度的确定比较复杂，目前的方法有：实际水力梯度的确定比较复杂，目前的方法有：理论计算法理论计算法流网图解法流网图解法 地下水动力学地下水动力学水电比拟法水电比拟法三、实际水力梯度的确定（续）三、实际水力梯度的确定（续）12111223434222HHIKTTbKTHHIbHH逸平水平式中：、为上、下游坝脚处下层土的测压水位理论计算法：理论计算法：允许水力梯度：允许水力梯度： m与地质条件和工程重要性有关：与地质条件和工程重要性有关： 一般砂土：一般砂土：m1.53.0 粘性土：粘性土：m2.54.01mmIIcr允四、临界水力梯度与允许水力梯度的确定四、临界水力梯度与允许水力梯度的确定五、渗透变形可能性判定五、渗透变形可能性判定I实实I允允 发生渗透变形发生渗透变形 I实实I允允 不发生渗透变形不发生渗透变形1、改变渗流的水动力条件，减少动水压力即、改变渗