渗透变形工程地质

1、6 渗透变形工程地质渗透变形工程地质6.1概述概述6.2渗透变形产生的条件渗透变形产生的条件6.3渗透变形的预测渗透变形的预测6.4渗透变形的防治渗透变形的防治6.1概述概述l 一、渗透变形的定义一、渗透变形的定义l 地下水在渗流过程中对岩土体作用的力，称地下水在渗流过程中对岩土体作用的力，称渗透力渗透力(seepage force)或或动水压力动水压力(hydrodynamic force)。l 当此力达到一定值时，岩土中一些颗粒，甚至整体就发生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，从而引起卷土体的变形和破坏，这种作用或现象，移动，从而引起卷土体的变形和破坏，这种作用或现象

2、，称之为称之为渗透变形渗透变形(seepege deformstion)或或渗透破坏渗透破坏(seepage failure)。l 由此产生的工程地质问题，就是渗透稳定性问题。由此产生的工程地质问题，就是渗透稳定性问题。l 在自然界中，渗透变形现象一般发生在无粘性土和亚砂土在自然界中，渗透变形现象一般发生在无粘性土和亚砂土中，象中，象“黄土喀斯特现象黄土喀斯特现象”，河流阶地上的，河流阶地上的“碟形洼地碟形洼地”和覆盖岩溶区的和覆盖岩溶区的“土洞土洞”等现象均属之。等现象均属之。l 由于人类工程由于人类工程经济活动使渗流加强，从而产生的渗透变经济活动使渗流加强，从而产生的渗透变形问题较多。如基

3、坑开挖时的流砂现象，因矿山排水或汲形问题较多。如基坑开挖时的流砂现象，因矿山排水或汲取地下水在覆盖岩溶区产生的地面塌陷。土石坝坝基的渗取地下水在覆盖岩溶区产生的地面塌陷。土石坝坝基的渗透稳定性问题等这种现象不但在松散土体中发生，而且透稳定性问题等这种现象不但在松散土体中发生，而且在基岩的断裂破碎带和风化壳中也可能发生。在基岩的断裂破碎带和风化壳中也可能发生。l 引起渗透变形的驱动力是动水压力；动水压力的大小主要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、

4、排列方式、物理力，其大小取决于土的颗粒组成、排列方式、物理力学性质及地下水流向等在渗流作用下，土体的渗透稳定学性质及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。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、渗透变形型式二、渗透变形型式l 目前国内外对渗透变形型式的认识和划分尚未统一，但一目前国内外对渗透变形型式的认识和划分尚未统一，但一般说来应分为管涌和流土两种基本型式。般说来应分为管涌和流土两种基本型式。l 在渗流作用下单个生颗粒发生独立移动的现象，叫在渗流作用下单个生颗粒发生独立移动的现象，叫管涌管涌(piping)或或潜蚀潜蚀管涌较普

5、遍地发生在不均匀的砂层或砂管涌较普遍地发生在不均匀的砂层或砂卵卵(砾砾)石层中，细粒物质从粗粒骨架孔隙中被渗流携走，石层中，细粒物质从粗粒骨架孔隙中被渗流携走，使土体的孔隙和孔隙度都增大，强度降低，发展下去，会使土体的孔隙和孔隙度都增大，强度降低，发展下去，会使土体呈现使土体呈现“架空结构架空结构”，甚至导致地面塌陷。，甚至导致地面塌陷。 l 根据渗流方向与重力方向的关系，可将管涌分为垂直管涌根据渗流方向与重力方向的关系，可将管涌分为垂直管涌和水平管涌土石坝坝基渗流图形，其渗流方向在坝前和水平管涌土石坝坝基渗流图形，其渗流方向在坝前(上游上游)由上向下，与重力方向一致；在坝底下为水平方向，由上

6、向下，与重力方向一致；在坝底下为水平方向，在坝后在坝后(下游下游)由下向上，与重力方向相反由于坝前的渗由下向上，与重力方向相反由于坝前的渗流对土层起压密作用，不至于发生渗透变形现象。但是，流对土层起压密作用，不至于发生渗透变形现象。但是，在坝底下和坝眉地段则可能发生渗透变形，尤其是坝后的在坝底下和坝眉地段则可能发生渗透变形，尤其是坝后的渗流对土颗粒起上托作用，使之易于松动、悬浮、被携出渗流对土颗粒起上托作用，使之易于松动、悬浮、被携出地表，即为垂直管涌而坝底下的细粒物质从粗粒骨架孔地表，即为垂直管涌而坝底下的细粒物质从粗粒骨架孔隙中被渗流携走的现象，即为水平管涌。隙中被渗流携走的现象，即为水平

7、管涌。l 在透水性相差较大的两种土层接触而上，在渗流作用下还在透水性相差较大的两种土层接触而上，在渗流作用下还会发生接触管涌，根据渗流方向与土层接触面的关系，接会发生接触管涌，根据渗流方向与土层接触面的关系，接触管涌又可分为触管涌又可分为垂直接触管涌垂直接触管涌和和平行接触管涌平行接触管涌在垂直于在垂直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，称为层孔隙移动的现象，称为垂直接触管涌垂直接触管涌；如汲水井孔四周；如汲水井孔四周的砂土层颗粒向过滤管外反滤料的管涌即是的砂土层颗粒向过滤管外反滤料的管涌即是 l 在平行于粗、

8、细粒土层接触面的渗流作用下，由于粗粒土在平行于粗、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，称之为土层中的颗粒被携走的现象，称之为平行接触管涌平行接触管涌，如双，如双层结构坝基水平渗流段的管涌即是。层结构坝基水平渗流段的管涌即是。l 在渗流作用下一定体积的土体同时发生移动的现象，叫在渗流作用下一定体积的土体同时发生移动的现象，叫流流土土(quicksoil)或或硫砂硫砂(quick sand)。l 流土一般发生在均质砂土层和亚砂土层中。它可使土体完流土一般发生在均质砂土层和

9、亚砂土层中。它可使土体完全丧失强度，而危及建筑物的安全，因此危害性较管涌全丧失强度，而危及建筑物的安全，因此危害性较管涌大大l 如建筑物基坑开挖或地下巷道掘进时发生的流砂现象即是如建筑物基坑开挖或地下巷道掘进时发生的流砂现象即是 三、渗透变形问题研究的意义三、渗透变形问题研究的意义l 管涌和流土虽为两种不同的渗透变形型式，但是管涌的发管涌和流土虽为两种不同的渗透变形型式，但是管涌的发展、演化，往往会转化为流土展、演化，往往会转化为流土l 渗透变形问题在坝工建设中尤为引人关注，这是因为在厚渗透变形问题在坝工建设中尤为引人关注，这是因为在厚度很大的松散河流堆积层上仅适宜于兴建土石坝，因而渗度很大的

10、松散河流堆积层上仅适宜于兴建土石坝，因而渗透稳定性问题是土石坝的主要工程地质问题之一透稳定性问题是土石坝的主要工程地质问题之一l 据美国的有关统计资料，在破坏的土石坝中，有据美国的有关统计资料，在破坏的土石坝中，有40%是坝是坝基或坝体渗透变形造成的我国水利水电科学研究院干基或坝体渗透变形造成的我国水利水电科学研究院干1974年调查了年调查了33座坝身有缺陷的土石坝，其中属渗透变座坝身有缺陷的土石坝，其中属渗透变形的约占形的约占60%。 四、实例四、实例l 我国山西省东榆林水库副坝溃决事故，就是由于坝基渗透我国山西省东榆林水库副坝溃决事故，就是由于坝基渗透变形造成的该副坝系均质土坝，最大坝高变

11、形造成的该副坝系均质土坝，最大坝高8.5m，坝基，坝基为由亚砂土和粉砂土等组合的多薄层结构。溃决段上游未为由亚砂土和粉砂土等组合的多薄层结构。溃决段上游未作防渗措施，坝下游排水沟也无反滤层保护作防渗措施，坝下游排水沟也无反滤层保护1979年年2月月中旬蓄水位达中旬蓄水位达1038.77m，副坝下游排水沟渗水增加，沟，副坝下游排水沟渗水增加，沟坡流泥。坡流泥。4月上旬蓄水位月上旬蓄水位1039.25m，副坝下游坝脚普遍渗，副坝下游坝脚普遍渗水，排水沟流泥、塌坡，平台泥泞不能行驶车俩，水，排水沟流泥、塌坡，平台泥泞不能行驶车俩，5月月25日早晨，排水沟底部边坡集中渗出成股浑水，出水口直径日早晨，排

12、水沟底部边坡集中渗出成股浑水，出水口直径有有1015cm左右，当天晚上蓄水位左右，当天晚上蓄水位1039.8m(水深水深4.18m)时坝体溃决，决口底宽时坝体溃决，决口底宽105ml 溃坝的原因是第二层透水性较强的粉质亚砂土出露于坝下溃坝的原因是第二层透水性较强的粉质亚砂土出露于坝下游排水沟边坡，大部分渗水均从该排水沟边坡逸出；施工游排水沟边坡，大部分渗水均从该排水沟边坡逸出；施工时库内取土，破坏了表土层时库内取土，破坏了表土层(亚砂土亚砂土)，使库水沿上游的取，使库水沿上游的取土槽及坝踵附近以最短渗径向下游渗透由于排水沟又无土槽及坝踵附近以最短渗径向下游渗透由于排水沟又无反滤层保护，破坏了渗

13、流出口，粉质亚砂土在沙透力作用反滤层保护，破坏了渗流出口，粉质亚砂土在沙透力作用下被水流携出，并不断向上游发展，最终沿该以底部与龟下被水流携出，并不断向上游发展，最终沿该以底部与龟裂土的顶部形成集中渗流通道，严重的流土而招致溃坝。裂土的顶部形成集中渗流通道，严重的流土而招致溃坝。l 渗透变形也给地下巷道掘进和矿山作业带来很大危害，同渗透变形也给地下巷道掘进和矿山作业带来很大危害，同时影响到地面建筑物的安全。时影响到地面建筑物的安全。1074年苏联列宁格勒市兴年苏联列宁格勒市兴建地下铁道时，在地下建地下铁道时，在地下80m深处于人工冻结的流砂层掘进深处于人工冻结的流砂层掘进巷道，但由于某一地段上

14、的流砂未完全冻结而造成破裂，巷道，但由于某一地段上的流砂未完全冻结而造成破裂，数千方流砂快速涌进，已掘进好的巷道，同时在地面形成数千方流砂快速涌进，已掘进好的巷道，同时在地面形成了塌陷漏斗我国淮南煤矿一竖井，位于淮河泛滥淤积的了塌陷漏斗我国淮南煤矿一竖井，位于淮河泛滥淤积的粉细砂土中，粉细砂土中，60年代施工时亦遇流砂涌入，引起四周地面年代施工时亦遇流砂涌入，引起四周地面下陷达下陷达1.4m。井筒四周的板桩沉陷变形，后来采用电动。井筒四周的板桩沉陷变形，后来采用电动硅化法改良土质，才得以继续掘进。硅化法改良土质，才得以继续掘进。l 渗透变形是十种可以影响建筑物和人民生命财产安全的工渗透变形是十

15、种可以影响建筑物和人民生命财产安全的工程动力地拉作用。程动力地拉作用。l 渗透变形产生的条件，渗透变形的预测和防治措施等问题。渗透变形产生的条件，渗透变形的预测和防治措施等问题。6.2渗透变形产生的条件渗透变形产生的条件l 渗透变形产生的条件可从必要条件和充分条件两个方面来渗透变形产生的条件可从必要条件和充分条件两个方面来研究。研究。l 一、渗举变形产生的必要条件一、渗举变形产生的必要条件l 由上一节讨论可知，当渗流的动水压力达到土的抗渗强度由上一节讨论可知，当渗流的动水压力达到土的抗渗强度时；土颗粒才开始移动，所以，渗透变形产生的必要条件时；土颗粒才开始移动，所以，渗透变形产生的必要条件是：

16、渗透水流有足够大的动水压力和土体具有一定的结构是：渗透水流有足够大的动水压力和土体具有一定的结构特性。特性。l 1、渗流的动水压力及临界水力梯度、渗流的动水压力及临界水力梯度l 当地下水在松散土体的孔隙矽渗流时，土颗粒与水沉围绕当地下水在松散土体的孔隙矽渗流时，土颗粒与水沉围绕接触。由于水流流线之间以及水流与土粒接触面上摩擦阻接触。由于水流流线之间以及水流与土粒接触面上摩擦阻力的作用，使得水流产生水头损失。因而渗流的水压力将力的作用，使得水流产生水头损失。因而渗流的水压力将下降此时每一个上颗粒在水头差作用下，承受了来自水下降此时每一个上颗粒在水头差作用下，承受了来自水流的渗透力。流的渗透力。l

17、 为了推导出动水压力的数学表达式，假设渗透水由下往上为了推导出动水压力的数学表达式，假设渗透水由下往上流经一单元土体，其长度和断面积各为流经一单元土体，其长度和断面积各为dl和和d。上下界。上下界面的水头差为面的水头差为dh(图图6-6)刚此单元土体承受的总渗透压刚此单元土体承受的总渗透压力力dP为为:l 式中：式中：为水的密度：为水的密度：g为重力加速度为重力加速度ddhgdPl 习惯上将渗透压力分解作用在上体的单位体积上，称之为习惯上将渗透压力分解作用在上体的单位体积上，称之为动水压力动水压力（D）：）：IgdlddpD动水压力的作用方向与渗流方向一致。一般=1tm3，因此D=Ig（KN/

18、m3）。单元土体的水下密度(湿密度)为，则其水下重量dQ为：gddldQ l 当当dP=dQ时，单元土体呈悬浮状态，发生流土此时渗时，单元土体呈悬浮状态，发生流土此时渗流的水力梯度即为流的水力梯度即为临界水力梯度临界水力梯度Icr (cfiticaL hydraUslic gradient)：Icr土的临界水力梯度概念，还可用有效应力原理来解释。土的临界水力梯度概念，还可用有效应力原理来解释。在水头差作用下，水下饱和砂土发生自下而上的渗流时在水头差作用下，水下饱和砂土发生自下而上的渗流时( (图图6-6-7a)7a)，在断面上的垂向总应力，在断面上的垂向总应力为：为：l 式中：式中：、m分别为

19、水及饱和砂土的密度；分别为水及饱和砂土的密度；g为重力加速为重力加速度。度。l 该断面上的孔隙水压力该断面上的孔隙水压力Pw为：为：2m1lglg2m1lglgPw根据有效应力原理，根据有效应力原理，1 1一一1 1断面上的有效应力为：断面上的有效应力为：h)lg(lPw21 l 其孔隙水压力，总应力及有效应力分布如图其孔隙水压力，总应力及有效应力分布如图l 当渗流的水头差当渗流的水头差h不断增大，直到不断增大，直到11断面上的空隙水压断面上的空隙水压力与该面上的总应力相等时，有效应力将减小为零。即：力与该面上的总应力相等时，有效应力将减小为零。即：0hglg2 l 由于，由于， Icr因为=

20、1tm3，所以Icr在数值上等于土的浮密度， n)(11s故 Icrs为土的密度；n为土的孔隙度。这就是著名的太沙基公式。土粒的密度愈大，孔隙愈小，则临界水力梯度愈大，土体愈不会发生渗透变形。 l 一般土体的一般土体的s=2.65g/cm3，n=0.30.5，因而，因而Icr均在均在0.81.2之间之间.l 这就是一般采用的产生流土的临界水力梯度计算公式但这就是一般采用的产生流土的临界水力梯度计算公式但是需要指出的是，太沙基公式并未考虑到土体本身强度是需要指出的是，太沙基公式并未考虑到土体本身强度(内摩擦力和内聚力内摩擦力和内聚力)的影响。所以实测的的影响。所以实测的Icr，值往往较公，值往往

21、较公式计算的大些；尤其当土的结构较紧密和粘粒含量较多时式计算的大些；尤其当土的结构较紧密和粘粒含量较多时则更是如此。则更是如此。 l 札马林建议给予修正，札马林建议给予修正， 0.5nn)(11Icrs我国某些水利部门考虑到土的抗剪强度，建议对坝(闸)后地下水逸出段发生流土的临界水力梯度计算公式为：gctg)(1Icrl 式中，式中，c、分别为土的内聚力和内摩擦角：分别为土的内聚力和内摩擦角：为侧压力系为侧压力系数；其它符号意义同上。数；其它符号意义同上。l 对于砂土来说，因无内聚力，故对于砂土来说，因无内聚力，故c=0。l 管涌土的水动力条件比较复杂，一般不采用公式计算其临管涌土的水动力条件

22、比较复杂，一般不采用公式计算其临界水力梯度。界水力梯度。l 普遍采用的是图表法和直接试验法。普遍采用的是图表法和直接试验法。l 2、影响土的抗渗强度因素、影响土的抗渗强度因素结构特性结构特性l 渗透变形的实质就是土颗粒或一定体积的土体被渗流携走。渗透变形的实质就是土颗粒或一定体积的土体被渗流携走。在一定的动水压力作用下，土体是否会发生渗透变形，则在一定的动水压力作用下，土体是否会发生渗透变形，则取决于它的抗渗强度如何。土的抗渗强度大小，是受其结取决于它的抗渗强度如何。土的抗渗强度大小，是受其结构特性制约的，它包括土中粗细颗粒直径比例、细粒物质构特性制约的，它包括土中粗细颗粒直径比例、细粒物质钓

23、含量和土的级配特征等方面。钓含量和土的级配特征等方面。l (1)粗细粒径的比例粗细粒径的比例 只有当细颗粒的粒径只有当细颗粒的粒径d小于粗颗粒的小于粗颗粒的骨架孔隙直径骨架孔隙直径d0时，才能发生管涌。据研究其最优比值为：时，才能发生管涌。据研究其最优比值为：d0/dc=8一般天然无粘性土均为混粒结构，其孔隙度多一般天然无粘性土均为混粒结构，其孔隙度多为为n=0.395，大颗粒粒径，大颗粒粒径D与其孔隙与其孔隙d0的比值：的比值：D/d0=2.5。所以有利于发生管涌的粗细粒径比例所以有利于发生管涌的粗细粒径比例D/d0应大于应大于20。l 砂土颗粒粒径与其孔隙直径比值的大小，与土颗粒排列方砂土

24、颗粒粒径与其孔隙直径比值的大小，与土颗粒排列方式关系极大。假定：土粒为等粒球体，若按立方体排列时式关系极大。假定：土粒为等粒球体，若按立方体排列时最疏松，其孔隙度最疏松，其孔隙度n=47.6%，D/d0=2.4；若按四面体排列；若按四面体排列时最紧密，时最紧密，n=25.9%，D/d0=6.4。显然，土愈疏松，则细。显然，土愈疏松，则细颗粒物质在孔隙中随渗流运动愈顺畅，粗细粒径比值就愈颗粒物质在孔隙中随渗流运动愈顺畅，粗细粒径比值就愈小如果土愈紧密，只有更细小的颗粒才能通过，因此粗小如果土愈紧密，只有更细小的颗粒才能通过，因此粗细粒径的比值也就更大了此外，土愈紧密它的抗剪强度细粒径的比值也就更

25、大了此外，土愈紧密它的抗剪强度也愈大，抵抗渗透变形的能力就愈强。也愈大，抵抗渗透变形的能力就愈强。l (2)细颗粒的含量细颗粒的含量 天然无帖性土的颗粒组成十分复杂，其天然无帖性土的颗粒组成十分复杂，其分疖曲线有单峰型、双峰型和多峰型。而研究渗透变形意分疖曲线有单峰型、双峰型和多峰型。而研究渗透变形意义较大的是曲线为义较大的是曲线为双峰型土双峰型土(图图69)，目前对这类土作了，目前对这类土作了不少研究工作。这种土的特点是颗粒组成分布曲线具有两不少研究工作。这种土的特点是颗粒组成分布曲线具有两个峰点，并在峰点之间有一明显的个峰点，并在峰点之间有一明显的“断裂点断裂点”。因此可以。因此可以认为，

26、这种土是由粗、细两组颗粒构成的。认为，这种土是由粗、细两组颗粒构成的。 l 我国水利水电科学研究院通过大量室内试验研究，提出用我国水利水电科学研究院通过大量室内试验研究，提出用细颗粒含量百分数来判别双峰型砾土的渗透变形，其型式细颗粒含量百分数来判别双峰型砾土的渗透变形，其型式为：为：l 当细颗粒含量当细颗粒含量35%时，为流土；时，为流土；l 当细颗粒含量当细颗粒含量0.33)，细颗粒成分不均粒系数较小的砾，细颗粒成分不均粒系数较小的砾土，二般发生流土；反之则为管涌。土，二般发生流土；反之则为管涌。l 细颗粒成分中粘粒含量增加可增大土的内聚力，因而增大细颗粒成分中粘粒含量增加可增大土的内聚力，

27、因而增大了土体的抗渗强度。根据云南某水库的试验资料说明，新了土体的抗渗强度。根据云南某水库的试验资料说明，新第三纪砂土粘粒含量第三纪砂土粘粒含量4%时，其含量变化对允许梯度的影时，其含量变化对允许梯度的影响不明显，超过响不明显，超过4%之后允许梯度急剧增大，达之后允许梯度急剧增大，达6%时时I允允=1。 l (3)土的级配特征土的级配特征 土的级配特征可以它的不均粒系数土的级配特征可以它的不均粒系数(=d60/d10)表示。伊斯托米娜通过模型试验发现，在自表示。伊斯托米娜通过模型试验发现，在自下而上渗流出口处，并无盖重的条件下，砂土的渗透变形下而上渗流出口处，并无盖重的条件下，砂土的渗透变形类

28、型及临界水力梯度值都与土的不均粒系数有关。类型及临界水力梯度值都与土的不均粒系数有关。l 当当10时，主要类型是管涌；时，主要类型是管涌；l 当当在在10-20之间时，流土和管涌均有可能发生。但它对砾之间时，流土和管涌均有可能发生。但它对砾质土不适用。质土不适用。l 在渗流作用下，由于无粘性土的结构特性不同，有的首先在渗流作用下，由于无粘性土的结构特性不同，有的首先表现为管涌，尔后在更强的水动力条件下转化为流土。产表现为管涌，尔后在更强的水动力条件下转化为流土。产生流土的水力梯度往往较管涌的水力梯度要大。而有的无生流土的水力梯度往往较管涌的水力梯度要大。而有的无粘性土在足够的水动力条件下，便直

29、接产生流土。它们主粘性土在足够的水动力条件下，便直接产生流土。它们主要受控于土的结构特征。要受控于土的结构特征。二、渗透变形产生的充分条件二、渗透变形产生的充分条件l 上面所讨论的渗透变形产生的必要条件，是根据理论公式上面所讨论的渗透变形产生的必要条件，是根据理论公式推导和实验室研究获得的。从一些工程场地渗透稳定性研推导和实验室研究获得的。从一些工程场地渗透稳定性研究的资料表明，在具备渗透变形产生的必要条件前提下，究的资料表明，在具备渗透变形产生的必要条件前提下，是否确实出现此间题，还必须由宏观地质因素和工程因素是否确实出现此间题，还必须由宏观地质因素和工程因素来决定。来决定。l 1、宏观地质

30、因素、宏观地质因素l 对渗透变形产生有意义的宏观地质因索主要是地层组合关系和地形地对渗透变形产生有意义的宏观地质因索主要是地层组合关系和地形地貌条付。貌条付。l (1)地层组合关系地层组合关系 地层组合关系对渗透变形的影响，在坝基地层组合关系对渗透变形的影响，在坝基卜表现卜表现最为明显松散土体坝基的地层结构，有单一型、双层型、多厚层型最为明显松散土体坝基的地层结构，有单一型、双层型、多厚层型和多薄层型等，它们对渗透变形的影响各具特点在单一结构的情况和多薄层型等，它们对渗透变形的影响各具特点在单一结构的情况下；大多为砂卵下；大多为砂卵(砾砾)石层。所以一般发生管涌型渗透变形，其强烈程石层。所以一

31、般发生管涌型渗透变形，其强烈程度则取决于其中细颗粒成分的含量。若粗粒骨架孔隙中细粒成分较多，度则取决于其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，往往会发生强烈管涌，甚至转化为流土。且被渗流不断携走时，往往会发生强烈管涌，甚至转化为流土。l 在双层、多厚层和多薄层结构的情况下，是否会发生渗透变形，主要在双层、多厚层和多薄层结构的情况下，是否会发生渗透变形，主要取决于表层粘性土的性质，厚度和完整程度。如果粘性上较厚而完整。取决于表层粘性土的性质，厚度和完整程度。如果粘性上较厚而完整。且抗剪强度较大时，即使下层砂砾石的水力梯度较大，也不易发生渗且抗剪强度较大时，即使下层

32、砂砾石的水力梯度较大，也不易发生渗透变形如果粘性土较薄或不完整时，则在坝下游：土层的某些部位透变形如果粘性土较薄或不完整时，则在坝下游：土层的某些部位会被顶鼓，产生裂缝，以至冲溃、浮动，发生流土而形成破坏区。下会被顶鼓，产生裂缝，以至冲溃、浮动，发生流土而形成破坏区。下层的管涌或流土可相继发生。如果下层砂砾石层由坝上游向下游逐渐层的管涌或流土可相继发生。如果下层砂砾石层由坝上游向下游逐渐变厚，由于过水断面的增大而削减了动水压力，不易渗透变形，反之，变厚，由于过水断面的增大而削减了动水压力，不易渗透变形，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如果砂砾石层向下游逐渐变薄

33、，甚至尖灭，则由于动水压力逐渐增大而易于产生透渗变形。而易于产生透渗变形。l 透水层中的粘性土夹层，透镜体对土层的渗透性和动水压透水层中的粘性土夹层，透镜体对土层的渗透性和动水压力也有影响。它主要表现出非均一性，可使局部地段水力力也有影响。它主要表现出非均一性，可使局部地段水力梯度较大，而引起渗透变形。所以在复杂地层结构条件下，梯度较大，而引起渗透变形。所以在复杂地层结构条件下，即使平均水力梯度很小，局部地段也可能出现较大的水力即使平均水力梯度很小，局部地段也可能出现较大的水力梯度。在分析渗透变形可能性及其特征时，应充分估计到梯度。在分析渗透变形可能性及其特征时，应充分估计到这种情况，总之，地

34、层结构和岩性变化是分析渗透变形的这种情况，总之，地层结构和岩性变化是分析渗透变形的重要宏观地质因素重要宏观地质因素l (2)地形地貌条件，地形地貌条件对渗透变形有一定的影地形地貌条件，地形地貌条件对渗透变形有一定的影响例如沟谷切割会影响渗流的补给、渗径长度和出口条响例如沟谷切割会影响渗流的补给、渗径长度和出口条件。若坝体上、下游的沟谷将弱透水的表土层切穿的话，件。若坝体上、下游的沟谷将弱透水的表土层切穿的话，有利于渗流的补给，并使渗径缩短而加大水力梯度，下游有利于渗流的补给，并使渗径缩短而加大水力梯度，下游地下水逸出段的渗流出口临空；这些都有利于渗透变形的地下水逸出段的渗流出口临空；这些都有利

35、于渗透变形的发生。发生。l 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故在古河道上建坝时，应充分注意渗透变形的可能性及其类型特征响故在古河道上建坝时，应充分注意渗透变形的可能性及其类型特征l 河北省黄壁庄水库的副坝座落于滹沱河晚更新世古河床上河北省黄壁庄水库的副坝座落于滹沱河晚更新世古河床上(属属1级阶地级阶地)，地层，地层结构为由亚粘土、砂土、砂砾结构为由亚粘土、砂土、砂砾(卵卵)石层组成的上细下租的多厚层型式。由于石层组成的上细下租的多厚层型式。由于冲沟切割和人工取土，使坝前冲沟切割和人工取土，使坝前级

36、阶地前缘的下伏砂土层大片出霹，大大削级阶地前缘的下伏砂土层大片出霹，大大削弱了阻渗能力，使渗径缩短，坝下水力梯度增大此外，有些地段中，强透弱了阻渗能力，使渗径缩短，坝下水力梯度增大此外，有些地段中，强透水层收敛和尖灭因此，该副坝坝基不仅存在集中渗漏带，而且部分地段产水层收敛和尖灭因此，该副坝坝基不仅存在集中渗漏带，而且部分地段产生了渗透变形，危及坝体安全后采取了有效的防治措施，大坝才得以正常生了渗透变形，危及坝体安全后采取了有效的防治措施，大坝才得以正常工作。工作。l 2、工程因素、工程因素l 这一方面的因素包括大坝和汲水井的渗流出口条件库水位的急刷滑落，施这一方面的因素包括大坝和汲水井的渗流

37、出口条件库水位的急刷滑落，施工破坏坝前表面弱透水层，建筑物底面轮廓等这里主要讨论一下渗流出口工破坏坝前表面弱透水层，建筑物底面轮廓等这里主要讨论一下渗流出口条件问题；条件问题；l 大坝和汲水井渗流出口有无保护，对渗透变形的产生和发展意义重大。坝后大坝和汲水井渗流出口有无保护，对渗透变形的产生和发展意义重大。坝后渗流逸出口直接临空，且此处的水力梯度较整个渗径上的平均水力梯度为高，渗流逸出口直接临空，且此处的水力梯度较整个渗径上的平均水力梯度为高，水流方向也有利于土的松动和悬浮，最易产生渗透变形。所以在渗流出口处水流方向也有利于土的松动和悬浮，最易产生渗透变形。所以在渗流出口处必须要设置反滤层，使

38、渗流既能顺畅地逸出，土层又不致于变形破坏反滤必须要设置反滤层，使渗流既能顺畅地逸出，土层又不致于变形破坏反滤料的粒径大小要考虑到被保护土层的性质而加以选择。有些土石坝，在坝后料的粒径大小要考虑到被保护土层的性质而加以选择。有些土石坝，在坝后还堆填碎石，块石料，起反压盖重作用，以降低该处土体悬浮的可能性。还堆填碎石，块石料，起反压盖重作用，以降低该处土体悬浮的可能性。l 我国几起严重的土石坝渗透变形以至溃坝事件，都与渗流出口未加保护有很我国几起严重的土石坝渗透变形以至溃坝事件，都与渗流出口未加保护有很大的关系大的关系 6.3渗透变形的预测渗透变形的预测l 渗透变形预测是渗透稳定性评价的主要内容在

39、工程兴建以前必须预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必须预测场地或地基渗透变形的可能性，以便采取相应的防治措施。保障建测场地或地基渗透变形的可能性，以便采取相应的防治措施。保障建筑物安全。此项工作，对于水工建筑物来说尤为重要。筑物安全。此项工作，对于水工建筑物来说尤为重要。l 坝基工程渗透变形预测的步骤大体是这样的：首先根据土体的类型和坝基工程渗透变形预测的步骤大体是这样的：首先根据土体的类型和性质，判定是否易于产生渗透变形及渗透变形的类型，随后确定坝基性质，判定是否易于产生渗透变形及渗透变形的类型，随后确定坝基各点，主要是下游坝脚处的实际水力梯度；确定临界水力梯度和允许各点

40、，主要是下游坝脚处的实际水力梯度；确定临界水力梯度和允许水力梯度；根据实际水力梯，度与允许水力梯度的比较，圈定出可能水力梯度；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。发生渗透变形的范围。l 一、判定渗透变形的可能性及类型一、判定渗透变形的可能性及类型l 颗粒分析的结果绘制成累积曲线和分布曲线后，即可根据曲线的形状或计算颗粒分析的结果绘制成累积曲线和分布曲线后，即可根据曲线的形状或计算的特征值来判定渗透变形的可能性及渗透变形的类型，从累积曲线可知，凡的特征值来判定渗透变形的可能性及渗透变形的类型，从累积曲线可知，凡属属“瀑布式瀑布式”者产生管涌：凡属者产生管涌：凡属

41、“直线式直线式“者不产生管涌，而在较高的梯度者不产生管涌，而在较高的梯度下产生流土；凡属于下产生流土；凡属于“阶梯式阶梯式”者多为管涌，有时为流土者多为管涌，有时为流土(曲线向细粒方向缓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坡延长者管涌，较大角度与横坐标相交者流土)。根据分布曲线，呈陡峭单峰。根据分布曲线，呈陡峭单峰的砂土一般木发生管涌，而双峰或多蜂且缺乏中间粒径者为的砂土一般木发生管涌，而双峰或多蜂且缺乏中间粒径者为“危险性管涌危险性管涌土土”。l 除上分析外，也可根据累积曲线和分布曲线计算出的细颗粒百分含量及不均除上分析外，也可根据累积曲线和分布曲线计算出的细颗粒百分含量

42、及不均粒系数，下按上节所述方法来判别海透变形的类型。粒系数，下按上节所述方法来判别海透变形的类型。二，确定坝基各点的实际水力梯度二，确定坝基各点的实际水力梯度l 在土坝上下游水头整作用下，坝基渗流产生水力坡降，共在土坝上下游水头整作用下，坝基渗流产生水力坡降，共梯度值在各点是不相同的，渗流路径的方向可分坝的渗入梯度值在各点是不相同的，渗流路径的方向可分坝的渗入段，坝基中部水平渗流段和坝后渗沉逸出段段，坝基中部水平渗流段和坝后渗沉逸出段(图图6-4)。l 其中坝前渗入段水流方向由上向下，使土体压密坝基中其中坝前渗入段水流方向由上向下，使土体压密坝基中部水平渗流段，有使土粒向下游移动构趋势坝后渗流

43、逸部水平渗流段，有使土粒向下游移动构趋势坝后渗流逸出段位于下游坡脚附近，水流由下向上，由于地面临空，出段位于下游坡脚附近，水流由下向上，由于地面临空，所以最易发生渗透变形，一般变形由此处开始并可能向坝所以最易发生渗透变形，一般变形由此处开始并可能向坝下发展：所以应重点确定该段的实际水力梯度。下发展：所以应重点确定该段的实际水力梯度。l 坝基地层结构和各层渗透系数的变化，基础轮廓的不同，坝基地层结构和各层渗透系数的变化，基础轮廓的不同，都影响水力梯度的分布。因而坝基各点实际水力梯度的分都影响水力梯度的分布。因而坝基各点实际水力梯度的分布由于受一系列因素的控制，是十分复杂的布由于受一系列因素的控制

44、，是十分复杂的l 目前确定坝基实际水力梯度的方法有理论计算法、绘制流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其中流网法比较简网的图解法、水电比拟法及观测法等其中流网法比较简便而可靠，是常用的方法水电比拟法是一种模拟试验方便而可靠，是常用的方法水电比拟法是一种模拟试验方法，这两种方法都在地下水动力学中讨论过，这里仅介绍法，这两种方法都在地下水动力学中讨论过，这里仅介绍一下理论计算法一下理论计算法 l 采用理论计算法时，必须根据渗流类型、地质条件和渗流采用理论计算法时，必须根据渗流类型、地质条件和渗流方向等选用公式。如果坝基为双层结构，且岩层厚度稳定，方向

45、等选用公式。如果坝基为双层结构，且岩层厚度稳定，透水性均一，则在平面流情况下，坝后渗流逸出段的平均透水性均一，则在平面流情况下，坝后渗流逸出段的平均水力梯度水力梯度(即逸出梯度即逸出梯度)可按下式计算，可按下式计算， 2121121TTKK2b2THHI逸平l 式中，式中，H1、H2为坝上、下游的水位为坝上、下游的水位(m)：T1、T2为上、下为上、下土层厚度土层厚度(m)；K1、K2为上、下土层渗透系数为上、下土层渗透系数(m/d)，2b为坝基宽度为坝基宽度(m)。 l 坝基下水平渗流段的平均水力梯度坝基下水平渗流段的平均水力梯度(I水平水平)可按直线比例法可按直线比例法确定；确定；2bH4

46、H3I水平式中：H3、H4为上、下游坝脚处下层的测压水位(m)，三、确定临界水力梯度和允许水力梯度三、确定临界水力梯度和允许水力梯度l 确定临界水力梯度的方法较多，有理论计算、经验数据及试验测定等。确定临界水力梯度的方法较多，有理论计算、经验数据及试验测定等。可根据渗透变形的类型、工程的重要程度和不问的勘察阶段等情况采可根据渗透变形的类型、工程的重要程度和不问的勘察阶段等情况采用不同的方法确定临界水力梯度。用不同的方法确定临界水力梯度。l 工程等级较低或初期勘察阶段，可根据经验数据估计临界水力梯度而工程等级较低或初期勘察阶段，可根据经验数据估计临界水力梯度而等级较高或后期勘察阶段的工程，则应采

47、用试验方法确定临界水力梯等级较高或后期勘察阶段的工程，则应采用试验方法确定临界水力梯度；对于流土来说，根据土的类型及其密实程度，可选择不同的计算度；对于流土来说，根据土的类型及其密实程度，可选择不同的计算公式。而管涌土是由于细颗粒在粗颗粒扎隙中单独运动，故受力条件公式。而管涌土是由于细颗粒在粗颗粒扎隙中单独运动，故受力条件比较复杂，同时土的颗粒组成，排列方式等也复杂多样，因此目前尚比较复杂，同时土的颗粒组成，排列方式等也复杂多样，因此目前尚无理想的计算公式，一般采用图表法无理想的计算公式，一般采用图表法(经验数据经验数据)或直接试验确定临界或直接试验确定临界水力梯度：水力梯度： l 关于流土的

48、临界水力梯度计算公式上节已作介绍这里主关于流土的临界水力梯度计算公式上节已作介绍这里主要介绍图表法和试验法要介绍图表法和试验法l 砂土和砂砾土管涌临界水力梯度，可按图砂土和砂砾土管涌临界水力梯度，可按图6-15和图和图6-16大大致确定。致确定。l 试验法是确定临界水力梯度最直接、可靠的方法，有室内试验法是确定临界水力梯度最直接、可靠的方法，有室内试验和现场试验两种试验和现场试验两种 l 室内试验的装置如用室内试验的装置如用6-17所示，是渗透仪试验法。这种方所示，是渗透仪试验法。这种方法是采用变水头的试验方法，将水头逐级抬高，在每一水法是采用变水头的试验方法，将水头逐级抬高，在每一水头下都维

49、持稳定头下都维持稳定30分钟，直至发生渗透破坏时，再逐级下分钟，直至发生渗透破坏时，再逐级下降水头至渗透破坏停止重复进行数次，最后将最低开始降水头至渗透破坏停止重复进行数次，最后将最低开始发生破坏的水头作为临界水头，据此计算临界水力梯度发生破坏的水头作为临界水头，据此计算临界水力梯度l 在室内也可进行木槽渗透变形试验，其装置及试验成果如在室内也可进行木槽渗透变形试验，其装置及试验成果如图图618所示，以多次渗透破坏面使土样完全破坏时的水所示，以多次渗透破坏面使土样完全破坏时的水头作为临界水头头作为临界水头 l 由于室内试验难以保持土的原状堵构，试验结果置信度低，由于室内试验难以保持土的原状堵构

50、，试验结果置信度低，所以重要工程需采用现场试验所以重要工程需采用现场试验l 砂类土的现场渗透变形试验有堤坝式、围堰式等方法，以砂类土的现场渗透变形试验有堤坝式、围堰式等方法，以堤坝式较好如砂层厚度不大，可采用封闭式，即用嵌入堤坝式较好如砂层厚度不大，可采用封闭式，即用嵌入下伏隔水层中的粘土截水墙，将试验段砂层全部封闭起来下伏隔水层中的粘土截水墙，将试验段砂层全部封闭起来(图图619)如砂层很厚，则只能采用半封闭式试验时如砂层很厚，则只能采用半封闭式试验时每级水头增高与梯度的每级水头增高与梯度的0.05相当，并稳定相当，并稳定24小时，每隔小时，每隔10分钟观测水头与流量，记录各级水头分钟观测水

51、头与流量，记录各级水头I；发生的砂上变；发生的砂上变形等情况形等情况l 当发生砂沸且从砂沸管中随水流携出小颗粒，堆积在砂沸当发生砂沸且从砂沸管中随水流携出小颗粒，堆积在砂沸点四周形成一个个砂圈时，即达渗透破坏此时可延长点四周形成一个个砂圈时，即达渗透破坏此时可延长23小时观测其变化，然后降低水头至破坏停止；再增加小时观测其变化，然后降低水头至破坏停止；再增加水头使之发生上述现象如此反复数次，找出渗透破坏象水头使之发生上述现象如此反复数次，找出渗透破坏象生及停止时的最低水头，即为临界水头，以此计算临界梯生及停止时的最低水头，即为临界水头，以此计算临界梯度；同时记录渗透流量，计算渗透系数度；同时记

52、录渗透流量，计算渗透系数K及流速及流速V，绘制，绘制lgI与与lgV的关系曲线，据此曲线的转折点，也可求得临界的关系曲线，据此曲线的转折点，也可求得临界水力梯度试验前后均应取土样进行室内颗粒分析，物理水力梯度试验前后均应取土样进行室内颗粒分析，物理性质测定和室内渗透变形试验，前后对比，以确定颗粒成性质测定和室内渗透变形试验，前后对比，以确定颗粒成分，不均粒系数及孔隙比等的变化。分，不均粒系数及孔隙比等的变化。l 为保证渗透稳定性有足够的安全度，在评价时要采用允许为保证渗透稳定性有足够的安全度，在评价时要采用允许水力梯度的概念它足以临界水力梯度除以安全系数水力梯度的概念它足以临界水力梯度除以安全

53、系数m采采获得的。获得的。l I允允=Icr/ml m值的确定欧根据地质条件复杂程度和工程重要性来考虑。值的确定欧根据地质条件复杂程度和工程重要性来考虑。一般砂土：一般砂土：m=1.5-3；粘性土，；粘性土，m=2.5-4。重要建筑物取。重要建筑物取高限，而普通建筑物取低限对于危险性较大的发展型管高限，而普通建筑物取低限对于危险性较大的发展型管涌土涌土(如有集中渗漏的砂卵石层如有集中渗漏的砂卵石层)，m值应取高限值应取高限l 表表9-1列出了各类土允许水力梯度的参考值列出了各类土允许水力梯度的参考值l 允许水力梯度确定后，以实际水力梯度与之比较，若实际允许水力梯度确定后，以实际水力梯度与之比较

54、，若实际水力梯度大于允许水力梯度的话是危险的，否则是安全水力梯度大于允许水力梯度的话是危险的，否则是安全的的6.4渗透变形的防治渗透变形的防治l 渗透变形的防治措施，原则上可分为三类：渗透变形的防治措施，原则上可分为三类：l 第一类措施是改变渗流的水动力条件；第一类措施是改变渗流的水动力条件；l 第二类措施是保护渗流出口；第二类措施是保护渗流出口；l 第三类措施是攻善土石性质第三类措施是攻善土石性质l 它们都要根据工程类别和地质条件来具体处理。下面介绍它们都要根据工程类别和地质条件来具体处理。下面介绍几类工程防治措施，几类工程防治措施，l 一、建筑物基坑及地下巷道施工时流砂防治措施一、建筑物基

55、坑及地下巷道施工时流砂防治措施l 这种防治措施主要是采取人工降低地下水位的办法，使之这种防治措施主要是采取人工降低地下水位的办法，使之低于基墓坑底板以下。这种措施既可防治流砂，又防止了低于基墓坑底板以下。这种措施既可防治流砂，又防止了地下水涌入基坑。也可采用板桩防护措施。地下水涌入基坑。也可采用板桩防护措施。l 水平坑道、竖井开挖遇流砂时，前者可采用盾构法施工，水平坑道、竖井开挖遇流砂时，前者可采用盾构法施工，后者采用沉井式支护掘进后者采用沉井式支护掘进(图图622)也有采用冻结法或也有采用冻结法或电动硅化法改善砂土性质，使施工顺利进行。电动硅化法改善砂土性质，使施工顺利进行。l 二、抽水井防止管涌的措施二、抽水井防止管涌的措施l 这种措施是在过滤管与井壁间隙内允填反滤料。以保护渗这种措施是在过滤管与井壁间隙内允填反滤料。以保护渗流出口。反滤料的粒径选择必须要考虑到被保护的含水层流出口。反滤料的粒径选择必须要考虑到被保护的含水层中潜蚀颗粒的大小，使细颗粒不能穿过反滤料孔隙为原中潜蚀颗粒的大小，使细颗粒不能穿过反滤料孔隙为原则则l 若被保护管涌土层为非主要含水层，那么最好用止水措施，若被保护管涌土层为非主要含水层，那么最好用止水措施，将其与过滤管隔绝将其与过滤管隔绝l 三、水工建筑物三、水工建筑物(土石坝土石坝)防治