渗透变形与地面沉降

1、土木工程地质讲义土木工程地质讲义地下水的渗流作用地下水的渗流作用渗透变形与地面沉降渗透变形与地面沉降1. 渗透水流作用类型渗透水流作用类型2. 渗透变形产生的条件渗透变形产生的条件3. 渗透变形的预测渗透变形的预测4. 渗透变形的防治渗透变形的防治5. 地面沉降的分布与危害地面沉降的分布与危害6. 地面沉降的成因与防治地面沉降的成因与防治渗透水流作用于岩土上的力，称渗透水流作用于岩土上的力，称渗透压力渗透压力或动水压力。当此力达或动水压力。当此力达到一定值时，岩土中的一些颗粒甚至整体就会发生移动而被渗流到一定值时，岩土中的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

2、低，甚至整体发生破坏。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。这种工程动力地质作用或现象称之为这种工程动力地质作用或现象称之为渗透变形或渗透破坏渗透变形或渗透破坏。在自然界中，渗透变形一般不发生在无粘性土或粉土中。在自然界中，渗透变形一般不发生在无粘性土或粉土中。可以划分为可以划分为潜蚀潜蚀和和流土流土两种类型。两种类型。1. 潜蚀潜蚀在渗流作用下，单个土颗粒发生独立移动的现象，称在渗流作用下，单个土颗粒发生独立移动的现象，称潜蚀或管涌潜蚀或管涌。潜蚀较普遍的发生在不均匀的砂层或砂卵（砾）石层中，潜蚀潜蚀较普遍的发生在不均匀的砂层或砂卵（砾）石层中，潜蚀包括机械潜蚀和化学潜蚀

3、两种。包括机械潜蚀和化学潜蚀两种。潜蚀在自然条件下和工程活动中均会发生，人们习惯地把工程活潜蚀在自然条件下和工程活动中均会发生，人们习惯地把工程活动中发生的潜蚀称为动中发生的潜蚀称为管涌管涌。根据渗透方向与重力方向的关系，可。根据渗透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两种。将管涌分为垂直管涌和水平管涌两种。渗透变形渗透变形思考题1EXIT2. 流土流土在渗流作用下一定体积的土体同时发生移动的现象，在渗流作用下一定体积的土体同时发生移动的现象，称称流土或流沙流土或流沙。流土一般发生在均质砂土层或粉土中。流土一般发生在均质砂土层或粉土中。潜蚀和流土是可以转化的，潜蚀的发展、演化，

4、往往潜蚀和流土是可以转化的，潜蚀的发展、演化，往往可以转化为流土。可以转化为流土。 土石坝坝基渗流示意图土石坝坝基渗流示意图渗透变形产生的条件渗透变形产生的条件 引起渗透变形的动力因素是引起渗透变形的动力因素是动水动水压力压力,一旦渗流的动水压力达到岩一旦渗流的动水压力达到岩土的土的抗渗强度抗渗强度时时,就会发生渗透变就会发生渗透变形。所以说形。所以说,渗透变形主要取决于渗透变形主要取决于渗流的动水压力和岩土抗渗强度渗流的动水压力和岩土抗渗强度这一对矛盾相互作用的发展演化这一对矛盾相互作用的发展演化过程，这是渗透变形的基本条件，过程，这是渗透变形的基本条件，此外还有此外还有宏观地质因素和工程因

5、宏观地质因素和工程因素素。1. 渗流的渗流的动水压力动水压力及临界水力梯及临界水力梯度。地下水在松软土体中渗流时，度。地下水在松软土体中渗流时，由于水质点之间以及水流与土粒由于水质点之间以及水流与土粒之间磨擦阻力的作用，产生水头之间磨擦阻力的作用，产生水头损失。此时，每一个土粒在水头损失。此时，每一个土粒在水头差作用下承受了来自水流的渗透差作用下承受了来自水流的渗透力，即动水压力。习惯上用单位力，即动水压力。习惯上用单位水体承受的水压力水体承受的水压力D表示。表示。whwpddgd上下界面上下界面水头差水头差长长 度度面积面积水压力水压力IgdddDwlwp思考题2dwdpdldh水力梯度水力

6、梯度土体抗渗强度取决于其本身的结构。制约渗透变形土体抗渗强度取决于其本身的结构。制约渗透变形发生的土体结构特性，包括土中粗细颗粒直径比例、发生的土体结构特性，包括土中粗细颗粒直径比例、细粒物质的含量和土的细粒物质的含量和土的级配特征级配特征、颗粒形状及排列、颗粒形状及排列方式等因素。方式等因素。2. 土的抗渗强度土的抗渗强度-结构特性结构特性土的级配特征土的级配特征可用土的不均粒系数（可用土的不均粒系数（Cu）表示，为土粒重百分数表示，为土粒重百分数60%与与10%的比值。的比值。值越大表示土粒越不均匀。值越大表示土粒越不均匀。当当Cu20时，主要形式是潜蚀。时，主要形式是潜蚀。3. 宏观地质

7、因素和工程因素宏观地质因素和工程因素。宏观地质因素包括宏观地质因素包括地层结构地层结构和和地表地形条件地表地形条件两个方面。两个方面。地层结构地层结构对渗透变形的影响，在坝基下表现最为明显。对渗透变形的影响，在坝基下表现最为明显。地形地貌条件地形地貌条件对渗透变形的影响，主要表现在沟谷切割对渗透变形的影响，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。影响渗流的补给、渗径长度和渗流出口条件等方面。工程因素工程因素主要指的是主要指的是渗流出口渗流出口的保护问题。土石坝和汲的保护问题。土石坝和汲水井的渗流出口段水力梯度较整个流径上的平均水力梯水井的渗流出口段水力梯度较整个流径上的

8、平均水力梯度为高。水流方向也有利于土的松动和悬浮。若不加保度为高。水流方向也有利于土的松动和悬浮。若不加保护，最易产生渗透变形。护，最易产生渗透变形。EXIT 1. 渗透变形的可能性及类型渗透变形的可能性及类型首先分析坝基的地层结构和地形地貌条件，初步确定首先分析坝基的地层结构和地形地貌条件，初步确定渗透变形的地段。渗透变形的地段。随后，根据累积曲线和分布曲线，计算出不均粒系数随后，根据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，来确定渗透变形的类型。和细颗粒的百分含量，来确定渗透变形的类型。也可根据累积曲线和分布曲线的形状来判断：瀑布式也可根据累积曲线和分布曲线的形状来判断：瀑布

9、式产生管涌，直线式不产生管涌。产生管涌，直线式不产生管涌。渗透变形的预测：渗透变形的预测： 预测步骤预测步骤：（1）根据土体的性质和类型，判别渗透变形可能性与）根据土体的性质和类型，判别渗透变形可能性与类型类型（2）确定坝基各点，尤其是下游坝脚处的实际水力梯）确定坝基各点，尤其是下游坝脚处的实际水力梯度。度。（3）确定临界水力梯度和允许水力梯度。）确定临界水力梯度和允许水力梯度。（4）根据比较，圈定出可能发生渗透变形的范围。）根据比较，圈定出可能发生渗透变形的范围。颗粒累积曲线形式与渗透变形类型颗粒累积曲线形式与渗透变形类型管管涌涌流流土土管涌或流土管涌或流土累积百分曲线累积百分曲线粒径粒径2

10、. 确定坝基各点的实际水力梯度确定坝基各点的实际水力梯度 确定坝基实际水力梯度的方法有：理论计算法、绘制流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。网的图解法、水电比拟法及观测法等。绘制流网的图解法比较简单且可靠，是常用方法。流网绘制流网的图解法比较简单且可靠，是常用方法。流网图是由一系列流线和等水头线所组成的网格。图是由一系列流线和等水头线所组成的网格。SSh坝基任一点的水力梯度：坝基任一点的水力梯度：shI3. 确定临界水力梯度和允许水力梯度确定临界水力梯度和允许水力梯度包括理论计算法、图表法和试验测定法。包括理论计算法、图表法和试验测定法。工程等级

11、较低或初级堪察阶段可采用图表法，工程等工程等级较低或初级堪察阶段可采用图表法，工程等级较高或后期勘察阶段则采用试验法。理论计算仅适级较高或后期勘察阶段则采用试验法。理论计算仅适用于流土类型，可根据土的类型及密实程度，选用不用于流土类型，可根据土的类型及密实程度，选用不同的计算公式。同的计算公式。 允许水力梯度允许水力梯度(Iy)：临界水力梯度临界水力梯度(Icr)除以安全系数除以安全系数m，m=1.5-3EXIT渗透变形的防治渗透变形的防治渗透变形的防治，通常采用三方面的防护措施。即改变渗流的渗透变形的防治，通常采用三方面的防护措施。即改变渗流的动力条件、保护渗流出口和改善土石性质。可根据工程

12、性质和动力条件、保护渗流出口和改善土石性质。可根据工程性质和地质条件选择使用。地质条件选择使用。1. 筑物基坑及地下施工时的流沙的防治措施。筑物基坑及地下施工时的流沙的防治措施。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。也可采用板桩防护墙。坑底板。也可采用板桩防护墙。2. 汲水井防治管涌的措施。汲水井防治管涌的措施。主要措施是在过滤管与井壁间隙内充填反滤料。主要措施是在过滤管与井壁间隙内充填反滤料。3. 士石坝防治渗透变形的措施士石坝防治渗透变形的措施（1）垂直截渗垂直截渗 （2）水平铺盖）水平铺盖 （3） 排水减压排水

13、减压 （ 4）反滤盖重）反滤盖重心墙坝心墙坝斜墙坝斜墙坝粘土截水墙示意图粘土截水墙示意图思考题3（2）水平铺盖）水平铺盖防渗铺盖示意图防渗铺盖示意图（3） 排水减压排水减压在坝后的坝脚处设置排水沟和减压井，它们的作用是吸收渗流和在坝后的坝脚处设置排水沟和减压井，它们的作用是吸收渗流和减少溢出段的实际水力梯度。减少溢出段的实际水力梯度。（4）反滤盖重）反滤盖重:分三层铺设，层界分三层铺设，层界面与渗流方向正交，粒径由粗到细面与渗流方向正交，粒径由粗到细EXIT各分层间粒径关系各分层间粒径关系排水孔反滤层结构排水孔反滤层结构d=5-10mmd=1-5mmd=0.25-1mm地面沉降地面沉降地面沉降

14、地面沉降指在自然因素和人为因素影响下形成的地表指在自然因素和人为因素影响下形成的地表垂直下降现象。导致地面沉降的垂直下降现象。导致地面沉降的自然因素自然因素主要是构造主要是构造升降运动以及地震、火山活动等，升降运动以及地震、火山活动等，人为因素人为因素主要是开主要是开采地下水和油气资源以及局部性增加荷载。采地下水和油气资源以及局部性增加荷载。思考题4中国地面沉降情况（中国地面沉降情况（1993）省省（区、市）（区、市）上海上海天津天津江苏江苏浙江浙江山东山东面积面积（km2 ）85010000379.5 262.7526省（自治区、市）省（自治区、市）面积（面积（km2 ）陕陕 西西177.2

15、河河 南南59河河 北北3.6104安安 徽徽360山山 西西200北北 京京313.96广广 东东0.25福福 建建9合合 计计48655.21中国地面沉降情况（中国地面沉降情况（1993）（续表）（续表）地面沉降的危害：地面沉降的危害：地面沉降所造成的破坏和影响是多方面的，其主要危害表现为地地面沉降所造成的破坏和影响是多方面的，其主要危害表现为地面标高损失，继而造成雨季地表积水，防泄洪能力下降。沿海城面标高损失，继而造成雨季地表积水，防泄洪能力下降。沿海城市低地面即扩大，海堤高度下降而引起海水倒灌、海港建筑物破市低地面即扩大，海堤高度下降而引起海水倒灌、海港建筑物破坏，地面运输线和地下管线

16、扭曲断裂，城市供水排水系统失效。坏，地面运输线和地下管线扭曲断裂，城市供水排水系统失效。（1）濒海城市海水侵袭濒海城市海水侵袭：世界上有许多滨海城市，如日本的东：世界上有许多滨海城市，如日本的东京、大阪和美国的长滩、中国的上海、天津等。由于地面沉降致京、大阪和美国的长滩、中国的上海、天津等。由于地面沉降致使部分地区地面标高降低，甚至低于海平面。造成使部分地区地面标高降低，甚至低于海平面。造成海水入侵海水入侵，严，严重破坏了地下水源。重破坏了地下水源。（2）港口设施失效港口设施失效：地面下沉使港口设施失去效用，港口货物：地面下沉使港口设施失去效用，港口货物装卸能力下降。装卸能力下降。（3）桥墩下

17、沉，影响航运桥墩下沉，影响航运：桥墩随地面沉降而下沉，使桥下净：桥墩随地面沉降而下沉，使桥下净空间减小，导致水上运输受阻。空间减小，导致水上运输受阻。（4）地基不均匀下沉，建筑物开裂倒塌地基不均匀下沉，建筑物开裂倒塌：地面沉降往往使地面：地面沉降往往使地面和地下建筑物遭受巨大的破坏，如建筑物墙壁开裂或倒塌，桥墩和地下建筑物遭受巨大的破坏，如建筑物墙壁开裂或倒塌，桥墩不均匀下沉，自来水管弯裂漏水等。不均匀下沉，自来水管弯裂漏水等。（5）由于不均匀的地面沉降，致使地下管道的坡度改变，）由于不均匀的地面沉降，致使地下管道的坡度改变，地下地下管道断裂管道断裂。墨西哥市的建筑物也因不均匀沉降而造成不允许

18、。墨西哥市的建筑物也因不均匀沉降而造成不允许的倾斜，甚至破坏。给水管网也有破坏和失调的情况。的倾斜，甚至破坏。给水管网也有破坏和失调的情况。（6）过大的地面沉降，造成严重的）过大的地面沉降，造成严重的地面位移地面位移。EXIT思考题5地面沉降的成因地面沉降的成因：过量开采地下水是地面沉降的外因，中等、高压缩性粘性土和承过量开采地下水是地面沉降的外因，中等、高压缩性粘性土和承压含水层的存在是地面沉降的内因。因而大多数人认为沉降是由压含水层的存在是地面沉降的内因。因而大多数人认为沉降是由于过量开采地下水、石油和天然气、卤水以及高大建筑物的超量于过量开采地下水、石油和天然气、卤水以及高大建筑物的超量

19、荷载等引起的。荷载等引起的。1. 厚层松软细粒土层的存在。厚层松软细粒土层的存在。2长期过量开采地下流体。长期过量开采地下流体。3. 新构造运动的影响。新构造运动的影响。4城市建设对地面的沉降的影响。城市建设对地面的沉降的影响。地面沉降的形成模式地面沉降的形成模式：地面沉降过程实质上是这些地层的渗透固结过程的持续。基于地面沉降过程实质上是这些地层的渗透固结过程的持续。基于这一观点可将产生地面沉降的主要地质环境模式归纳为以下几种。这一观点可将产生地面沉降的主要地质环境模式归纳为以下几种。1.近代河流冲击环境模式近代河流冲击环境模式2.近代三角洲平原环境模式近代三角洲平原环境模式3.断陷盆地沉积环

20、境模式断陷盆地沉积环境模式思考题6近代河流冲击环境模式近代河流冲击环境模式: 以河流中下游高弯度河流沉积相为主。属以河流中下游高弯度河流沉积相为主。属于这种模式的河流常处于现代地壳沉降带中，河床迁移频率高，因于这种模式的河流常处于现代地壳沉降带中，河床迁移频率高，因而沉积物特征为多旋回的河床沉积土而沉积物特征为多旋回的河床沉积土下粗上细的粗粒土和泛原下粗上细的粗粒土和泛原沉积土，并以细粒粘性土为主的多层交错叠置结构。一般的说，粗沉积土，并以细粒粘性土为主的多层交错叠置结构。一般的说，粗粒土层平面分布呈条带状或树枝状，侧向连续续性较差。我国东部粒土层平面分布呈条带状或树枝状，侧向连续续性较差。我

21、国东部许多河流冲击平原如长江中下游平原黄淮海平原，松嫩平原等均属许多河流冲击平原如长江中下游平原黄淮海平原，松嫩平原等均属于此种类型。于此种类型。近代三角洲平原环境模式近代三角洲平原环境模式: 三角洲位于河流入海地段，介于河流冲三角洲位于河流入海地段，介于河流冲击平原与大陆架的过渡阶段。随着地壳的节奏性升降运动，河口击平原与大陆架的过渡阶段。随着地壳的节奏性升降运动，河口地段接受了陆相和海相两种沉积物。我国长江三角洲主体部分属地段接受了陆相和海相两种沉积物。我国长江三角洲主体部分属于建设性三角洲，并继续向外淤积扩展成广阔的三角洲平原。位于建设性三角洲，并继续向外淤积扩展成广阔的三角洲平原。位于

22、其上的上海，常州，无锡等城市地面沉降的发生和发展均受这于其上的上海，常州，无锡等城市地面沉降的发生和发展均受这种地质环境模式的控制。种地质环境模式的控制。断陷盆地沉积环境模式：断陷盆地沉积环境模式：一般位于三面环山，中部以断块下降为主的一般位于三面环山，中部以断块下降为主的近代活动性地区。在这类地质环境中两类诱发因素均可能导致较严重近代活动性地区。在这类地质环境中两类诱发因素均可能导致较严重的地面沉降。（的地面沉降。（1） 临海式断陷盆地临海式断陷盆地 ： 这类盆地位于摈海地区，常这类盆地位于摈海地区，常受到近期海浸影响。其沉积结构由海陆交互相地层组成。我国台北和受到近期海浸影响。其沉积结构由

23、海陆交互相地层组成。我国台北和宁波盆地均属于这种模式，并以产生了地面沉降宁波盆地均属于这种模式，并以产生了地面沉降 现象。（现象。（2） 内陆式内陆式断陷盆地断陷盆地 这类盆地位于内陆高原的近代断陷活动地区。我国汾渭地这类盆地位于内陆高原的近代断陷活动地区。我国汾渭地堑中的此种类型。堑中的此种类型。地下水位下降的控制地下水位下降的控制：地面沉降与地下水的存在密切相关，一旦出现很难治理，地面沉降与地下水的存在密切相关，一旦出现很难治理，因此重点在于因此重点在于预防预防。在地面沉降过程中，地下水位下降。在地面沉降过程中，地下水位下降是矛盾转化的主要方面。要控制地面沉降，首先要控制是矛盾转化的主要方面。要控制地面沉降，首先要控制地下水位下降地下水位下降。为了达到这一目的，世界上提出控制地。为了达到这一目的，世界上提出控制地下水位的措施大体有以下几个方面：下水位的措施大体有以下几个方面：另外寻求供水水源，减少或停止抽用地下水，