渗透变形预测与防治

1、渗透变形与预测防治课程结构一、知识回顾一、知识回顾1.渗透变形概念渗透变形概念2.发生的充分条件发生的充分条件3.类型类型二、预测方法二、预测方法1.土体的类型和性质土体的类型和性质2.比较比较I I实与实与I I允大小允大小三、防治方法三、防治方法1.建筑物基坑及地下巷建筑物基坑及地下巷道施工时流沙的防治道施工时流沙的防治措施措施2.汲水井防治管涌的措汲水井防治管涌的措施施3.土石坝防治渗透变形土石坝防治渗透变形的措施的措施知识回顾知识回顾渗透变形渗透变形概念概念发生的充发生的充分条件分条件渗透变形渗透变形类型类型2.渗透变形发生的充分条件 渗透变形主要是指整块或其颗粒发生移动, 或其颗粒面

2、成分发生改变的作用和现象, 从而会引起岩土体出现空洞, 发生地面塌陷和裂缝, 或在水流出口处出现涌泉、涌砂现象, 形成渗透堆积 。1.渗透变形概念一、知识回顾渗透压力大于土的抗渗强度3.常见类型 3.1管涌 在渗流作用下单个土颗粒发生独立移动的现象，叫管涌(piping)或潜蚀管涌较普遍地发生在不均匀的砂层或砂卵(砾)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，会使土体呈现“架空结构”，甚至导致地面塌陷。一、知识回顾 3.2流土（硫沙） 在渗流作用下一定体积的土体同时发生移动的现象，叫流土(quicksoil)或硫砂(quick sand)。 流

3、土一般发生在均质砂土层和亚砂土层中。它可使土体完全丧失强度，而危及建筑物的安全，因此危害性较管涌大。一、知识回顾3.常见类型渗透预测渗透预测方法方法土体的类型和土体的类型和性质性质比较比较I I实与实与I I允允大小大小粗细颗粒直径比例细颗粒的含量土的级配特征实际水力坡度I实测量允许水力梯度I允测量渗透变形可能性判定示踪法1.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、土的级配等。 1.1 粗细颗粒直径比例 细粒从空隙中流动最优比例：d0/d = 8 天然无粘性土 n=0.395 D/ d0 =2.5 D/d = 20 有利于管涌 d0 ：孔隙直径 d：细颗粒直径

4、 D：粗颗粒直径 土体的排列方式决定着D / d0 的值： 当排列疏松时， D / d0 减小， D/d 减小，有利于渗透变形 当排列密实时， D / d0 增大， D/d 增大，不利于渗透变形 二、渗透预测方法 1.2 细颗粒的含量 用细颗粒含量来判别双峰型砾土的渗透变形型式： 35% 流土 35% Cu20 管涌 Cu1020 流土或管涌1.土体性质与渗透变形类型二、渗透预测方法实际水力坡度测量常用方法有： 计算及图解 模型模拟法 数值计算法2.1实际水力坡度I实测量二、渗透预测方法的测压水位为上、下游坝脚处下层、式中：水平逸平43432121121222HHbHHITTKKbTHHI（1

5、）理论计算法：2.比较I实与I允大小2.1实际水力坡度I实测量（2）图解法（流网绘制）SHIH二、渗透预测方法2.比较I实与I允大小两等水头线间的水头损失，即水头差S网格平均长度允许水力梯度： m与地质条件和工程重要性有关： 砂土：m1.53.0 粘性土：m2.54.0m1mmIIcr允2.2允许水力梯度I允测量二、渗透预测方法2.比较I实与I允大小（1）图表法2.2允许水力梯度I允测量二、渗透预测方法2.比较I实与I允大小 （2）渗流仪试验法 采用变水头试验方法，将水头逐级抬高；在每一水头下都维持稳定30min，甚至发生渗透破坏时，再逐级下降水头至渗透破坏停止。重复数次，最后将最低开始发生破

6、坏的水头作为临界水头，据此计算临界水力梯度。室内渗透仪中渗透变形试验装置图 1试样；2碎石缓冲层；3进水管开关；4胶皮管；5观测水头玻璃管；6水源箱；7筛网 8渗透筒 2.2允许水力梯度I允测量二、渗透预测方法2.比较I实与I允大小 （3）水槽渗透变形试验 以多次渗透破坏而使土样完全破坏时的水头g作为临界水头。（即e点值）图6.18 室内木槽渗透变形试验1砂样；2水箱：a f砂样随水头变化反复管涌直至完全破坏；g临界水头 2.2允许水力梯度I允测量二、渗透预测方法2.比较I实与I允大小图6.19 封闭堤坝式现场渗透变形试验装置图(单位cm) 上为平面图，下为剖面图 （4）堤坝式 如砂层厚度不大

7、，可采用封闭堤坝式，即用嵌入隔水层的粘土截水墙，将试验段砂层全部封闭起来（图6.19）。如砂层很厚，则只能采用半封闭堤坝式。2.2允许水力梯度I允测量二、渗透预测方法2.比较I实与I允大小发生渗透变形 发生渗透变形 不允实允实IIII2.3渗透变形可能性判定二、渗透预测方法2.比较I实与I允大小二、渗透预测方法3.示踪法防治方法施工时流沙的防治汲水井防治管涌的措施土石坝防治渗透变形人工降低潜水位板桩防护墙盾构法沉井式支护掘进管涌图解反滤层反滤层分类反滤层要求反滤层设计反滤层构造基本介绍土石坝分类土石坝构造土石坝的渗流分析防治措施防治工艺 人工降低地下水位的方法有轻型井点、喷射井点、电渗井点、管

8、井井点及深井泵井点等。 轻型井点 就是沿基坑四周将许多直径较小的井点管买入蓄水层内，井点管上部与总管连接，通过总管利用抽水设备将地下水从井点管内不断抽出，使原有的地下水位降至坑底以下。此种方法适用于土壤的渗透系数K=0.150m/d的土层中 喷射井点 当基坑开挖较深，采用多级轻型井点不经济时，宜采用喷射井点，其降水深度可达820m。喷射井点设备由喷射井管、高压水泵及进水、排水管路组成。喷射井管由内管和外管组成，在内管下端装有喷射扬水器与滤管相连，当高压水经内外管之间的环形空间由喷嘴喷出时，地下水即被吸入而压出地面。1.1人工降低潜水位三、渗透防治方法1.流沙的防治 电渗井点电渗井点 电渗井点适

9、用于土壤渗透系数小于0.1m/d，用一般井点不可能降低地下水位的含水层中，尤其宜用于淤泥排水。电渗井点自排水的原理，以井点管作负极，以打入的钢筋或钢管作正极，当通以直流电后，土颗粒即负极向正极移动，水则自正极向负极移动而被集中排出。土颗粒的移动称电泳现象，水的移动称电渗现象，故称电渗井点。 管井井点管井井点 就是沿基坑每隔2050m距离设置一个井管，每个井管单独用一台水泵不断抽水来降低地下水位。此法适用用于土壤的渗透系数大（K=20200m/d），地下水量的土层中。如要求降水深度较大，在管井井点内采用一般离心泵或潜水泵不能满足要求时，可采用特制的深井泵。 1.2板桩防护墙三、渗透防治方法1.流

10、沙的防治 板桩墙是用于抵抗侧向土压力的直立板条状构件形成的挡土结构物。其形状长而扁，可用于低边坡、基坑等的防护。一般采用强夯的办法打入。（1）板桩防护墙概念 钢板桩施工快，可回收，操作方便，成本低。 缺点是支护深度不是很大。1.2板桩防护墙三、渗透防治方法1.流沙的防治（2）钢板桩 钢筋混凝土板桩具有施工简单、现场作业周期短等特点,曾在基坑中广泛应用,但由于钢筋混凝土板桩的施打一般采用锤击方法,振动与噪音大,同时沉桩过程中挤土也较为严重,在城市工程中受到一定限制1.2板桩防护墙三、渗透防治方法1.流沙的防治（3）钢筋混凝土板桩 水泥土搅拌桩可适用于一般基坑支护和止水，施工教方便，成本较低，缺点

11、是强度不是特别大。 混凝土桩优点强度大，可支护深度大，承载力强，支护效果好。缺点是成本高，施工复杂。 图钉墙施工快捷，成本较低。缺点是需要先开挖再施工，且需要放坡。1.2板桩防护墙三、渗透防治方法1.流沙的防治（4）其他类型桩 盾构法(Shield Method)是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。1.3盾构法三、渗透防治方法1.流沙的防治（1）概念 第一，在置放盾构机的地

12、方打一个垂直井，再用混泥土墙进行加固； 第二，将盾构机安装到井底，并装配相应的千斤顶； 第三，用千斤顶之力驱动井底部的盾构机往水平方向前进，形成隧道； 第四，将开挖好的隧道边墙用事先制作好的混泥土衬砌加固，地压较高时可以采用浇铸的钢制衬砌加固来代替混泥土衬砌。 盾构法施工中，其隧道一般采用以预制管片拼装的圆形衬砌，也可采用挤压混凝土圆形衬砌，必要时可再浇筑一层内衬砌，形成防水功能好的圆形双层衬砌。1.3盾构法三、渗透防治方法1.流沙的防治（2）施工方法杭州地铁施工（盾构法）1.3沉井式支护掘进三、渗透防治方法1.流沙的防治1）沉井采用钢筋混凝土，高度以承台高度为准；2）沉井一次制作下沉，以减少

13、沉井自由高度，增加稳定，防止倾斜；3）沉井制作采取刃脚方法，有利于下沉；4）浇筑的沉井身混凝土应密实，外表面平整、光滑。突出井壁面部分应在拆模后铲平；以利防水和下沉。1.3沉井式支护掘进三、渗透防治方法1.流沙的防治（1）沉井的制作世界规模最大重力式圆形沉井在武汉施工建设 1）制作程序：场地整平放线夯实基底，抄平放线验线铺砂垫层绑沉井身钢筋支井身模板浇筑混凝土养护、拆模下沉； 2）下沉程序：下沉准备工作设置垂直运输机械挖土下沉观测纠偏沉至设计标高、核对标高浇筑封底混凝土承台施工。1.3沉井式支护掘进三、渗透防治方法1.流沙的防治（2）施工程序汲水井：建筑上的汲水井是在建筑的周围做的井，以形成局

14、部水集中，便于排出，达到基坑内无水施工的目的。防治原理：在过滤管和井壁间隙内填充反滤料，以保护渗流出口保护渗流出口。2.1汲水井防治管涌的措施三、渗透防治方法2.管涌的防治管涌图解注意事项： 反滤料的粒径选择，必须考虑到被保护的含水层中管涌颗粒的大小，使细颗粒不能通过反滤料的孔隙 为原则，又能顺畅排水。 若过滤管外缠绕铁丝，要选择合适的网眼直径。反滤层：也叫反滤包，是指在大口井或渗渠进水处铺设的粒径沿水流方向由细到粗由细到粗的级配砂砾层。反滤层是由2-4层颗粒大小不同的砂、碎石或卵石等材料做成的，顺着水流的方向颗粒逐渐增大顺着水流的方向颗粒逐渐增大，同一层的颗粒也不能产生相对移动，任一层的颗粒

15、都不允许穿过相邻较粗一层的孔隙。设置反滤层后渗透水流出时就带不走堤坝体或地基中的土壤，从而可防止管涌和流土的发生。2.2反滤层三、渗透防治方法2.管涌的防治BA反滤层按其工作条件可以划分为以下2 种类型 :型反滤层( 图A) 反滤层位于被保护土层的下部, 渗流方向主要由上向下。如斜墙后的反滤层, 渗渠等渗滤取水构筑物取水构筑物的反滤层。型反滤层( 图B) 反滤层位于被保护土层的上部, 渗流方向主要由下向上。如位于地基渗流地基渗流逸出处的反滤层等。2.3反滤层的分类三、渗透防治方法2.管涌的防治为了保证砂石反滤层的 滤土和排水功能,工程中反滤层必须满足下列条件: 被保护土层不发生渗透变形, 反滤

16、层某一颗粒不应穿过相邻的粒径较大层的孔隙, 反滤料本身应为非管涌材料。每一层内的颗粒不应发生移动不应发生移动。允许颗粒含量低于低于5%的小于0. 1mm 粒径的小颗粒被渗流带走, 不影响土骨架稳定, 但不得堵塞反滤层孔隙。组成反滤层的砂石颗粒应具有耐久性耐久性, 不会因冻融过程、生物及化学物质的侵蚀而改变反滤层的性质。 组成反滤层的砂石颗粒应是清洁清洁的无粘性无粘性颗粒, 不得含有杂草等易腐烂的物质而导致滤层堵塞。2.4反滤层的要求三、渗透防治方法2.管涌的防治反滤层设计包括掌握被保护土和料场砂砾料的颗粒级配, 确定被保护土的控制粒径、反滤层的等效粒径、不均匀系数等。（1）不均匀系数Cu 很小

17、时表示土均匀, 相互制约能力强;Cu 很大时表示土不均匀, 相互制约能力弱。对于反滤料颗粒级配能够满足滤土和排水要求就是级配优良。6 01 0udCd2.5反滤层的设计三、渗透防治方法2.管涌的防治 （2）有效粒径在实际工程中, 为了计算操作方便, 我们一般取控制粒径dk= d15, 这能够满足稳定性的要求。2.5反滤层的设计三、渗透防治方法2.管涌的防治 （3）层间系数计算和校核层间系数是否满足要求是反滤层设计的核心问题。当被保护土为无粘性土, 且其Cu 5 8 时, 其第1 层反滤料的颗粒级配按下式确定 :其中，D15为反滤料粒径, 小于该粒径土重占总土重的15% ; d85为被保护土粒径

18、, 小于该粒径土重占总土重的85%; d 15为被保护土粒径, 小于该粒径土重占总土重的15% 。1 58 51 51 5455DdDd2.5反滤层的设计三、渗透防治方法2.管涌的防治因为被保护土的颗粒组成通过筛分可以确定,如果已经确定了反滤层的不均匀系数Cu , 有效粒径dk再根据其层间系数,则反滤层颗粒组成就可确定。2.5反滤层的设计三、渗透防治方法2.管涌的防治反滤层一般是由1 3 层不同粒径的非粘性土构成, 每层铺设得大体与渗流正交, 其粒径随渗流的方向而增大。 （1）层数的确定p 设置第1 层反滤层的目的是防止被保护土的渗透变形和流失, 设置第2 层的目的则是为了保证第1 层反滤层的

19、安全运行。p 若只设1 层反滤就能够满足工程需要, 则不需设置外层反滤。p 对于渗渠取水工程, 反滤层不仅要满足上述要求, 还要根据渗渠取水对水质的要求设置第2、第3 层反滤层, 有时甚至要设置第4 层。2.6反滤层的构造三、渗透防治方法2.管涌的防治（2）反滤层厚度的确定反滤层每层的厚度应根据反滤料的级配、粒径、料源、用途等因素综合考虑确定。一些常用的标准：p 土石坝等大型水利工程的水平反滤层采用人工施工时, 最小厚度不得小于30cm; p 垂直或倾斜的反滤层最小厚度不得小于50cm ; p 采用机械施工, 最小厚度不得低于3. 0m。2.6反滤层的构造三、渗透防治方法2.管涌的防治土工织物

20、土工织物：用合成纤维纺织或经胶结、热压针刺等无纺工艺制成的土木工程用卷材，也称土工纤维或土工薄膜。性能之一便是过滤（反滤），当水由细料土层流入粗料土层时，利用涤纶短纤针刺土工布良好的透气性和透水性，使水流通过，而有效地载流土颗粒，细沙、小石料等，以保持水土工程的稳定。土石坝基本介绍土石坝：土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝。以石渣、卵石、爆破石料为主时，称堆石坝；当两类当地料均占相当比例时，称土石混合坝。黄河小浪底水利枢纽工程，这座大坝高154米，是我国当年最大的土石坝。三、渗透防治方法3.1土石坝按材料在按材料在坝体内的

21、配置坝体内的配置均质均质土坝土坝土质土质心墙坝心墙坝人工材料人工材料心墙坝心墙坝土质土质斜墙坝斜墙坝人工材料人工材料面板坝面板坝心墙是粘土或沥青混凝土（钢筋）一种透水性弱的土料填筑防渗体位于上游面，下游作支撑体（沥青或钢筋混凝土）三、渗透防治方法3.2土石坝分类防渗体防渗体排水体排水体护坡护坡坝身坝身土石坝土石坝构造构造上游护坡下游护坡是土石坝的主体，坝的稳定主要靠它维持；降低浸润线，减少渗透水量；排除渗透水，增强下游坝坡稳定性防止波浪、冰层、温度变化、雨水和水流等对坝坡的破坏。三、渗透防治方法3.3土石坝构造三、渗透防治方法3.3土石坝构造水库蓄水后，由于上下游水位差的关系，水流会通过坝体水

22、库蓄水后，由于上下游水位差的关系，水流会通过坝体土粒之间的空隙从上游向下游流动。土粒之间的空隙从上游向下游流动。三、渗透防治方法3.3土石坝的渗流分析(1)(1)降低渗透水力坡度：降低渗透水力坡度：设置水平或垂直设置水平或垂直的防渗体，降低渗透坡降。的防渗体，降低渗透坡降。(2)(2)增加渗流出口处土体抵抗渗透变形增加渗流出口处土体抵抗渗透变形的能力的能力：设置排水沟或减压井，降低下设置排水沟或减压井，降低下游渗流出口处的渗压。设反滤层或加盖游渗流出口处的渗压。设反滤层或加盖重滤土排水，防止渗透水流从坝体或坝重滤土排水，防止渗透水流从坝体或坝基处将细颗粒带走从而形成管涌基处将细颗粒带走从而形成

23、管涌上上防防下下排排三、渗透防治方法3.3土石坝防治措施（一）防治思路与分类垂直截渗：水平铺盖：排水减压：反滤盖层：（二）土石坝渗透防治（二）土石坝渗透防治注浆帷幕混凝土防渗墙粘土截水槽粘性土铺盖排水沟减压井反滤层盖重三、渗透防治方法3.3土石坝防治措施明挖回填粘土成截水槽明挖回填粘土成截水槽, ,结构简单、工作可靠、截结构简单、工作可靠、截渗效果好的防渗措施渗效果好的防渗措施. .适用适用: :砂砾土层深度在砂砾土层深度在15m15m以内。以内。位置位置: :一般设在大坝防渗体的底部（均质坝则多设一般设在大坝防渗体的底部（均质坝则多设在靠上游在靠上游1/31/31/21/2坝底宽处），横贯整

24、个河床并伸到坝底宽处），横贯整个河床并伸到两岸两岸（1 1）粘土截水槽）粘土截水槽1 1垂直截渗措施垂直截渗措施三、渗透防治方法3.3土石坝防治措施适用适用: :砂砾石层深度在砂砾石层深度在151580m80m，高，高效经济的。效经济的。 优点优点: :施工进度快，造价较低，防施工进度快，造价较低，防渗效果好。渗效果好。 尺寸尺寸: :厚度由坝高和防渗墙的允许厚度由坝高和防渗墙的允许渗透比降、墙体溶蚀速度和施工渗透比降、墙体溶蚀速度和施工条件等因素确定条件等因素确定 如果必要也可以如果必要也可以采用两排墙组成防渗体。采用两排墙组成防渗体。 防渗墙底部应嵌入基岩防渗墙底部应嵌入基岩0.51.0m

25、0.51.0m 为了增加防渗墙的柔性，为了增加防渗墙的柔性，有些工程采用掺粘土的混凝土。、有些工程采用掺粘土的混凝土。、（2）混凝土防渗墙）混凝土防渗墙1 1垂直截渗措施垂直截渗措施三、渗透防治方法3.3土石坝防治措施 在闸坝的岩石或砂砾石地基中采用灌浆建造防在闸坝的岩石或砂砾石地基中采用灌浆建造防渗帷幕的工程。帷幕顶部与混凝土闸底板或坝体连渗帷幕的工程。帷幕顶部与混凝土闸底板或坝体连接，底部深入相对不透水岩层一定深度，以阻止或接，底部深入相对不透水岩层一定深度，以阻止或减少地基中地下水的渗透。减少地基中地下水的渗透。适用：当砂砾石层很深或采用其他防渗截水措施适用：当砂砾石层很深或采用其他防渗

26、截水措施不可行时，可采用灌浆帷幕，或在深层灌浆帷幕，不可行时，可采用灌浆帷幕，或在深层灌浆帷幕，上层粘土截水墙或混凝土防渗墙等方法截渗。上层粘土截水墙或混凝土防渗墙等方法截渗。（3）灌浆帷幕）灌浆帷幕1 1垂直截渗措施垂直截渗措施三、渗透防治方法3.3土石坝防治措施2、水平防渗铺盖、水平防渗铺盖 铺盖的作用是延长渗径，减小水力坡度。当坝铺盖的作用是延长渗径，减小水力坡度。当坝基透水层深厚，其他防渗措施经济不合理时可基透水层深厚，其他防渗措施经济不合理时可考虑。考虑。 特点特点: :就地取材，施工简单，多用于中小工程。就地取材，施工简单，多用于中小工程。 粘性土防渗铺盖是从坝身防渗体向上游延伸，

27、粘性土防渗铺盖是从坝身防渗体向上游延伸，多用于斜墙坝，如下图所示。多用于斜墙坝，如下图所示。三、渗透防治方法3.3土石坝防治措施 采用铺盖防渗或采用其他措施防渗效果较差采用铺盖防渗或采用其他措施防渗效果较差时，可在下游坝脚或以外处配套设置排水时，可在下游坝脚或以外处配套设置排水减压措施，如图所示。减压措施，如图所示。 1) 1)排水沟排水沟: :对双层结构透水地基，可将表层对双层结构透水地基，可将表层挖穿做成反滤排水暗沟或明沟。挖穿做成反滤排水暗沟或明沟。 2) 2)减压井减压井: :当表层弱透水层太厚或透水层成当表层弱透水层太厚或透水层成层性较显著时，宜采用减压井深入强透水层性较显著时，宜采用减压井深入强透水层，将渗水导出，经排水沟排向下游。层，将渗水导出，经排