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1、第 2 章 岩体的渗透特性学习指导：本章讲述岩土体的渗透性，冻胀过程中土中水分的迁移与积聚，渗流方程及 流网的概念，渗透变形产生的条件，坝基渗透稳定性分析，渗透变形的防治措施等内容。重点：掌握岩土体的渗透性，渗透变形破坏的类型，渗透变形破坏的条件，动水压力的 概念，临界水力坡降，渗透水力坡降的试验确定方法及坝基渗透稳定性分析等。了解冻胀过 程中土中水分的迁移与积聚及渗透变形破坏的防治措施等内容。2.1 概述水在岩土 体孔隙中的流 动过程称为渗 透。岩土体具有 渗透的性质称 为岩土体的渗 透性。图 2-1（a） 土石坝渗流的 例子，图 2-1（b） 为隧洞开挖时， 地下水的渗流。由水的渗透引起岩
2、土体边坡失稳、边坡变形、地基变形、岩溶渗透塌陷等均 属于岩土体的渗透稳定问题。水在孔隙介质中的渗透问题，目前的研究在试验及理论上都有 一定的水平，在解决实际问题方面也能够较好地反映土在孔隙介质中的渗流的运动规律。孔 隙介质中的渗流场理论，基本上描述了水在孔隙介质中的渗透特性。水在裂隙介质中的渗透， 目前的研究还很不完善。由于裂隙介质的复杂性，水在裂隙介质中的渗透无论在理论上或是 试验方面都存在很多问题，在解决工程实际问题方面还很不成熟。岩土体的渗透性对工程设 计、施工和安全运行都有重要的影响。本章主要介绍岩土体的渗透性的基本概念及土体渗透变形破坏的类型、渗透变形破坏产 生的条件及坝基渗透稳定性
3、分析，其它内容请参考有关书籍。2.2 岩土体的渗透性2.2.2 岩石的透水性 在一定的水力梯度或压力作用下，岩石能被水透过的性质，称为透水性。对孔隙介质岩 体，一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律达 西定律，（见 2-1 式）。渗透系数是表征岩石透水性的重要指标，其大小取决于岩石中空隙、裂隙的数量、规模及连通情况等，并可在室内根据达西定律测定。某些岩石的渗透系数如表2-2，由表可知， 岩石的渗透性一般都很小，远小于相应岩体的透水性，新鲜致密岩石的渗透系数一般均小于10-Cm/s量级。同一种岩石，有裂隙发育时，渗透系数急剧增大，一般比新鲜岩石大46 个数量级，甚
4、至更大，说明空隙性对岩石透水性的影响是很大的。应当指出，对裂隙岩体来说，不仅其透水性远比岩块大，而且水在岩体中的渗流规律也 比达西定律所表达的线性渗流规律要复杂得多。因此，达西定律在多数情况下不适用于裂隙 岩体，必须用裂隙岩体渗流理论来解决其水力学问题。2.2.3 岩体的渗透性 岩体的渗透性是一个复杂的问题，目前的研究成果在解决实际问题时还有很多不足 的地方。根据目前的研究，岩体的渗流大体可划分为准均匀介质渗流、裂隙性介质渗流和岩 溶性介质渗流三种。(1) 准均匀介质渗流 属于这一类型的有全、强风化带及弱风化带的中上部的多孔隙砂岩。在该渗流场中，达西定律基本上适用，主要参数仍然是渗透系数。(2
5、) 裂隙性介质渗流 裂隙性介质渗流是岩体渗流的基本形式，水的渗流主要受裂隙的类型、裂隙的大小、裂隙的产状及裂隙充填情况所控制。(3) 岩溶介质渗流 岩溶介质渗流是岩体渗流最复杂的一种形式，由于受岩溶的发育规律所控制，岩溶的渗流具有间歇性、隐伏性、封闭性和地下水系等特点。岩溶介质渗流的复杂性主要表现在以下 三个方面： 多循环系统共存 这是岩溶介质渗流最突出的特点之一。如一个泉眼可能是一个循 环系统的排泄点，也可能是几个循环系统的排泄点。同时，单个系统在空间上可以相互交叉。 裂隙性渗流与管道型渗流共存。 多种渗流特征参数共存。 岩体的渗透多用试验及数学模型来表述。具体的研究详见岩体水力学。2.2.
6、4 岩土渗透性分级水利水电工程地质勘察规范(GB50287-99)规定，岩土渗透性可按表2 3分级。表23岩土渗透性分级渗透性等级标准岩体特征土类渗透系数k(cm/s)透水率q(Lu)极微透水K10-6q0.1完整岩石，含等价开度Q.Q25mm裂隙的 岩体粘土微透水10-6K10-5Q.1Wq1含等价开度Q.Q25Q.Q5mm裂隙的岩体粘土一粉土弱透水10-5K10-41Wq1Q含等价开度Q.Q5Q.Q1mm裂隙的岩体粉土一细粒土质砂中等透水10-4K10-21QWq1QQ含等价开度Q.Q1Q.5mm裂隙的岩体砂一砂砾强透水10-2K10qqW1QQ含等价开度Q.52.5mm裂隙的岩体砂砾一砾
7、石、卵石极强透水KW10-5qW1QQ含连通孔洞或等价开度2.5mm裂隙的岩 体粒径均匀的巨砾注：Lu为吕荣单位，是IMpa压力下，每米试段的平均压入流量，以L / min计。2.3 坝基渗透稳定性分析坝基下的渗透水流，使岩土体中的某些颗粒移动或颗粒成分、结构发生改变的现象称 为渗透变形或渗透破坏。渗透变形对土石坝稳定影响极大，据美国发表的资料，在破坏的土石坝中，有40%是由于坝基或坝体土的渗透变形所造成。我国对有问 题的土石坝的调查发现其中由渗透变形所引起者竟达60%。此外防洪 堤和边坡的塌滑，岩溶区覆盖土层中洞穴和地表塌陷的形成，供水井、 坝基排水孔和减压井的淤塞，开挖基坑和地下工程中遇到
8、的流砂，断层 破碎带、软弱夹层、裂隙和洞穴中松散物质的带出等都是由渗透变形引 起的。四川陈仓水库条石拱坝的实事便是一例。该坝由于清基不彻底, 在三号拱基下发生渗透变形，不仅把红色风化泥岩裂隙中的粘土冲蚀, 而且把泥岩也冲蚀了 7m深，连同被冲蚀的坝身成为一个高13m,宽8m 的冲蚀洞。坝基渗透变形的主要类型是管涌和流土。在工程地质勘测的基础上坝基渗透稳定性的分析步骤如下：（1）在宏观第四纪地层结构分析或软弱夹层研究的基础上，进行H 27室内水槽港透变形试验坝基渗透变形特征的分段。（2）根据岩性和颗粒分析 以及物理分析试验资料，对各地段 进行渗透变形类型的预测。（3）确定坝基各点的实际 水力坡降
9、。确定方法有理论计算法、 流网法、水电比拟法和观察法等。初步判定可用计算法。双层结构且透水层厚度 稳定，坝下溢出平均水力坡度为:E2-10封闭壊坝式现场潘透变形试验布置閣（2-18）HH2坝上、下游水位；M；、m2上、下透水层的厚度；K；、K：上、下透水层的渗透系数；L坝基底宽。（4）确定临界水力坡降。确定临界水力坡降有计算法、试验法 和经验数值法。计算法，临界水力坡降可用式（2-7）计算。试验法确定临界水力坡降的试验法有室内试验和现场试验。室 内试验多在透明的有机玻璃渗透仪或水槽中进行（图2-8和图2-9）。 试样应拌匀分层装入，符合天然级配和密实程度，并浸水饱和两天。 然后逐级提高水头，每
10、级水头下维持稳定30min进行观察，直至观察 到渗透变形现象（同时记录水位、流量水文等），再逐渐降低水头至 渗透变形停止，再提高水头至渗透变形发生，如此反复数次，以最低的开始发生渗透变形的水头作为临界水头，从而求得临界水力坡降。现场渗透变形试验对于砂砾石土类有堤坝式、围堰式、现场试件式等，以堤坝式较 好。如坝基下不深处有粘土隔水层，则可使隔水墙嵌入粘土层，将试验砂砾层全部封闭起来（图2-10）。如粘土层很深，可用半封闭或不封闭堤坝式（隔水墙深为设计水头的1/2）。 试验坝的底宽和长度分别为设计坝的1/100和1/200。软弱夹层渗透变形现场试验有辐射流法和平行流法。 前者 是用 一个 主压 水
11、 孔， 产生 辐射 渗 透， 在四 排孔 带，图2-11软弱夹层现场瀋透变形试验布置图M-Mffl.： 7-*W： 8-Hl*W： 9-BE*: u-AM-15-r*lf： U-AMtt周打孔，挖坑观测；后者是打一 联合压水，使试验地段的中心地12-12疯呈与圧力关系曲綾i-riUiMi a-H-iUAJii4-MfWSfE产生近于平行流渗透，在下打孔、挖坑观测。后一种方法与坝基实际渗流状态接近，具体布 置如图2-11。现场试验也是逐级升压，逐级稳定，并经历试验与逐级减压两个阶段。一般在每级压力 下要稳定23h，所以试验历时较长。试验结束，绘制流量与压力关系曲线或1gI1gv关系 曲线，以曲线
12、转折点求出I。（图2-12）（5）确定允许水力坡降。临界水力坡降除以安全系数即为允许水力坡降。安全系数在 1.53. 0之间选取，这要考虑到工程的等级、水文工程地质条件，试验成果的代表性和精 度等因素。把允许水力坡降与实际水力坡降相比较，如果实际水力坡降小于允许水力坡降则 是安全的，否则是危险的。当预测到有发生渗透变形危险时，为保证坝基稳定，应采取加长 渗流途径和排水减压措施，以降低水力坡降，以及在渗流出口处设置反滤层等措施。2.6渗透变形的防治措施控制坝基及地基的渗流，其主要任务可归结为三点：一是尽量减少渗漏量；二是提早释 放渗透压力，保证地基与水工建筑物有足够的静力稳定性；三是防止渗透破坏
13、，保证渗透稳 定性。因此，渗透变形的防治措施可分为渗流水动力条件改变、渗流出口保护和土石性质改 善等三个方面。1）建筑物深挖基坑及地下巷道施工时流砂破坏的防治这种防治措施主要采用人工降低地下水位的方法，使地下水位或水头低于基坑底板。其 目的是在防治流砂的同时，又防止了地下水涌入基坑。也可采用板桩防护墙施工。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井。目 前工程中也可采用冻结法或电动硅化法改善砂土性质，使施工顺利进行。2）抽水井防止管涌的措施通过在过滤管与井壁间充填反滤料，以保护渗流出口。反滤料的粒径选择必须考虑到被 保护的含水层中潜蚀颗粒的大小，以细颗粒不能穿过反
14、滤料孔隙为原则。3）土石坝坝基渗流控制措施坝基有岩基和非岩基两大类，非岩基也称为松散地基。对松散地基的渗流通常采用垂直 和水平两种控制手段，具体措施有：设置截水槽；浇筑混凝土防渗墙或灌浆帷幕；铺 筑上游水平防渗铺盖。土石坝基的渗流控制主要是防渗和保证渗透稳定，如我国黄河小浪底工程高154m的土石坝及三峡工程二期围堰堰体等均采用防渗墙和防渗帷幕灌浆结合防止坝 基渗流。(1) 防渗帷幕模及其防渗要求综合考虑,在大坝靠上游面的地基中，平行坝铀线打一排或几排钻孔，在高压下将水泥等浆 液压入基岩的裂隙或断层破碎带中，待凝固后就形成一道隔水的屏幕，称为防渗帷幕。帷幕 的深度、厚度、灌浆孔距、排距、灌浆压等
15、参数，应根据水文地质工程地质条件、建筑物规 最好由现场灌浆试验确定。防渗 帷幕的防渗标 准，按规范规 定，不同坝高在 防渗帷幕体内 要求岩体的单 位吸水量为：高 坝3a 14基岩现基排水卷示竜圈+9URFI甘诗；珂湖I：成了质量较高的防渗0 01L/(min m m);中坝3 =0.01 0.03L/(min m. m);低坝3 0.03005L/(min m m)。一般帷幕应深人到相对不透水层岩 体内35m，成为接地式帷幕。当不透水层很深时，也可作悬挂 式帷幕。帷幕深度可在0.30.7倍坝咼范围内选取，帷幕的厚 度应根据地质条件、帷幕的允许水力坡降、幕体的密实程度和 防渗标准、稳定性而定。一般高坝设两排帷幕，中低坝设一排 帷幕。一排帷幕的厚度约:为0.70.8孔距。孔距一般为1.5 4.0m，排距略小于孔距。帷幕应向两岸延伸至设计水位与不透 水层相交处为止；或延伸至设计水位与蓄水前天然地下水位相 交处为止，以防止绕坝渗漏。灌浆压力可在l3倍水头范围内 选取。乌江渡拱形重力坝坝高165m，建于岩溶地区，帷幕灌浆 压力达6080xl0Fa，灌浆后3降低到0.00lL
