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1、渗透变形工程地质研究渗透变形工程地质研究课程名称：工程地质学课程名称：工程地质学v 概述概述v 渗透变形产生的条件渗透变形产生的条件v 渗透变形的预测渗透变形的预测v 渗透变形的防治渗透变形的防治提提 要要第一节第一节 概概 述述 一、概念一、概念 渗透压力渗透压力: :渗透水流作用于岩土上的力，也称渗透力。渗透水流作用于岩土上的力，也称渗透力。 渗透变形：渗透变形：岩土体在地下水渗透力（动水压力）的作岩土体在地下水渗透力（动水压力）的作用下，部分颗粒或整体发生移动，引起岩土体的变形用下，部分颗粒或整体发生移动，引起岩土体的变形和破坏的作用和现象。表现为鼓胀、浮动、断裂、泉和破坏的作用和现象。
2、表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等。眼、沙浮、土体翻动等。 二、研究意义二、研究意义边坡工程渗透变形边坡工程渗透变形基坑工程渗透变形基坑工程渗透变形水库工程渗透变形水库工程渗透变形v1975年年8月，月，特大暴雨特大暴雨引发的淮河上游大洪水，使引发的淮河上游大洪水，使河南省驻马店河南省驻马店地区包括两座大型水库在内的数十座地区包括两座大型水库在内的数十座水库漫顶垮坝，水库漫顶垮坝，1100万亩农田受到毁灭性的灾害，万亩农田受到毁灭性的灾害，1100万人受灾，超过万人受灾，超过2.6万人死亡，纵贯万人死亡，纵贯中国中国南北南北的京广线被冲毁的京广线被冲毁102公里，中断行车公里，中断
3、行车18天，影响运天，影响运输输48天，经济损失近百亿元。天，经济损失近百亿元。vv驻马店地区的水库建设蜂拥而上：19571969年代，新建水库200多座，由于片面重视蓄水，忽视防洪，导致隐患四伏。vv板桥水库和石漫滩水库兴建于1950年代。 溃坝事故 工程渗透变形工程渗透变形堤堤 岸岸 19981998年长江洪水险情以渗流险情最为普遍，沿长江年长江洪水险情以渗流险情最为普遍，沿长江60006000余处余处险情中就有险情中就有400400余处属渗流险情。其中管涌被视为险中之险。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；往一般来说，长江中下游平原冲
4、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。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。情况下），
5、从而发生管涌。 20032003年年7 7月月1 1日凌晨日凌晨4 4时，正在施工中的上海轨道交通时，正在施工中的上海轨道交通4 4号号线（浦东南路至南浦大桥）区间隧道浦西联络通道发生渗水，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。上午随后大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。上午9 9时左右，地面时左右，地面建筑物中山南路建筑物中山南路847847号一幢八层楼房发生倾斜，其裙房部分倒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。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
6、1.1.管涌管涌：在渗流作用下，细颗粒沿土体骨架中的孔道发生在渗流作用下，细颗粒沿土体骨架中的孔道发生移动带走的现象，又称潜蚀。移动带走的现象，又称潜蚀。多发生在不均匀的卵砾类土和砂类土中。多发生在不均匀的卵砾类土和砂类土中。根据渗透方向与重力方向的关系：根据渗透方向与重力方向的关系： 垂直管涌垂直管涌 水平管涌水平管涌2.2.流土：流土：在渗透作用下，土体中的颗粒群或团块同在渗透作用下，土体中的颗粒群或团块同时发生移动的现象。时发生移动的现象。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。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
7、力及临界水力梯度临界水力梯度流入：流入：p pA A= h= h1 1 w wg g d dw w 流出流出：p pB B= h= h2 2 w wg g d dw w 渗透压力：渗透压力：dPdP= =p pA A-p-pB B= =dwdw w w dh gdh g土体水下重量土体水下重量 dQdQ= =dW-dFdW-dF =( =( satsat- - ) gdl ) gdl d dw w = = gdl gdl d dw w动水压力（动水压力（D D）：）：单位体积土层所受的渗透压力单位体积土层所受的渗透压力浮容重浮容重当当dPdP= =dQdQ时，单元体处于临界悬浮状态，即将时，单
8、元体处于临界悬浮状态，即将发生流土。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I Icrcr 土的抗渗强度。土的抗渗强度。则有：则有： d dw w dh dh g= g= gdl gdl d dw w dh/dl= dh/dl= / / I Icrcr=dh/dl= =dh/dl= / / I Icrcr= = =( =( 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， I Icrcr 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。 但太沙基公式但太沙基公式 未考虑土体本身的抗剪强
9、度，所以实未考虑土体本身的抗剪强度，所以实测的各种土的临界梯度往往较上述公式计算结果偏大。测的各种土的临界梯度往往较上述公式计算结果偏大。所以有必要进行修正。所以有必要进行修正。 管涌的管涌的I Icrcr的求取较为复杂的求取较为复杂，一般通过图表法或，一般通过图表法或试验测定。试验测定。二、土体性质与渗透变形类型二、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。土的级配等。1.1.粗细颗粒直径比例粗细颗粒直径比例细粒从空隙中流动最优比例：细粒从空隙中流动最优比例：d d0 0/d 8/d 8天然无粘性土
10、天然无粘性土 n=0.395 D/ dn=0.395 D/ d0 0 =2.5 =2.5因此因此 D/d = 20 D/d = 20 有利于管涌有利于管涌d0 ：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 土体的排列方式决定着土体的排列方式决定着D / dD / d0 0 的值：的值： 当排列疏松时，当排列疏松时， D / dD / d0 0 减小，减小， D/d D/d 减小，有利于渗透变形减小，有利于渗透变形 当排列密实时，当排列密实时， D / dD / d0 0 增大，增大， D/d D/d 增大，不利于渗透变形增大，不利于渗透变形 2.2.细颗粒的含量细颗粒的含
11、量用细颗粒含量用细颗粒含量 来判别双峰型砾土来判别双峰型砾土的渗透变形型式：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及细颗粒的组成流土或管涌，取决于砾土的密实度及细颗粒的组成 中等以上密实度、不均匀系数较小的细粒土，发生流土。中等以上密实度、不均匀系数较小的细粒土，发生流土。 细颗粒成分中粘粒含量增加，可增大土的凝聚力，土的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。抗渗强度增加，不易发生渗透变形。 3.3.3.3.土的级配特征：土的级配特征：土的级配特征：土的级配特征： 不均匀系数不均匀系数不均匀
12、系数不均匀系数Cu=dCu=dCu=dCu=d60606060/d/d/d/d10101010Cu20 管涌管涌Cu1020 流土或管涌流土或管涌三、地层组合关系三、地层组合关系单一型：单一型：多位于河流的上游，一般为砂卵（砾）多位于河流的上游，一般为砂卵（砾） 石层，一般发生管涌，随着细粒成分的石层，一般发生管涌，随着细粒成分的 增多，可能流土。增多，可能流土。双层型：双层型：主要考虑表层粘性土的性质、厚度、完主要考虑表层粘性土的性质、厚度、完 整程度。整程度。多层型：多层型：除考虑表层粘性土层外，还考虑砂层透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镜体或粘性土
13、层透镜体或相变等造成水 力梯度力梯度 的突变等原因。的突变等原因。四、四、 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、出口条件等。五、五、 工程因素工程因素 施工等破坏了表层具有防渗作用的弱透水层。第三节第三节 渗透变形的预测渗透变形的预测一、预测步骤一、预测步骤1.1.根据土体类型和性质，判定是否容易发生渗透变形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；及变形的类型；2.2.确定土体中各点的实际水力梯度；确定土体中各点的实际水力梯度；3.3.确定相对于该土体的临界水力梯度和允许水力梯度；确定相对于该土体的临界水力梯度和允许水力梯度；4.4.判定渗透变
14、形的可能性及其范围。判定渗透变形的可能性及其范围。第三节第三节 渗透变形的预测渗透变形的预测二、渗透变形类型的确定二、渗透变形类型的确定 1.1.粗细颗粒比例粗细颗粒比例 2.2.细粒物质含量细粒物质含量 3.3.土的级配土的级配累计曲线：累计曲线：为瀑布式为瀑布式 管涌管涌为直线式为直线式 不产生管涌，在高梯度下产生流土不产生管涌，在高梯度下产生流土为阶梯式为阶梯式 多为多为管涌管涌，有时为，有时为流土流土分布曲线：分布曲线：呈陡峭单峰砂土呈陡峭单峰砂土 一般不产生管涌，在高梯度下产生流土一般不产生管涌，在高梯度下产生流土双峰或多峰且缺乏中间粒径者双峰或多峰且缺乏中间粒径者 危险性危险性管涌
15、土管涌土 三、实际水力梯度的确定三、实际水力梯度的确定 常用方法有：常用方法有：v 水力学方法：计算及图解水力学方法：计算及图解v 数值计算法数值计算法理论计算法：理论计算法：坝后渗流溢出段的坝后渗流溢出段的平均水力梯度平均水力梯度（逸出梯度）：（逸出梯度）：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图表法：图表法：试验法：试验法：允许水力梯度允许水力梯度： mm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： 砂土：砂土：m m1.51.53.0 3.0 粘性土：粘性土：m m2.52.54.0m4.0m五、渗透变形可能性判定五、渗透变形可能性判定I I
16、实实 I I允允 发生渗透变形发生渗透变形I I实实 I I允允 不发生渗透变形不发生渗透变形示例分析示例分析示例分析示例分析vv 某土坝地基土的比重某土坝地基土的比重某土坝地基土的比重某土坝地基土的比重G Gs s= = = =2.682.68，孔隙比孔隙比孔隙比孔隙比e e= = = =0.820.82，下游渗下游渗下游渗下游渗流出口处经计算水力坡降流出口处经计算水力坡降流出口处经计算水力坡降流出口处经计算水力坡降I I实实为为为为0.20.2，若取，若取，若取，若取m m m m为为为为2.52.5，试问该土，试问该土，试问该土，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏坝地基出口处土体
17、是否会发生流土破坏坝地基出口处土体是否会发生流土破坏坝地基出口处土体是否会发生流土破坏 解答如下：解答如下：临界水力坡降临界水力坡降 由于实际水力坡降由于实际水力坡降I I实实0.2i，故土坝地基出口处土故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏体不会发生流土破坏 允许水力坡降允许水力坡降 I I允允允允第四节第四节 渗透变形的防治渗透变形的防治一、防治原则一、防治原则1. 1. 改变渗流的水动力条件，减少动水压改变渗流的水动力条件，减少动水压 力即降低水力梯度。力即降低水力梯度。2. 2. 改变土体结构，提高抗渗能力。改变土体结构，提高抗渗能力。二、防治措施二、防治措施（一）垂直截渗（一）垂直截渗
18、（二）水平（二）水平铺盖铺盖（三）（三）排水减压排水减压（四）反滤盖重（四）反滤盖重（一）（一） 垂直截渗垂直截渗心墙坝心墙坝斜墙坝斜墙坝粘土截水槽示意图粘土截水槽示意图（二）水平铺盖（二）水平铺盖（三）（三）排排水减压水减压 在坝后的坝脚在坝后的坝脚附近设置排水沟和减附近设置排水沟和减压井，它们的作用是压井，它们的作用是吸收渗流和减小溢出吸收渗流和减小溢出段的实际水力梯度。段的实际水力梯度。 减压井减压井网状排水网状排水褥垫排水褥垫排水贴坡排水贴坡排水棱体排水棱体排水（四）（四）背水侧压渗盖重背水侧压渗盖重 当没有必要采用封闭式垂直防渗幕墙或其造当没有必要采用封闭式垂直防渗幕墙或其造价太高时
19、，可以采用背水侧压渗盖重的方法，来防止价太高时，可以采用背水侧压渗盖重的方法，来防止堤基渗流对表土层的渗透破坏。如果所需盖竽太长，堤基渗流对表土层的渗透破坏。如果所需盖竽太长，应考虑与减压沟井联合使用的方法。其他的背水侧渗应考虑与减压沟井联合使用的方法。其他的背水侧渗流控制措施，对堤身高度较大的情况，可以设置两层流控制措施，对堤身高度较大的情况，可以设置两层压渗盖重平台。这种方法在堤防工程中广为应用，效压渗盖重平台。这种方法在堤防工程中广为应用，效果明显。果明显。 压渗盖重的形式很多，可以由不透水的变换压渗盖重的形式很多，可以由不透水的变换到完全自由排水的。其形式的选择，取决于材料的料到完全自由排水的。其形式的选择，取决于材料的料源及每种形式的费用大小。源及每种形式的费用大小。反滤盖重反滤盖重 反滤层是保护渗流出口的有效措施，它既可反滤层是保护渗流出口的有效措施，它既可以保证排水通畅，降低溢出梯度，又起到盖重的以保证排水通畅，降低溢出梯度，又起到盖重的作用。作用。 典型反滤层结构图典型反滤层结构图思考题思考题vv1 1、渗透变形的产生条件？、渗透变形的产生条件？vv2 2、渗透变形的破坏模式？、渗透变形的破坏模式？vv3 3、渗透变形如何防治？、渗透变形如何防治？
