工程地质学：第六章 渗透变形工程地质研究

《工程地质学：第六章 渗透变形工程地质研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程地质学：第六章 渗透变形工程地质研究（90页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 第六章第六章 渗透变形工程地质研究渗透变形工程地质研究v 概概 述述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 渗透渗透: :在岩土体空隙中运动的地下水。在岩土体空隙中运动的地下水。 渗透力渗透力：地下水在渗流过程中对岩土体作用的力地下水在渗流过程中对岩土体作用的力，称渗透力称渗透力称渗透力称渗透力(seepage force)(seepage force)(seepage force)(seepage force)或动水压力或动水压力或动水压力或动水压力(hydrodynami

2、c force)(hydrodynamic force)(hydrodynamic force)(hydrodynamic force)。 渗透变形渗透变形：岩土体在地下水渗透力（动水压力）的作用下，：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，引起岩土体的变形和破坏的作用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。和现象。(seepage deformation)(seepage deformation)或渗透破坏或渗透破坏(seepage (seepage failure)failure)。 表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等。表现为鼓胀、

3、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等。 由此产生的工程地质问题，就是由此产生的工程地质问题，就是渗透稳定性渗透稳定性问题。问题。 vv河流阶地上的河流阶地上的河流阶地上的河流阶地上的“碟形洼地碟形洼地碟形洼地碟形洼地”和覆盖岩溶区的和覆盖岩溶区的和覆盖岩溶区的和覆盖岩溶区的“土土土土洞洞洞洞”等现象均属之。等现象均属之。等现象均属之。等现象均属之。vv由于人类工程由于人类工程由于人类工程由于人类工程- - - -经济活动使渗流加强，从而产生的经济活动使渗流加强，从而产生的经济活动使渗流加强，从而产生的经济活动使渗流加强，从而产生的渗透变形问题较多渗透变形问题较多渗透变形问题较多渗透变形问题较多v

4、v如基坑开挖时的流砂现象如基坑开挖时的流砂现象如基坑开挖时的流砂现象如基坑开挖时的流砂现象vv因矿山排水或汲取地下水在覆盖岩溶区产生的地因矿山排水或汲取地下水在覆盖岩溶区产生的地因矿山排水或汲取地下水在覆盖岩溶区产生的地因矿山排水或汲取地下水在覆盖岩溶区产生的地面塌陷面塌陷面塌陷面塌陷vv土石坝坝基的渗透稳定性问题等。土石坝坝基的渗透稳定性问题等。土石坝坝基的渗透稳定性问题等。土石坝坝基的渗透稳定性问题等。vv这种现象不但在松散土体中发生，而且在基岩的这种现象不但在松散土体中发生，而且在基岩的这种现象不但在松散土体中发生，而且在基岩的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

5、中也可能发生。断裂破碎带和风化壳中也可能发生。断裂破碎带和风化壳中也可能发生。断裂破碎带和风化壳中也可能发生。溃砂突溃砂突溃砂突溃砂突泥泥泥泥 二、研究意义二、研究意义vv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，因而渗透稳定性问题是土石坝的主要工程地质问题之一。vv据美国的有关统计资料，在破坏的土石坝中，有40是坝基或坝体渗透变形造成的。vv我国水利水电科学研究院于l974年调查了33座坝身有缺陷的土石坝，其中属渗透变形的约占60。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8.5m；坝基为由亚砂

6、土和粉砂土等组合的多薄层结构(图)。溃决段上游未作防渗措施，坝下游排水沟也无反滤层保护。1979年2月中旬蓄水位达l038.77m，副坝下游排水沟渗水增加，河坡流泥。4月上旬蓄水位1039.25m，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辆。5月25日早晨，排水沟底部边坡集中渗出成股浑水，出水口直径有l015cm左右，当天晚上蓄水位1039.18m(水深4.18m)时坝体溃决，决口底宽l05m。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；施工时库内取土，破坏了表土

7、层(亚砂土)，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。由于排水沟又无反滤层保护，破坏了渗流出口，粉质亚砂土在渗透力作用下被水流携出，并不断向上游发展，最终沿该层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。 堤堤 岸岸 1998年长江洪水险情以渗流险情最为普遍，沿长江6000余处险情中就有400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。 在汛期高水位时由于渗水流经强透水层压力损失很小，堤内数百米范围内粘土层下面仍承受很大的水

8、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情况下），从而发生管涌。vv渗透变形也给地下巷道掘进和矿山作业带来很大渗透变形也给地下巷道掘进和矿山作业带来很大渗透变形也给地下巷道掘进和矿山作业带来很大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。危害，同时影响到地面建筑物的安全。危害，同时影响到地面建筑物的安全。危害，同时影响到地面建筑物的安全。vv1974197419741974年苏联列宁格勒市兴建地下铁道时，在地下年苏联列宁格勒市兴建地下铁道时，在地下年苏联列宁格勒市兴建地下铁道时，在地下年苏联列宁格勒市兴建地下铁道时，在

9、地下80m80m80m80m深处于冻结的流砂层掘进巷道，但由于某一地深处于冻结的流砂层掘进巷道，但由于某一地深处于冻结的流砂层掘进巷道，但由于某一地深处于冻结的流砂层掘进巷道，但由于某一地段上的流砂未完全冻结而造成破裂，数千方流砂段上的流砂未完全冻结而造成破裂，数千方流砂段上的流砂未完全冻结而造成破裂，数千方流砂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，同时在地面形成了塌快速涌进已掘进好的巷道，同时在地面形成了塌快速涌进已掘进好的巷道，同时在地面形成了塌快速涌进已掘进好的巷道，同时在地面形成了塌陷漏斗。陷漏斗。陷漏斗。陷漏斗。vv我国淮南煤矿一竖井，位于淮河泛滥淤积的粉

10、、我国淮南煤矿一竖井，位于淮河泛滥淤积的粉、我国淮南煤矿一竖井，位于淮河泛滥淤积的粉、我国淮南煤矿一竖井，位于淮河泛滥淤积的粉、细砂土中，细砂土中，细砂土中，细砂土中，1960196019601960年代施工时亦遇流砂涌入，引起年代施工时亦遇流砂涌入，引起年代施工时亦遇流砂涌入，引起年代施工时亦遇流砂涌入，引起四周地面下陷达四周地面下陷达四周地面下陷达四周地面下陷达l.4ml.4ml.4ml.4m，井筒四周的板桩沉陷变形。，井筒四周的板桩沉陷变形。，井筒四周的板桩沉陷变形。，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。后来采用电动硅化法改良土质，才得以继续掘进。后来采用

11、电动硅化法改良土质，才得以继续掘进。后来采用电动硅化法改良土质，才得以继续掘进。 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

12、有人员提前撤出，无人员伤亡。 vv可见，渗透变形是一种可以影响建筑物和人民生命财产安可见，渗透变形是一种可以影响建筑物和人民生命财产安可见，渗透变形是一种可以影响建筑物和人民生命财产安可见，渗透变形是一种可以影响建筑物和人民生命财产安全的工程动力地质作用，因而它也是工程地质学研究的课题全的工程动力地质作用，因而它也是工程地质学研究的课题全的工程动力地质作用，因而它也是工程地质学研究的课题全的工程动力地质作用，因而它也是工程地质学研究的课题之一。之一。之一。之一。 三、渗透变形的类型三、渗透变形的类型1.1.管涌管涌：在渗流作用下，细在渗流作用下，细颗粒沿土体骨架中的孔道发颗粒沿土体骨架中的孔道

13、发生移动带走的现象，又称潜生移动带走的现象，又称潜蚀。蚀。(piping) 根据渗透方向与重力方向的根据渗透方向与重力方向的关系：关系： 垂直管涌垂直管涌 水平管涌水平管涌2.2.流土流土(quick soil quick sand) ：在渗透作用下，：在渗透作用下，土体中的颗粒群或团块同时发生移动的现土体中的颗粒群或团块同时发生移动的现象。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。vv3 3、接触冲刷、接触冲刷vv渗流沿着渗透系数相差悬殊的两种土层接渗流沿着渗透系数相差悬殊的两种土层接触面带走细颗粒的现象。触面带走细颗粒的现象。vv主要发生在漂石或卵石等巨粒土与砂类

14、土主要发生在漂石或卵石等巨粒土与砂类土和粉土接触处。和粉土接触处。vv4 4、接触流失、接触流失vv渗流垂直渗透系数相差悬殊的两种土层接触面运渗流垂直渗透系数相差悬殊的两种土层接触面运渗流垂直渗透系数相差悬殊的两种土层接触面运渗流垂直渗透系数相差悬殊的两种土层接触面运动时，将细粒土层的颗粒带到粗粒层中的现象。动时，将细粒土层的颗粒带到粗粒层中的现象。动时，将细粒土层的颗粒带到粗粒层中的现象。动时，将细粒土层的颗粒带到粗粒层中的现象。vv反滤层失效：反滤层失效：反滤层失效：反滤层失效：vv抽水井流量减小抽水井流量减小抽水井流量减小抽水井流量减小vv坝后减压井和排水沟达不到减压的目的坝后减压井和排

15、水沟达不到减压的目的坝后减压井和排水沟达不到减压的目的坝后减压井和排水沟达不到减压的目的渗透变形产生的必要条件渗透变形产生的必要条件 渗透水流有足够大的渗透水流有足够大的动水压力动水压力和土体具和土体具有一定的有一定的结构特性结构特性。 第二节第二节 渗透变形产生的条件渗透变形产生的条件渗透变形产生的充分条件渗透变形产生的充分条件 宏观地质因素（地层组合关系和地形地貌条件）和工程因素。一、渗流的动水压力及一、渗流的动水压力及临界水力梯度临界水力梯度流入：pA= h1 wg dw 流出：pB= h2 wg dw 渗透压力：dP=pA-pB=dww dh g水下重量水下重量dQdQ= =dW-dF

16、dW-dF=(=( satsat- - ) gdl ) gdl d dw w = = gdl gdl d dw w动水压力（D）：单位体积土层所受的渗透压力 浮密度浮密度当当dpdp= =dQdQ时，单元体处于临界悬浮状态，即将时，单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IcrIcr (criticalhydraulicgradient)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= / / Icr Icr=dh/dl= =dh/dl

17、= / / IcrIcr= = =( =( 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， Icr Icr 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。管涌的管涌的IcrIcr的求取较为复杂的求取较为复杂，通过通过试验测定试验测定。一般土体的s2.65gcm3，n=0.30.5，因而Icr均在0.81.22之间。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

18、：d d0 0/d=8/d=8天然无粘性土天然无粘性土 n=0.395 D/dn=0.395 D/d0 0=2.5=2.5D/d=20 D/d=20 有利于管涌有利于管涌d0：孔隙直径d：细颗粒直径D：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 增大增大，有利于渗透变形，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 减小减小，不利于渗透变形，不利于渗透变形立方体排列 四面体排列土粒的两种排列方式2.2

19、.细颗粒的含量细颗粒的含量用细颗粒含量用细颗粒含量 来判别双峰型砾土的渗透变形型式：来判别双峰型砾土的渗透变形型式： 35% 35% 流土流土 25% 25% 管涌管涌 =25%-35% =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。允许梯度与粘粒含量关系曲线 云南某水库的试验

20、资料说明，新近纪砂土粘粒含量4时，其含量变化对允许梯度的影响不明显，超过4之后允许梯度急剧增大，达6时I允=1。 3.3.3.3.土的级配特征：不均匀系数土的级配特征：不均匀系数土的级配特征：不均匀系数土的级配特征：不均匀系数Cu=dCu=dCu=dCu=d60606060/d/d/d/d10101010Cu10 Cu20 Cu20 管涌管涌CuCu10-20 10-20 流土或管涌流土或管涌图713颗粒分析曲线形式与渗透变形类型1潜蚀；2流土；3潜蚀或流土临界水力坡度与土不均匀系数曲线 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

21、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层透镜体或相变等造成水力梯度的突变等原因力梯度的突变等原因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。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。 四、地形地貌条件四、地形地貌条件 沟谷切割等改变了渗流的补给、渗流的长度、出口条件等古河道分布控制了

22、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。 五、工程因素五、工程因素包括大坝和汲水井的渗流出口条件、库水位的急剧消落、施工破坏坝前表面弱透水层、建筑物底面轮廓等。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及变形的类型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 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

23、界水力梯度和允许水力梯度 4.4.判定渗透变形的可能性及其范围判定渗透变形的可能性及其范围二、渗透变形类型的确定二、渗透变形类型的确定 1、首先应分析坝基地层结构与地形地貌条件首先应分析坝基地层结构与地形地貌条件 2 2、初步判断可能产生渗透变形的地段、初步判断可能产生渗透变形的地段 3 3、根据颗粒分析资料绘制的累计曲线和分布曲线、根据颗粒分析资料绘制的累计曲线和分布曲线 4 4、计算出不均匀系数和细颗粒的百分含量、计算出不均匀系数和细颗粒的百分含量 5 5、判断渗透变形的类型、判断渗透变形的类型 粗细颗粒比例；细粒物质含量；土的级配粗细颗粒比例；细粒物质含量；土的级配颗粒分析曲线形式与渗透

24、变形类型1潜蚀；2流土；3潜蚀或流土-瀑布型，-直线型，-阶梯型双峰-管涌；单峰-流土 三、实际水力梯度的确定三、实际水力梯度的确定实际水力梯度实际水力梯度( (水力坡度、水力比降）是指渗流沿水力坡度、水力比降）是指渗流沿流线方向上单位渗径的水头损失。流线方向上单位渗径的水头损失。 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：计算及图解解析法解析法v模型模拟法模型模拟法电模拟法、渗流槽模型试验电模拟法、渗流槽模型试验v数值计算法数值计算法理论计算法：理论计算法：vv观测资料统计预测观测资料统计预测vv数值模拟法预测数值模拟法预测数值模拟法预测数值模拟法预测四、临界水力梯度与允许

25、水力梯度的确定四、临界水力梯度与允许水力梯度的确定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 m1.5-3.0 1.5-3.0 粘性土：粘性土：m m2.5-4.02.5-4.0公式计算法公式计算法IcrIcr= = =( =( s s-1)(1-n) -1)(1-n) 太沙基公式太沙基公式vv试验法试验法vv现场试验现场试验vv钻孔压水试验法钻孔压水试验法试验土层埋藏深试验土层埋藏深vv围堰法围堰法试验土层、地下水位埋藏浅，试验土层、地下水位埋藏浅，下伏相对隔水层埋藏较深下伏相对隔水层埋藏较深vv堤坝法堤坝法试验土层、地下水位埋深、

26、下试验土层、地下水位埋深、下伏相对隔水层埋藏均较浅伏相对隔水层埋藏均较浅vv室内试验室内试验管涌仪、渗流槽管涌仪、渗流槽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 室内渗透仪中渗透变形试验装置图1-试样；-碎石缓冲层；-进水管开关4-胶皮管；-观测水头玻璃管；-水源箱7-筛网；-渗透筒 室内木槽渗透变形试验 图表法图表法五、渗透变形可能性判定五、渗透变形可能性判定I I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

27、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1 1. .垂直截渗：防渗帷幕垂直截渗：防渗帷幕2.2.铺盖铺盖3.3.人工降低地下水位人工降低地下水位4.4.反滤盖重反滤盖重5.5.物理、化学方法改造物理、化学方法改造 冻结、电动硅化、灌浆（化学浆液）冻结、电动硅化、灌浆（化学浆液）一、建筑物基坑及地下巷道施工时流砂的防治措施一、建筑物基坑及地下巷道施工时流砂的防治措施 这种防治措施主要是采取这种防治措施主要是采取人工降低地下水位人工降低地下水位的办法，使之的办法，使之低于基坑底板以下低于基坑底板

28、以下( (下图下图) )，这种措施既可防治流砂，又防止了，这种措施既可防治流砂，又防止了地下水涌入基坑。也可采用地下水涌入基坑。也可采用板桩防护墙板桩防护墙施工施工( (图图7 721)21)。水平坑道、竖井开挖遇流砂时，前者可采用水平坑道、竖井开挖遇流砂时，前者可采用盾构法盾构法施工，施工，后者采用后者采用沉井式沉井式支护掘进支护掘进( (图图7 722)22)。也有采用。也有采用冻结法冻结法或电动或电动硅化法改善砂土性质，使施工顺利进行。硅化法改善砂土性质，使施工顺利进行。人工降低地下水位防止流砂示意图图721板桩防护墙施工流砂层中的基础(单位m)1亚粘土；2碎石；3流砂层夹粘土夹层；4流

29、砂层；5流砂层夹粘土夹层图722在流砂层中用沉井式支护掘进竖井abc沉井支护的相继施工阶段1切削座板；2沉井式支护竣；3竖井井口vv抽水并防止管涌的措施抽水并防止管涌的措施抽水并防止管涌的措施抽水并防止管涌的措施 vv这种措施是在过滤管与井这种措施是在过滤管与井这种措施是在过滤管与井这种措施是在过滤管与井壁间隙内充填反滤料，以保护壁间隙内充填反滤料，以保护壁间隙内充填反滤料，以保护壁间隙内充填反滤料，以保护渗流；反滤料的粒径选择必须渗流；反滤料的粒径选择必须渗流；反滤料的粒径选择必须渗流；反滤料的粒径选择必须要考虑到被保护的含水层中潜要考虑到被保护的含水层中潜要考虑到被保护的含水层中潜要考虑到

30、被保护的含水层中潜蚀颗粒的大小，使细颗粒不能蚀颗粒的大小，使细颗粒不能蚀颗粒的大小，使细颗粒不能蚀颗粒的大小，使细颗粒不能穿过反滤料孔隙为原则。若被穿过反滤料孔隙为原则。若被穿过反滤料孔隙为原则。若被穿过反滤料孔隙为原则。若被保护管涌土层为非主要含水层，保护管涌土层为非主要含水层，保护管涌土层为非主要含水层，保护管涌土层为非主要含水层，那么最好用止水措施，将其与那么最好用止水措施，将其与那么最好用止水措施，将其与那么最好用止水措施，将其与过滤管隔绝。过滤管隔绝。过滤管隔绝。过滤管隔绝。vv水工建筑物水工建筑物( (土石坝土石坝) )防治渗透变形的措施防治渗透变形的措施 vv这类建筑物因修筑于河

31、谷地段，河流这类建筑物因修筑于河谷地段，河流相堆积物以无粘性土为主。由于建坝后库相堆积物以无粘性土为主。由于建坝后库水位抬高，坝前、后附近水力梯度较大，水位抬高，坝前、后附近水力梯度较大，所以防治渗透变形的意义更大。主要的防所以防治渗透变形的意义更大。主要的防治措施有治措施有: :垂直截渗、水平铺盖、排水减压垂直截渗、水平铺盖、排水减压和反滤盖重和反滤盖重等。等。1.垂直截渗垂直截渗 常用的方法有粘土截水槽、灌浆帷幕和混凝土防渗墙等。图723截水槽示意图a心墙坝；b均质斜墙坝粘土截水槽常用于透水性很强、抗管涌能力差、隔水层埋藏较浅的砂卵石坝基。 灌浆帷幕灌浆帷幕适用于大多数松散土体坝基。砂卵石

32、坝基采用适用于大多数松散土体坝基。砂卵石坝基采用水泥和粘土的混合浆灌注，而中细砂层必须采用化学浆液水泥和粘土的混合浆灌注，而中细砂层必须采用化学浆液( (如如丙凝丙凝) )灌注。由于灌浆压力较大，故这种方法最好在冲积层较灌注。由于灌浆压力较大，故这种方法最好在冲积层较厚的情况下使用。厚的情况下使用。混凝土防渗墙混凝土防渗墙适用于砂卵石坝基，其常用的施工方法是适用于砂卵石坝基，其常用的施工方法是槽孔法。槽孔法。vv2. 2.水平铺盖水平铺盖水平铺盖水平铺盖vv当透水层很厚，垂直截渗措施难以奏效时，当透水层很厚，垂直截渗措施难以奏效时，当透水层很厚，垂直截渗措施难以奏效时，当透水层很厚，垂直截渗措

33、施难以奏效时，常采用此措施。其方法是在坝上游设置粘性土铺常采用此措施。其方法是在坝上游设置粘性土铺常采用此措施。其方法是在坝上游设置粘性土铺常采用此措施。其方法是在坝上游设置粘性土铺盖，其渗透系数比透水地基小盖，其渗透系数比透水地基小盖，其渗透系数比透水地基小盖，其渗透系数比透水地基小2 2 2 23 3 3 3个量级，并与个量级，并与个量级，并与个量级，并与坝体的防渗斜墙搭接坝体的防渗斜墙搭接坝体的防渗斜墙搭接坝体的防渗斜墙搭接( ( ( (图图图图7 7 7 724)24)24)24)。这种措施只是加。这种措施只是加。这种措施只是加。这种措施只是加长渗径而减小水力梯度，并不能完全截断渗流。

34、长渗径而减小水力梯度，并不能完全截断渗流。长渗径而减小水力梯度，并不能完全截断渗流。长渗径而减小水力梯度，并不能完全截断渗流。图724防渗铺盖示意图vv3. 3.排水减压排水减压排水减压排水减压vv常用的方法有排水沟和减压井，它们的作用常用的方法有排水沟和减压井，它们的作用常用的方法有排水沟和减压井，它们的作用常用的方法有排水沟和减压井，它们的作用是吸收渗径和减小逸出段的实际水力梯度。是吸收渗径和减小逸出段的实际水力梯度。是吸收渗径和减小逸出段的实际水力梯度。是吸收渗径和减小逸出段的实际水力梯度。vv排水减压措施应根据地层结构选择不同的形排水减压措施应根据地层结构选择不同的形排水减压措施应根据

35、地层结构选择不同的形排水减压措施应根据地层结构选择不同的形式。如果坝基为单一透水结构或透水层上覆粘性式。如果坝基为单一透水结构或透水层上覆粘性式。如果坝基为单一透水结构或透水层上覆粘性式。如果坝基为单一透水结构或透水层上覆粘性土较薄的双层结构，可以在下游坝脚附近开挖排土较薄的双层结构，可以在下游坝脚附近开挖排土较薄的双层结构，可以在下游坝脚附近开挖排土较薄的双层结构，可以在下游坝脚附近开挖排水沟，使之与透水层连通，以有效地降低浸润曲水沟，使之与透水层连通，以有效地降低浸润曲水沟，使之与透水层连通，以有效地降低浸润曲水沟，使之与透水层连通，以有效地降低浸润曲线和水头。如果双层结构的上层粘性土厚度

36、较大，线和水头。如果双层结构的上层粘性土厚度较大，线和水头。如果双层结构的上层粘性土厚度较大，线和水头。如果双层结构的上层粘性土厚度较大，则应采用排水沟和减压井相结合的方法。减压井则应采用排水沟和减压井相结合的方法。减压井则应采用排水沟和减压井相结合的方法。减压井则应采用排水沟和减压井相结合的方法。减压井的位置在不影响坝坡稳定性的条件下，应尽量靠的位置在不影响坝坡稳定性的条件下，应尽量靠的位置在不影响坝坡稳定性的条件下，应尽量靠的位置在不影响坝坡稳定性的条件下，应尽量靠近坝脚，并且要平行坝轴线方向布置。井距一般近坝脚，并且要平行坝轴线方向布置。井距一般近坝脚，并且要平行坝轴线方向布置。井距一般

37、近坝脚，并且要平行坝轴线方向布置。井距一般为为为为1515151530m30m30m30m，井径，井径，井径，井径200200200200300mm300mm300mm300mm。减压井剖面图vv4. 4.反滤盖重反滤盖重反滤盖重反滤盖重vv 在渗流逸出段分层铺设几层粒径不同的砂砾石层，层界面在渗流逸出段分层铺设几层粒径不同的砂砾石层，层界面在渗流逸出段分层铺设几层粒径不同的砂砾石层，层界面在渗流逸出段分层铺设几层粒径不同的砂砾石层，层界面应与渗流方向正交，粒径由细到粗，常设置三层，即为反滤层。应与渗流方向正交，粒径由细到粗，常设置三层，即为反滤层。应与渗流方向正交，粒径由细到粗，常设置三层，

38、即为反滤层。应与渗流方向正交，粒径由细到粗，常设置三层，即为反滤层。典型的反滤层结构如图典型的反滤层结构如图典型的反滤层结构如图典型的反滤层结构如图7 7 7 725252525所示。反滤层是保护渗流出口的所示。反滤层是保护渗流出口的所示。反滤层是保护渗流出口的所示。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，降低逸出水力梯度，又起有效措施，它既可以保证排水通畅，降低逸出水力梯度，又起有效措施，它既可以保证排水通畅，降低逸出水力梯度，又起有效措施，它既可以保证排水通畅，降低逸出水力梯度，又起到盖重的作用。专门的盖重措施，是把坝后用土或碎石填压，到盖重的作用。专门的盖重措施，是把坝后用

39、土或碎石填压，到盖重的作用。专门的盖重措施，是把坝后用土或碎石填压，到盖重的作用。专门的盖重措施，是把坝后用土或碎石填压，增加荷重，以防止被保护层浮动。增加荷重，以防止被保护层浮动。增加荷重，以防止被保护层浮动。增加荷重，以防止被保护层浮动。图725典型反滤层结构图a各分层间粒径关系；b排水孔反滤层结构反滤层的设计与施工反滤层的设计与施工在导渗沟、贴坡反滤、减压沟、减压井等的设计中均在导渗沟、贴坡反滤、减压沟、减压井等的设计中均有反滤层的设计问题，为此专门进行讨论。有反滤层的设计问题，为此专门进行讨论。 （一）反滤层的用途（一）反滤层的用途 反滤层是排水设备的主要组成部分，其作用是滤土排水，防

40、止渗流逸出处遭受渗透破坏以及渗流造成的表面水流冲刷。对有承压水的地层还起压重作用。 （二（二）对反滤层的要求对反滤层的要求 1.透水性应大于被保护土，并能将渗透水流通畅排出； 2.使被保护的土层不发生渗透变形； 3.不致被细颗粒淤塞失效；（三）（三） 反滤层的类型反滤层的类型划分反滤层类型的目的主要是为了合理地确定反滤层数，因此只分两种类型。 1. 型反滤：其特点是反滤层位于被保护土层的下部，渗流方向主要由上向下（图A）。如褥垫排水。 2. 型反滤：其特点是反滤层位于被保护土层的上部，渗流方向主要由下向上（图B）。如减压沟的反滤层。 渗流方向近乎水平或倾斜向，反滤层近乎垂直或倾斜向的情况，属于

41、过渡型，如减压井、贴坡反滤等，可归为型。图图A A 型反滤型反滤图图B B 型反滤型反滤（四）（四） 反滤层的设计内容反滤层的设计内容 反滤层的设计可分为保护无粘性土和保护反滤层的设计可分为保护无粘性土和保护粘性土两大类，设计内容有：粘性土两大类，设计内容有： 1 1. .确定反滤层的类型；确定反滤层的类型； 2 2. .根据滤土准则，确定反滤层的级配或根据滤土准则，确定反滤层的级配或选择土工织物产品。并据以选择宜于作反滤层选择土工织物产品。并据以选择宜于作反滤层的天然料场或确定人工筛选的任务。的天然料场或确定人工筛选的任务。 3.3.对砂砾反滤料确定反滤层的厚度和对砂砾反滤料确定反滤层的厚度

42、和层数；层数； 4.4.鉴定反滤料的透水性，对土工织物鉴定反滤料的透水性，对土工织物反滤层还应鉴定淤堵性；反滤层还应鉴定淤堵性； 5.5.有纵向渗流时，鉴定沿反滤层和被有纵向渗流时，鉴定沿反滤层和被保护土层接触面的冲刷稳定性。保护土层接触面的冲刷稳定性。 （五）（五） 砂砾料反滤层的设计与施工砂砾料反滤层的设计与施工 1.1.反滤料的选择反滤料的选择 对于被保护土的第一层反滤料，建议用下列方法确定； D15/d854D15/d8545 5 D15/d155 D15/d155 式中：D15为过筛重量占15时的反滤料粒径，d 85为过筛重量占85时的被保护土的颗粒直径；d 15为过筛重量占15时的

43、被保护土的颗粒粒径。 当选择第二、三层反滤料时，可同样按以上方法确定。但选择第二层反滤时第一层反滤为被保护土，选择第三层反滤时第二层反滤为被保护土。 2.2.反滤层厚度的确定反滤层厚度的确定 反滤层的厚度应根据反滤料的级配、料源、用途、施工方法等情况综合考虑确定。水平反滤层的最小厚度可采用30cm，垂直或倾斜反滤层的最小厚度可采用50cm。采用推土机平料时，最小水平宽度宜不小于3.0m。 3.3.施工要求施工要求 反滤料应具有要求的级配，且小于0.1毫米的颗粒含量不大于5，并有要求的透水性。质地应致密坚硬，具有高度的抗水性和抗风化能力，风化料一般不能用作反滤料，如必须应用时应进行充分论证。反滤

44、料宜尽量利用天然砂砾料筛选，在缺乏天然砂砾料时，也可以采用人工砂石料，但应选用抗水性和抗风化能力强的母岩轧制。 铺反滤层前应采用挖除法将基面整平，对个别低洼处采用与基面相同的土料或第一层反滤料进行填平。铺筑时应由底部向上逐层铺设，并保证层次清楚，互不混杂，不得从高出顺坡倾倒，以免发生填筑分离。对反滤层必须进行压实，在施工中应防止雨水冲泥等污染反滤料。堤身防治工程的设计与施工堤身防治工程的设计与施工堤身渗透破坏的除险加固措施主要有：堤身渗透破坏的除险加固措施主要有：临水坡临水坡斜墙斜墙防渗、堤身垂直防渗、贴坡防渗、堤身垂直防渗、贴坡排水排水、透水透水后戗（后戗（qiang)（压浸台）、水平排水等

45、，（压浸台）、水平排水等，对堤身缺陷可以采用回填或灌浆的办法进行对堤身缺陷可以采用回填或灌浆的办法进行处理。处理。（一）防渗斜墙（一）防渗斜墙 1.1.设计考虑设计考虑 对临水侧有铺盖或地基有垂直防渗的情况，斜墙应与其连成一体，构成完整的防渗体系，以提高防渗效果。 斜墙的尺寸应根据散浸的范围、出渗点的高度和渗水的严重程度经计算确定，长度至少超过渗水段两端各5m，高度应超过设防水位0.51.0m。 对粘土斜墙，垂直于堤坡方向的厚度为12m，坡度与原堤身相当或稍缓。为防止粘土斜墙干裂、冻裂和其它侵害的影响，应设壤土保护层，一般情况，保护层高于墙顶1.01.5m，垂直堤坡方向的厚度为0.8m。2.2

46、.从施工考虑从施工考虑 施工时应首先清除边坡和坡脚附近的杂草、树木等杂物，清除厚度1020cm，并适当整平。 斜墙应选用粘性较大的土料且不得含植物根茎等杂质，填筑压实度应不小于0.94，含水率与最优含水率的允许偏差为3。 当用土工膜作隔渗层建造斜墙时，土工膜幅间的拼接应采取焊接或粘接方式，确保施工质量，并注意施工中不要损坏土工膜。另外还需保证土工膜与堤身牢固接合，并采取防止生物破坏的措施。（二）堤身垂直防渗（二）堤身垂直防渗 垂直防渗的位置宜布置在临水堤脚或堤顶,尽量靠近临水侧，并与堤身防渗体连成一体。根据近几年的实践，比较经济合理有效的堤身垂直防渗技术有：锥探灌浆、劈裂灌浆、和垂直铺塑等。

47、1 1. .锥探灌浆锥探灌浆 在堤顶采用梅花形方式布孔并进行充填灌浆。实践证明，锥探灌浆是处理堤身隐患的一个比较有效的方法，但由于钻孔数量多往往造价较高。 2.2.劈裂灌浆劈裂灌浆 沿堤顶轴线单排布孔，利用灌浆压力将堤身沿其走向劈开并灌浆，从而在堤身内沿其走向形成一厚度10cm左右的防渗幕。同时还具有压密堤身和充填洞穴的作用，可获得事半功倍的效果。该方法已经在许多堤防和土坝中得到应用，效果明显。 3.3.垂直铺塑垂直铺塑 在堤顶沿大堤走向用开槽机在堤身内垂直成槽，然后铺设土工膜并用粘土浆回填，从而达到降低堤身渗流量和浸润线的目的。该方法已经在黄河大堤上采用并取得较好的效果。（三）贴坡排水（三）

48、贴坡排水 为避免渗水对堤坡的冲刷和渗流出口发生流土破坏，可以采用贴坡反滤进行处理。施工时应清除堤坡表面的草皮、杂物，清除深度1020cm，贴坡反滤的高度应高出最高的渗流出逸点0.51.0m，长度应超出散浸堤段两端至少3m。根据反滤材料不同，有以下两种方法可供选用： 1.1.砂砾料贴坡排水砂砾料贴坡排水: 砂砾料贴坡排水的各层厚度如图A所示。褥垫排水的设计、材料的选用、反滤层铺设施工等的有关细节，请参见反滤层的设计与施工。 2.2.土工织物贴坡排水（图土工织物贴坡排水（图B B）图图B B 土工织物反滤层贴坡排水示意图土工织物反滤层贴坡排水示意图 图图A A 砂砾料贴坡排水示意图砂砾料贴坡排水示

49、意图（四）透水后戗（四）透水后戗 亦称透水压浸平台。它既能防止散浸造成的渗透破坏，又能加大堤身断面从而达到稳定堤坡的目的。一般适用于散浸严重、堤身断面单薄、背水坡较陡、外滩狭窄的情况。 透水后戗应采用比堤身透水性大的材料填筑，高度应高出渗水的最高出逸点0.51.0m，顶宽24m，坡度1:31:5，长度应超出散浸堤段两端各5m。戗体材料渗透性大断面可小一些，相反则应大一些。当堤身较高时可采用两级或多级戗台。 施工时应清除堤坡上的草皮和杂物，清除深度1020cm。填筑戗体时应进行压实，相对密度不小于0.65。 透水后戗示意图透水后戗示意图（五）水平排水（五）水平排水 这种方法只有在堤坝加高增厚和增

50、设压渗台时才可能应用。水平排水不但可以降低堤身的浸润线，对透水堤基还可以有效降低堤基的出逸比降，但会使堤基的渗流量有所增加。采用水平排水可以减小压渗戗台的工程量，如图所示。水平排水的长度、厚度应根据渗流计算来确定。 堤基防治工程的设计与施工堤基防治工程的设计与施工 堤基除险加固的措施有：临水侧防渗铺盖、垂直防渗、背水侧压渗盖重、排水减压沟和减压井等。 （一）临水侧防渗铺盖（一）临水侧防渗铺盖 如果封闭式垂直防渗幕墙不尽合理，背水侧又无条件做压渗盖重，而临水侧有稳定的外滩时，可以采用临水侧防渗铺盖来减小背水侧堤基的出逸比降和地基渗流量，但其效果有一定限度。对近似均质透水堤基，临水侧铺盖的效果比较

51、明显，当表层地层的渗透系数小于深部地层较多时，临水侧铺盖的效果将降低。 1.1.设计考虑设计考虑 采用临水侧防渗铺盖时，一般应结合背水侧的渗流控制措施，如压渗盖重和减压沟或减压井，以达到有效控制堤基渗流、防止管涌破坏和经济合理的目的。 临水侧防渗铺盖的效果取决于其长度、厚度和垂直向的渗透系数，并与堤基土体的分层性及渗透性有关，设计时应通过计算确定，并应满足地基、铺盖以及铺盖与地基之间的渗透稳定要求。 当利用天然弱透水层作为防渗铺盖时，应查明天然弱透水层及下卧透水层的分布、厚度、级配、渗透系数和允许渗透比降等情况，在天然铺盖不足的部位应采用人工铺盖进行补强。 在缺乏防渗土料的地区可以用土工膜做防

52、渗材料，但土工膜的上部必须设置保护层。铺盖土料应具有一定的防渗性能，通常其渗透系数最好不大于1105cm/s，如果渗透系数过大，即使加长铺盖其防渗效果也不会有大的增加。铺盖应采用不等厚形式，远离堤脚处应薄一些，但不应小于0.51.0m，近堤脚处应厚一些，并应考虑与堤身防渗连成一体。 铺盖设计时，一般先根据净水头和堤基的允许水力比降初步确定所需的等效长度，然后通过经济比较选择铺盖的长度、厚度和铺盖的渗透系数，最后对铺盖本身的渗透稳定性进行校核。对粉质壤土修筑的铺盖，其允许水力比降为46。2.2.施工考虑施工考虑 当已经存在不透水的天然铺盖时，应对其进行仔细检查，看是否存在缺失区、树根孔洞、塌坑等

53、通向透水地基的渗流通道，如果有，应采用不透水材料进行充填或覆盖。外滩取土必须在铺盖长度范围以外，以保证铺盖的整体防渗功能。铺盖施工应采用分层铺筑的方法，依靠运输与摊铺机械的行使压实。铺盖与堤身防渗斜墙连接处宜选用相同的材料。（二）垂直防渗（二）垂直防渗 垂直防渗特别适用于地基透水层较薄、隔水层较浅的情况，此时可以做成封闭式防渗幕墙，堤基的渗流量和扬压力可以得到有效控制，从而可以达到根治堤基渗透破坏的目的（图A）。对双层或多层透水地基且透水层较深的情况，悬挂式垂直防渗幕墙的效果很差（图B），封闭式垂直防渗难度大且造价太高，不宜采用。对多层地基且存在浅层弱透水层的情况（图C），可以考虑半封闭式垂直

54、防渗，但必须在勘察资料充分并经渗流计算充分论证后方可采用。垂直防渗应布置在临水堤脚或堤顶靠临水侧。 图图A: A: 封闭式垂直防渗墙的渗流控制效果封闭式垂直防渗墙的渗流控制效果 单位：单位：m m 图图B: B: 悬挂式垂直防渗墙的渗流控制效果悬挂式垂直防渗墙的渗流控制效果 单位：单位：m m图C: 半封闭式垂直防渗墙的渗流控制效果 单位：m实线：有防渗墙时的浸润线和10%水头间隔的等势线虚线：无防渗墙时的浸润线和10%水头间隔的等势线（三）背水侧压渗盖重（三）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

55、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，效果明显。 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，取决于材料的料源及每种形式的费用大小。19981998长江大洪水管涌研究实例长江大洪水管涌研究实例: : 1998年长江洪水险情以渗流险情最为普遍，沿长江6000余处险情中就有400余处属渗流险情。其中管涌被视为险中之险。如果冒砂管涌洞口出现在堤内脚附近，外侧江水面有游涡迹象，自然以迅速在外侧堵漏为上策。但如果管涌险情离堤很远，就只有在管涌出口导滤压盖了。此时除压盖备

56、料应符合拦砂不阻水的原则外，还得设法判别管涌险情是否会继续发展影响大堤的安全。我们可以从两个方面来研究这个问题：一个是地层结构，一个是离开堤脚远近。长江堤基的土层结构基本上是上层为弱透水复盖层，下面是深厚的砂砾石强透水层，属二元双层地基。这是容易在薄弱环节发生管涌的原因。但若复盖层主体下部相对于上部浅层更为透水，即使表层土渗透坡降超过临界值发生浮动管涌现象，也不危险。同马大堤汇口堤段一个小镇，在堤脚的农田中普遍渗水冒泡形成沼泽地，而在其房后井水面却高出农田地面很多，估计是属于这种地层结构。若复盖土层夹薄沙层，通连江水，其表层土相对于下部又较不透水时，就容易被承压水顶穿形成管涌通道，比较危险。南

57、京江浦县林山圩江堤的堤基就类似此种土层结构，1998洪水在堤脚附近水塘边出现管涌洞，如不及时抢险，是很危险的。 管涌险情离开大堤多远就没有危险呢?我们可以用井的影响半径这个概念来估算，例如取库沙金公式，或席恰特公式来估算。此时地下水降深Se可考虑为承压水头，取值5米，渗流深度H可考虑为基砂含水层厚度，取为20米，基砂渗透系数k=10-2厘米/秒8.64米/日；代入，分别计算影响半径R=131米和147米。若基砂A值小或基砂层薄时，及更小。由此，一般远离堤脚150米左右发生管涌应不影响大堤安全。而且渗流趋向管涌洞口是三维问题，在洞口处周边的水力坡降急剧变陡，如图所示，扰动基砂范围，将不会很远。同时在逐步扩大洞口或冲出基砂的过程中，水力坡线就将变缓会自动使涌砂进程趋于平衡，不大容易延伸到很远的堤基。 复习思考题复习思考题vv1 1、渗透变形的定义及类型、渗透变形的定义及类型vv2 2、渗透变形产生的条件、渗透变形产生的条件vv3 3、简述渗透变形的预测步骤、简述渗透变形的预测步骤vv4 4、渗透变形的防治措施、渗透变形的防治措施