渗透变形的工程地质分析

第八章渗透变形的工程地质分析第九组全体同学讲授：徐佩华吉林大学建设工程学院凡有渗流就有渗流力或称水动压力。渗透压力达到一定值时，土中的某些颗粒就会被渗透水流携带和搬运，这种地下水的侵蚀作用称为潜蚀。潜蚀包括机械潜蚀和化学潜蚀。机械潜蚀作用：指渗流的机械冲刷力把细小的土颗粒携走，而较大的颗粒仍留在原处。化学潜蚀作用：指当土中含有可溶盐类的颗粒或胶结物时，水流溶蚀了它们，使土的结构变松，孔隙度增大，水流的渗透能力加强。机械潜蚀和化学潜蚀一般是同时进行的，且二者是相互影响、相互促进的。§13.1基本概念及研究意义精品课程潜蚀使得岩土中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渗透变形或渗透破坏。强烈的渗透变形会在渗流出口处侵蚀成孔洞，孔洞又会促使渗透途经已经缩短、水力梯度有所增大的渗流向它集中，而在孔洞末端集中的渗透水流就具有更大的侵蚀能力，所以孔洞就不断沿最大水力梯度线溯源发展，最终形成一条水流集中的管道，由管道中涌出的水携带较大量的土颗粒，即管涌（piping）。是由潜蚀强烈发展而出现的一种特有的不良地质作用，往往形成地质灾害。精品课程管涌破坏示意图（a）斜坡条件时（b）地基条件时1-管涌堆积颗粒；2-地下水位；3-管涌通道；4-渗流方向初始状态管涌向源发展状态潜蚀发展为管涌流网的变化即管道集水区的扩大孔洞促使渗透途经已经缩短、水力梯度有所增大的渗流向它集中。精品课程渗透水流通过一系列特有的作用过程，使土体中某些颗粒松动、脱离、被水携带和搬运，导致土中形成孔洞通道及孔洞通道的不断向源延伸和扩大。这些作用包括：（1）淋蚀或渗流侵蚀当土层中细小颗粒小于与之呈互层状产出的砂、砾层中的孔隙，则细小颗粒可被渗透水流所携带，并穿过这些孔隙通道而被搬运走。土中的细微裂缝、虫孔、兽穴、根孔等大孔洞也可成为地下水流搬运细小颗粒的通道。这种渗透水流的选择性侵蚀，可能是土中管道开始形成的主导方式。渗透变形的类型与特点精品课程（2）渗流面蚀饱水敏感土于斜坡面出露，集中渗流可携带其出口处的土粒顺流而下将之搬运走，于是出口处首先形成一凹入龛并累进性切入坡内，逐步发展为一个地下管道。使渗流流线聚敛的因素有地形、岩性或细微裂隙等。（3）孔道冲刷土或易蚀基岩中的孔洞或管道开始形成之后，通过这类孔道流动的集中水流即可冲刷孔道壁、冲走可由壁上脱落下来的颗粒而使孔道不断扩大。管涌可以多种方式出现，如流面管涌，土裂隙管涌、虫穴管涌等。在自然条件下，潜蚀和管涌可以在干旱区黄土中形成地下洞穴，也可在红层中形成洞穴。洞穴末端陷落即形成落水洞，而当大部分顶拱塌落即形成残留有“天生桥”的深冲沟等。这些地貌形态组合类似于喀斯特，故一般称为假喀斯特。精品课程渗透变形一般发生在无粘性土和粉土中。渗透危害:1、基坑开挖出现流砂的现象2、水坝坝基管涌精品课程由于工程活动所引起的潜蚀和管涌更为常见。如开挖深基坑或采矿竖井穿过饱水粉细砂层，在基坑或竖井中大量排除地下水，造成坑(井)内与边壁之间的大水头差，地下水层便会携带大量砂土由边壁涌入坑(井)之中，这就是工程中通称的流砂(qllicksand)。精品课程管涌更多的与修建堤坝相联系管涌在坝基中影响很大精品课程斜墙砂壳坝，坝基表面为厚约1.0m的淤泥质亚粘土，其下为渗透性强的砂砾石层，厚10～15m.出险段坝高仅18m，上游未做铺盖，下游亚粘土层既未挖除也未加反滤压重，当坝前水深升高到7.5m时，下游坝脚处20m范围内即广泛出现孔径3～5mm的小泉，两个月后坝前水深增到11m，泉数减小但有些泉孔径变大，最大者直径达10cm，流出的水中也开始有灰黄色淤泥。次日水深达12.3m，坝外3～6m范围内多处向外涌水，涌水口孔径大者达15cm，且翻水冒泥，流量也不断增大。此后不得不降低库水位，但涌水孔径仍继续扩大，冒水高度增高，表明上下游之间已经形成连通的集中渗流管道，即潜蚀已发展成管涌。只好采取“围井” 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，即在涌水孔周围围以土堤，但随围井升高涌水也升高。两天后库水位虽已降至11.2m，围井却已高达8.3m，流量达1m3/s而无法制止，只好由潜水员在上游找出进水口并以砂带堵塞，这样下游涌水才基本停止。渗透水流由坝基带出泥砂总计达2000m3，经开挖检查，上下游均挖出渗流通道。土石坝有一定渗流是不可避免的，但必须控制渗透变形以保证坝的稳定性。精品课程渗透变形也可以分为以下几种类型：潜蚀：即土体中一部分小颗粒被渗透水流携出，较普遍发生在不均质砂层中流土：即土体表层某一部分土粒在垂直土层的渗透水流作用下全部浮动和流走。常发生在大坝下游坡脚有渗透水流逸出的土层中接触流土：即渗透水流近于垂直土层运动，当由颗粒粗细相差悬殊的细粒土进入粗粒土中时，细粒土被水流带入粗粒土中接触冲刷：渗透水流方向与土层平行，细粒土与粗粒土接触面上的土粒受粗粒土中流速较大的水流所冲刷并被它带走。精品课程土体内聚力和内摩擦力随土的颗粒组成、固结程度、胶结状况不同有很大变化。散粒砂土，分析使它进入悬浮状态的水动力条件。土石结构、颗粒成分和致密程度等在土石渗透变形中所起的作用。13.2.1渗透变形的水动力条件单位土体承受的土压力§13.2土石渗透变形的产生条件3土体的水下重量：精品课程即:土粒的密度愈大，孔隙率愈小，则临界水力梯度愈大，也即土体愈不易发生渗透变形（流土）。若砂土粒密度ρs＝2.65，n＝50％～30％，则：但该公式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相差很大。所以有必要进一步分析土的结构特性。若dp＝dq：即：临界水力梯度Jcr精品课程13.2.2土石结构及颗粒成分条件--------土的抗渗强度有利于潜蚀的结构和颗粒成分土中粗细颗粒直径比例细粒物质的含量土的级配特征颗粒形状排列方式等因素。假定土粒为等粒球体，疏松结构：n=47.6%，土粒直径（D）与孔隙直径（d0）之比D/d0=2.4；紧密结构：n=25.9%，土粒直径与孔隙直径之比D/d0=6.4。精品课程1）只有较多量的粗大颗粒构成骨架，才能形成直径较大的孔隙，易于产生潜蚀。易于产生潜蚀的颗粒成分条件：1）只有较多量的粗大颗粒构成骨架，才能形成直径较大的孔隙，才易于产生潜蚀。2）粗细颗粒粒径之比对潜蚀的发生具有很重要的意义。如细颗粒达到一定含量致使颗粒间不能相互接触，不能由它构成骨架，则孔隙大小取决于细颗粒，则比较难以潜蚀。土的结构和孔隙不均一！精品课程2）粗细颗粒粒径之比对潜蚀的发生具有很重要的意义。混粒砂土，n=39%，D/d=2.5时，有利于潜蚀的孔隙直径与细小颗粒粒径的最优比值为：d0/d=8，亦即D/d=20允许梯度与不等粒系数有如下关系：①流土②潜蚀或流土③潜蚀在自下而上渗流、出口处无盖重条件下，散粒砂土的渗透变形类型及临界梯度值都与土的不等粒系数（）有关。精品课程压密固结程度经过压密固结的土不仅孔隙度有所降低，粒间嵌合力也有所增强，其临界梯度和允许梯度显著高于颗粒成分相近但未经固结的土。地质时代颗粒分析分布曲线结构粘粒含量（％）不等粒系数JcrJ允许第四纪粗砂双众数或多众数（双峰或多峰）缺乏中间粒径松散>2010—2010—20<100.30.60.9>0.90.10.20.3>0.3第三纪湖相砂双众数或多众数致密ε＝0.5～0.72—33—4>425—5025<250.20.3>0.3表13-1固结程度不同的砂土的实测允许梯度精品课程粘粒含量粘粒含量增多增加土的内聚力，增加土的抗潜蚀能力。高压渗透水流的楔劈作用！接触冲刷！精品课程13.2.3渗流出口条件对于由渗流出口朔源发展的潜蚀—管涌型渗透变形，渗流出口有无适当保护，对渗透变形的产生和发展具有重要的意义。精品课程第三节渗透变形可能性的判定一、判别渗透变形类型→首先应分析坝基地层结构和地形地貌条件→初步判定可能产生渗透变形的地段→根据颗粒分析资料绘制的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→判别渗透变形的类型根据颗粒分析资料，绘制累积曲线和分布曲线（图13—10）I型曲线，瀑布式曲线，产生潜蚀（称为管涌土）；II型曲线，直线式，较高的梯度下产生流土（称为非管涌土）；III型曲线，阶梯式，渗透变形多为潜蚀，有时为流土。呈陡峭单峰的砂一般不发生潜蚀，呈双峰或多峰且缺乏中间粒径者为“危险性管涌土”。云南某水库坝基土颗粒分析分布曲线二、确定坝基各点的水力梯度坝基的地质结构和土层的渗透系数！理论计算法、绘制流网的图解法、水电比拟法、观测法等。1、理论计算法如果坝基为双层结构，且地层厚度稳定、透水性均一。则坝下游上升渗流段的平均水力梯度可按下式计算：式中：H1,H2为坝上，下游水位（m）;T1,T2为上土层和下土层的厚度（m）；K1,K2为上土层和下土层的渗透系数（m/d）;2b为坝基宽度（m）.三、确定临界水力梯度和允许梯度根据土的颗粒分析资料判定渗透变形的类型和允许梯度的可能值，如果实际水力梯度等于或大于允许梯度，还需通过试验方法确定临界梯度。1、工程等级较低或初级勘察阶段，在确立渗透变形类型后，可采用图表法估计临界水力梯度，如下表13-3；2、工程等级较高或后期勘察阶段，则采用试验方法直接确定临界水力梯度。试验方法是测定临界水力梯度最直接、最可靠的方法，其分为室内试验和野外现场试验两种。（1）室内试验：渗透仪法或水槽渗透试验法用变水头方法进行；试样装好后由下而上逐渐饱水以避免拘留气泡。每升高一次水头维持稳定30min潜蚀现象：细颗粒在粗颗粒孔隙中跳跃的现象，此时土样上面的水变浑很快又澄清，表面出现砂圈。野外现场采取50cm×50cm×50cm原状土样的砂砾石和砾质土。可在试件四周浇0.1m厚的混凝土，底部铺以5-10mm砾石并接上测压管和供水管后用混凝土板密封，即可运至室内进行原状样试验。此法保持了砾质土的天然级配和结构，能较准确地测定渗透流量、渗透系数和临界梯度。（2）野外现场试验室内试验破坏了土的原状结构，可信度降低，重要工程须采用现场试验。有堤坝式、围堰式等方法。以堤坝式应用广泛。如试验沙层厚度不大，→用封闭式如下伏隔水层埋藏很深，→半封闭式试验初始按水力梯度的0.15确定水头，每级水头增高与梯度的0.05相当，并稳定2-4h.每隔10min察水头与流量，记录各级下发生的潜蚀及其他现象。当发生砂沸且从砂沸管中随水流带出小颗粒，堆积在砂沸点四周形成一个个砂圈时，即为管涌。其发生后，在此水头下延长2-3h观测其变化，降低水头至管涌停止。反复数次，找出发生及停止管涌之最低水头，为临界水头，以此计算临界梯度。绘图如左13-16，此曲线转折点（即渗透速度V急剧增大点）也可求出产生管涌的临界梯点。试验指标确定试验过程中，最细的粒级开始跳动的渗流水力梯度↓→临界梯度Jcr上游水位升高，细粒流失增多，流失粒径增大，并出现若干通道↓→局部破坏梯度水位不断升高，试样破坏程度加剧，细粒流失量大增，结构发生质的变化，流失量急剧增大，上游水位升不上去↓→破坏梯度Jf渗透变形的防治，通常采用三方面的措施：1)改变渗流的动力条件2)保护渗流出口3)改善土石性质一、建筑物基坑及地下巷道施工时流沙的防治措施1、建筑物基坑:人工降低潜水位板桩防护墙2、地下巷道、水平巷道：盾构法施工竖井：沉井式支护抗掘进或采用冻结法、电动硅化法§13.4渗透变形的防治精品课程二、汲水井的防止管涌措施过滤管与井壁间隙内充填反滤料，以保护渗流出口。（1）在过滤管与井壁间隙内充填反滤料，以保护渗流出口。反滤料的粒径选择，必须要考虑到被保护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。（2）过滤管外若缠绕丝网的话，要选择合适的网眼直径。（3）非主要含水层的管涌土层，应采用止水措施将其与过滤管隔绝。§13.4渗透变形的防治精品课程三、土石坝防治渗透变形的措施1.垂直截渗：粘土截水槽、灌浆帷幕、混凝土防渗墙等。§13.4渗透变形的防治精品课程§13.4渗透变形的防治精品课程三、土石坝防治渗透变形的措施2.水平铺盖§13.4渗透变形的防治精品课程3.排水减压在坝后的坝脚附近设置排水沟和减压井，它们的作用是吸收渗流和减小溢出段的实际水力梯度。§13.4渗透变形的防治精品课程三、土石坝防治渗透变形的措施4.反滤盖重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，又起到盖重的作用。§13.4渗透变形的防治精品课程反滤层的粒径选择§13.4渗透变形的防治精品课程§13.4渗透变形的防治精品课程本章到此结束Theend精品课程