工程地质学课件 第四章 渗透变形工程地质研究

一、管涌(piping)或潜蚀

4.接触管涌



定义：粗、细颗粒土层互相叠置时，在它们接触面 上的渗流作用下所发生的管涌 分类：按渗流方向与接触面的关系 垂直接触管涌：在垂直于土层接触面的渗流作用下， 细粒土层的大颗粒向粗颗粒土层孔隙移动的现象。 平行接触管涌 ：在平行于粗粒、细粒土层接触面的 渗流作用下，由于粗粒土层的渗透速度比细粒土层 的渗透速度大得多，而使接触面附近的细粒土层中 的颗粒被携走的现象。
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一、管涌(piping)或潜蚀

3.分类



根据渗透方向与重力方向的关系，将管涌分 为： 垂直管涌 水平管涌
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土石坝坝基渗流示意图
渗流方向：在坝前(上游)由上向下，与重力方向一致；在坝底为 水平方向；渗流方向在坝后(下游)由上向下，与重力方向相反 坝前的渗流对土层起压密作用，不致于发生渗透变形。坝后 的渗流对土颗粒起上托作用，使之易于松动、悬浮、被携出 地表，为垂直管涌。坝底下的细粒物质从粗颗粒骨架孔隙中 被渗流携走，为水平管涌。
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(3)土的级配特征


土的级配特征用土的不均粒系数Cu表示， Cu值愈大，说明土愈不均匀，级配愈好 Cu <10时，主要型式是流土； Cu >20时，主要型式是潜蚀； Cu在10-20之间时，流土和潜蚀均可能发 生
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临界水力梯度与土不均粒系数曲线
§3 渗透变形产生的条件

二.充分条件 在具备渗透变形产生的必要条件前提下， 渗透变形现象是否会产生，由宏观地质 因素和工程因素来决定。
渗透破坏梯度与细粒含量关系图
当细粒含量 达20％-30％ 时，产生渗 透变形所需 的水力梯度 值急剧增大。 但当细粒含 量小于20％ 时，临界梯 度小于0.5， 较公式计算 值0.8-1.2小 得多。可能 是由于土的 结构和孔隙 不均一的缘 故。
(2)细粒物质的含量



用细颗粒含量百分数来判别双峰型砾土的渗透变形 型式： 当细颗粒含量>35％时，为流土； 当细颗粒含量<25％时，为潜蚀； 当细颗粒含量在25％-35％之间时，流土和潜蚀均可 能发生，主要取决于砾土的密实程度及细颗粒的组 成。中等以上密实度、细颗粒的不均粒系数较小的 砾土，一般发生流土；反之为潜蚀。 细颗粒成分中粘粒含量的增加，不易产生渗透变形
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(1)土中粗细颗粒直径比例


砂土颗粒粒径与其孔隙比值的大小，与 颗粒的排列方式关系极大。假定土粒为 等粒球体，若为立方体排列最疏松，孔 隙率n＝47.6％，D/d0＝2.4。若为四面 体排列最紧密，n＝25.9％，D/d0＝6.4。 显然，土愈疏松，则细小颗粒在孔隙中 随渗流运动愈顺畅；愈紧密则只能允许 更细小的颗粒通过。
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§1 概述



渗透变形现象在坝工建设中尤为引人关注。这 是因为建坝后促使河谷地段地下水的渗流大大 加强，经常引起坝基松散沉积物或软弱岩体发 生变形破坏，以致酿成溃坝的严重后果。 美国破坏的土石坝中，有40％是坝基或坝体渗 透变形造成的。 我国水利水电科学研究院于1974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 ％。
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2.工程因素


工程因素主要指的是渗流出口的保护问题。 土石坝和汲水井的渗流出口处，若任其临空而不 加保护，则最易产生渗透变形 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 渗流出口段必须要设置反滤层（料），使渗流既 能顺畅地溢出，土层又不致于变形破坏
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§4 渗透变形的预测
' =(s -1)(1-n) => Icr = (s -1)(1-n)
'为土体的水下密度, s为土粒密度；n为孔隙率
由于砂土和粉土的土粒密度为1g/cm 3左右，其孔隙率大致 为30％-50％，所以临界水力梯度均在0.8-1.2之间。
修正公式：
太沙基公式未考虑到土体本身强度（即抗剪强度参数C、φ值） 的影响，所以实测的 Icr值一般较公式计算的要大些；尤其当 土的结构较密实以及土中粘粒含量较多时，差值更大。为此， E.A.札马林建议给予修正，即
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假设渗透水 流流经一单 元土体 长度为dl
断面积为dw
上下界面的 水头差为dh
动水压力数学表达式推导
则此单元土体承受的水压力dP为 dP=w· · · g dh dw 式中： w为水的密度； g 为重力加速度 dP即为渗流因摩擦阻力而受到的水头损失，习惯以 作用于单位体积土体上的水压力来表征，即 D=dP/(dw · w· · dl)= g I D即为动水压力，I为渗流的水力梯度 I=dh/dl（单位长度上的水头差） 动水压力的方向与渗流方向一致
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§1 渗透变形的类型与特点

目前国内外对渗透变形类型的划分和术 语名称尚未统一，但一般来说可以划分 为潜蚀和流土两种基本型式。
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一、管涌(piping)或潜蚀


1.定义：在渗流作用下单个土颗粒发生 独立移动的现象，称潜蚀或管涌 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，使土层的孔隙和孔 隙度增大，强度降低，发展下去使土体 呈现“架空结构”，甚至造成地面塌陷。
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c.多薄层地层结构


多薄层地层结构一般位于河流下游地段， 由细砂土、粉土和粘性土互相叠置组成， 单层厚度不大，且多相变和尖灭现象。 产生渗透变形主要取决于表层是否存在 粘性土，及其性质、厚度和完整程度
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（2）地形地貌


主要表现在沟谷切割影响渗流的补给、渗径长 度和渗流出口条件等方面。 若坝体上、下游的沟谷将弱透水的表土层切穿， 有利于渗流的补给，并使渗径缩短而加大水力 梯度。如果下游地下水溢出段的渗流出口临空， 则极有利于渗透变形的产生。 古河道分布控制了地层结构和岩性变化，对渗 流补给和排泄条件有很大影响，在古河道上布 设水利或汲水工程时，应充分注意渗透稳定性 问题
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1.宏观地质因素


（1）地层组合：地层结构对渗透变形的 影响，在坝基下表现最为明显。 （2）地形地貌条件
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a.单一型地层结构


大多位于河流的上游地段，一般为砂卵 （砾）石层，厚度较小，往往产生管涌 型渗透变形，其强烈程度则取决于土中 细颗粒成分的含量 。 若粗粒骨架孔隙中细粒成分较多，且被 渗流不断携走时，则会产生强烈管涌， 甚至转化为流土。
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抽水井孔 若成井工 艺较差， 井周砂砾 石层中的 细颗粒就 会向井管 外反滤料 管涌，而 随水流抽 出井外。 这种现象 即为垂直 接触管涌
以减小地下水压力，排除多余水份， 保护土体和建筑物不会因产生渗透变 形而破坏
塑料盲沟
软式透水管、透水管、透水半管
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二、流土(quick soil quick sand)
Icr = (s -1)(1-n)+0.5n
我国有些水利部门考虑到土体的抗剪强度，建议采用
Icr = ' / w· (1+½ ξ tg φ )+c/(w· g)
ξ 为土的侧压力系数；φ 为土的内摩擦角；C为单位土体的凝 聚力（kPa）。
一.必要条件

2.影响土的抗渗强度——结构特性




2.渗透压力


3.渗透变形

当渗透压力达到一定值时，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，强度降低，甚至整体发生破坏的工程动力地质作 用或现象
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§1 概述



在自然界中，渗透变形一般发生在无粘性土和粉 土中。如河流岸坡或阶地上的碟形洼地，覆盖型 岩溶区的“土洞”和陷穴，以及黄土“喀斯特” 现象等。 更多的渗透变形现象是发生在工程场地中，由于 人类工程活动使渗流加强，往往导致危害严重的 渗透变形发生。 不但在松散土体中发生，在基岩的断裂破碎带、 软弱夹层和风化壳中也可能发生。 如基坑和巷道开挖时的流沙现象，覆盖型岩溶区 矿山疏干排水或汲取地下水产生的地面塌陷，水 坝坝基的管涌等。
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一、管涌(piping)或潜蚀

2.机械潜蚀和化学潜蚀



机械潜蚀：指渗流的机械冲刷力把细小的土颗粒携 走，而较大颗粒仍留在原处。 化学潜蚀：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，这就是化学潜蚀。 化学潜蚀与岩溶不同，因为渗透的机械冲刷是主要 的，化学溶蚀是从属的，为机械潜蚀的加强创造条 件
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湖南省群英水库坝角漏水


坝址位于湖南省临澧县城北２２ＫＭ， 自１９８７年，坝外坡散浸逐年扩大， 产生渗透变形，严重影响大坝安全。 大坝下游铺设毛细式透导水膜（排水带） 运行约２年时间，导水膜畅通自如，下 游埋设导水膜渗出的水流清澈，无颗粒 带出，且渗水是随库水位增减。且是重 做砂卵石块反滤体工程造价十分之一。
当w=9.8kN/m3，则D=I· (kN/m3) g 在水流由下往上渗透时，一旦当动水压力与土体的 水下重量相等，土体将处于悬浮状态而发生流土。 此时渗流的水力梯度即为临界水力梯度Icr，即 Icr= ' / w
w· Icr= '· => Icr=' /w g· g w=9.8kN/m3 => Icr= ‘
Ch4 渗透变形工程地质研究

§1 §2 §3 §4 §5
概述 渗透变形的类型与特点 渗透变形产生的条件 渗透变形的预测 渗透变形的防治
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§1 概述

1.渗流

地下水在岩石空隙（）中的运动称为渗流（渗透） 渗流是在与介质发生密切联系的条件下进行的。由于 受到介质的阻滞，水的运动远比地表水缓慢。 渗透水流作用于岩土上的力，称渗透压力或动水压力