4 渗透变形工程地质研究

潜蚀分类
潜蚀包括机械潜蚀和化学潜蚀两种。 机械潜蚀：是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。
根据渗透方向与重力力方向的关系，可将管 涌分为垂直管涌和水平管涌两种。如图所示， 坝后地下水溢出段的翻砂现象即是垂直管涌； 而水平管涌则发生在坝基底下。
4.4 渗透变形的预测
1、首先根据土体的类型和性质，判定是否会 首先 产生渗透变形及渗透变形的类型 2、随后 随后确定坝基各点，主要是下游坝脚处的 随后 实际水力梯度 3、确定临界水力梯度和允许水力梯度 4、根据实际水力梯度与允许水梯度的比较， 圈定出可能发生渗透变形的范围 圈定
一、判定渗透变形的可能性及类型
dP = ρ W • g • dh • d ϖ
渗透压力示意图· 渗透压力示意图·
水压力即为渗流因摩擦阻力而受到的水头损失， 它习惯上是以作用于单位体积土体上的水压力 来表征的，即
ρ w • g • dh • d ω dP D= = d ω • dl d ω • dl dh = ρw • g • = ρw • g • I dl
1、天然无粘性土颗粒组成相当复杂，其分 布曲线有单峰型、双峰型和多峰型。
(二)细颗粒的含量
2、实验资料证实，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。
用细颗粒含为流土; 2、当粗颗粒含量＜25％时，为潜蚀； 3、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。 4、细颗粒成分中粘粒含量的增加．可增大土的凝聚 力，因而增大了土的抗渗强度，使之不易产生渗透 变形。
上式即为著名的太沙基公式。按公式可 知：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) 由于砂土和粉土的土粒密度为2.65t/m3 左右，其孔隙率大致为30%一50％，所以 临界水力梯度均在0.8-1.2之间。
二、土的抗渗强度---结构特性
土体抗渗强度取决其本身的结构，制约 渗透变形发生的土体结构特性，包括
（二）水平铺盖
当透水层很厚，垂直截渗措施难以奏效 时．常采用此法。其措施是在坝上游铺设粘 性土铺盖，该粘性土的渗透系数应较下伏坝 基小2-3个数量级，并与坝体的防渗斜墙搭接。
(三)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。
(四)反滤盖重
二、汲水井防止管涌的措施
（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。
本节小结
1、了解土体的类型和性质，判定是否会产生 了解 渗透变形及渗透变形的类型 2、随后 随后确定坝基各点，主要是下游坝脚处的 随后 实际水力梯度 3、确定临界水力梯度和允许水力梯度 4、根据实际水力梯度与允许水梯度的比较， 圈定出可能发生渗透变形的范围 圈定
4.5 渗透变形的防治
一、建筑物基坑及地下巷道施工时流沙的防 治措施 二、汲水井防止管涌的措施 三、土石坝防治渗透变形的措施
渗透破坏梯度与细粒含量关系图
当它们的不均粒系数小于1：20。渗透变形 型式为流土时，则可采用临界水力坡度与不 均粒系数关系曲线求取
临界水力梯度与不均粒系数
可参考渗透系数与临界水力梯度关系 曲线来求取临界水力梯度。
渗透系数与临界梯度关系曲线
试验法是测定临界水力梯度最直接、可靠 的方法，有室内试验和现场试验两种
本节小结
一、潜蚀 二、流土 潜蚀与流土定义，关系，工程上的 应用
4.3 渗透变形产生的条件
一、渗流的动水压力及临界水力梯度
二、土的抗渗强度---结构特性
一、渗流的动水压力及临界水力梯度 渗透力（动水压力）：地下水在松散土体
中渗流时，由于水质点之间以及水流与土粒 之间摩擦阻力的作用，产生水头损失，因而 沿土粒周围渗流的水头将下降，也即渗流水 压力将下降。此时每一个土颗粒在水头差作 用下承受了来自水流的渗透力即动水压力
工程中的潜蚀
土石坝坝基渗流示意图
接触管涌：当粗、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。 按渗流方向与接触面的关系，分为垂直接触 管涌和平行接触管涌两种。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
砂粒向井管外反滤料的管涌
1、首先应分析坝基地层结构和地形地貌 条件 2、初步判定可能产生渗透变形的地段 3、根据颗粒分析资料绘制的累积曲线和 分布曲线 4、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。
颗粒分析曲线形式与渗透变形类型
二、确定坝基各点的实际水力梯度
1、理论算法
H 1－ H 2 I 逸平＝ K 1 T1 2T ＋2b • K 2 T2
二、流土
1、流土：在渗流作用下一定体积的土体同时 发生移动的现象，称流土或流沙。 2、流土一般发生在均质砂土层或粉土中。 3、流土的危害性较管涌大，它可使土体完全 丧失强度。这种现象一般在工程场地中发生。 如在饱水粉、细砂土和粉土中开挖基坑或地 下巷道。 4、潜蚀和流土是可以转化的，潜蚀的发展、 演化，往往可以转化为流土。
(三)土的级配特征
土的级配特征可用土的不均粒系数Cu表示
d 60 Cu = d 10
。Cu值愈大，说明土愈不均匀，级配愈好。 当Cu＜10时，主要型式是流土； 当Cu＞20时，主要型式是潜蚀； 当Cu在10一20之间时，流土和潜蚀均可能发生。
(四)宏观地质因素和工程因素
1、宏观地质因素包括地层结构和地形地貌条 件两个方面。 （1）地层结构 单一型、双层型、多厚层型和多薄层型等 （2）地形地貌 2、工程因素 主要指的是渗流出口的保护问题
4.2 渗透变形的类型与特点 一、潜蚀
二、流土
一、潜蚀
潜蚀：在渗流作用下单个土颗发生独立移 动的现象，称潜蚀或管涌。
潜蚀产生的地质条件
潜蚀较普遍地发生存不均匀的砂层或砂 卵(砾)石层中，细粒物质从粗架骨架孔 隙中被渗流携走，使土层的孔隙和孔隙 度增大，强度降低，发展下去会呈现 “架交结构”，接受造成地面塌陷。
(一)粗细粒径的比例 (二)细颗粒的含量 (三)土的级配特征 (四)宏观地质因素和工程因素
(一)粗细粒径的比例
1、只有当土中细颗粒的粒径d小于颗粒的骨架孔隙 直径d0时，才能发生潜蚀。 最优比值为：d0/d＝8 有利于发生潜蚀的粗细粒径比例D/d＝20 2、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 。 土愈疏松，则细小颗粒在孔隙个随渗流运动愈 顺畅；愈紧密则只能允许更细小的颗粒通过。这就 是说，土愈疏松就愈易产生渗透变形
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。
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
ρ ′ I cr = =ρ ρw
′
ρ′＝(ρs-1)(1-n)， 1)(1-n)，
式中：ρs为土粒密度；n 式中：ρs为土粒密度；n为孔隙率
Icr＝(ρs-1)(1-n)，
第四章 渗透变形工程地质研究
4.1 4.2 4.3 4.4 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
4.1 概述
1、渗透压力（动水压力） 渗透水流作用于岩土上的力，称渗透压力 或动水压力。
2、渗透变形 当此力达到一定值时，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。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。
双层结构坝基示意图
2、绘制流网法
单层均质禹向同性透水层坝基渗透流网图
双层结构坝基渗透流网图
三、确定临界水力梯度和允许水力梯度 1、工程等级较低或初期勘察阶段，可采 用图表法估计临界水力梯度；
2、而工程等级较高或后期勘察阶段，则 应采用试验法直接确定临界水力深度。
1、图表法
（1）砂土和砂砾土管涌临界水力梯度， 可采用细颗粒含量与渗透破坏坡降关 系曲线求得临界水力梯度(即渗透破坏 坡降)。
三、土石坝防治渗透变形的措施
兴建于松散土体上的土石坝，防治渗透变形 的主要措施有：垂直截渗、水平铺盖、排水 减压和反滤盖重四项。 （一）垂直截渗 （二）水平铺盖 （三） 排水减压 （四） 反滤盖重
（一）垂直截渗
（2）灌浆帷幕适用于大多数松散土体坝基。 砂卵石坝基一般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(丙凝)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。 （3）混凝土防渗墙适用于砂卵石坝基。
需要具备的地质条件
1、在自然界中，渗透变形一般发生在无粘性土和粉土。 2、更多的渗透变形现象则是发生在工程场地中，它不 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。 3. 渗透变形现象在坝工建设中尤为引人关注。 4. 渗透变形也给矿山作业和地下巷道开拓带来危害。
一、建筑物基坑及地下巷道施工时流沙的防治措施 1、建筑物基坑主要采取人工降低潜水位的办法， 使潜水位低于基坑底板。也可采用板桩防护墙施工。 2、水平巷道、竖井开挖遇流沙时，可采用特殊的 施工方法，如水平巷道可采用盾构法施工。竖井可 采用沉井式支护掘进。也有采用冻结法或电动硅化 法等改善砂土性质的办法，使施工顺利进行