第六章渗透变形

三、确定坝基各点的实际水力梯度 坝基下水力梯度分布复杂,确定方法有理论计算法,绘制流网的图解 法,水电比拟法及观测法法等. 理论计算法 流网图解法 水电比拟法 1.理论计算法： 据渗流类型,渗流方向及地质条件等选用合适的计算公式如坝 基为双层结构,且地层厚度稳定,透水性均一,则在平面流情况下 坝后渗流渗出段的平均水力梯度(即逸出梯度) 为： 地下水动力学
H1 H 2 I逸平＝ K1 T1 2T1 2b K 2 T2 H3 H 4 2b 式中：H 3、H 4为上、下游坝脚处下层的测压水位 I 水平
• 2、绘制流网图解法 • 主要是绘制坝基流网图 • 流网图是由一系列流线和等水头线所组成的网格,在均质各 向同性岩层中,流网最基本的特征是流域与等水实线正交。 • 流网图绘制原则: • (1) 使各相邻两等水头线间的水点损失△H级比相等. • (2) 使各相邻两流线的单宽流量△q彼此相等 • 于是在均质各向同性岩层中,每个网格的平均长度(△S)和高 度(△b)的比值不变,即 • △b/△S==定值,多用正方形, △b/△S=1. • 如坝基为非均质双层结构土层,由于两层的渗透性不同,当 流域通过两层分界面时发生折射,流网图也有所不同。 • 绘出流网图后,即可确定坝基任一点的水力梯度值 • I=△H/△S • △H 为点所在网格两条等水头成间的水头差 • △S 为点所在网格流线长度
=25%~35% 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、细颗粒的不均匀系数较小的砾土，发生流土 细颗粒成分中粘粒含量增加，可增大土的凝聚力，土的抗渗强度增 加，不易发生渗透变形。
另外，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， 才能产生潜蚀。
3.土的级配特征：土的级配特征可用土的 不均粒系数Cu表示（Cu=d60/d10）， Cu值 愈大,说明土愈不均匀,级配愈好。 • Cu<10 流土 • Cu>20 管涌 • Cu=10~20 流土或管涌
• • • • • • • • • • • • •
常有防治措施 (1)改变渗流动力条件 (2)保护渗流出口 (3)改善土石性质等 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: 1)人工降低潜水位 2)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
• • • • • • • • •
这是一般应用的松散砂质土产生流土的临界水力梯度计算公式。
从上式可以看出，土粒越密实， n越小， Icr越大，土体越不容易发生渗透变 形。
扎马林：Icr (ρs 1)(1 n) 0.5n
, c 1 我国水利部门：Icr (1 2 tg ) g 式中：－土的侧压力系数
四、确定临界水力梯度与允许水力梯度 I cr I 允＝ m 1 允许水力梯度： m m与地质条件和工程重要性有关：
一般砂土：m＝1.5~3.0
粘性土：m＝2.5~4.0 五、渗透变形可能性判定 I实>I允 发生渗透变形 I实<I允 不发生渗透变形
§4 渗透变形的防治
一、防治原则 1.改变渗流的水动力条件，减少动水压力即降低水力梯度 2.改变土体结构，提高抗渗能力
多薄层型:多位于河流下游 ，由细砂土、粉土和粘性土互相叠置组 成，主要取决于表层是否存在粘性土，其性质、厚度和完整程度如 何。如含粘性土夹层和透镜体，对土层渗透性和动水压力有一定影 响，可使局部地段水利梯度较大，而引起渗透变形。
• 2.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 四、工程因素 • 渗流出口的保护 • 施工等破坏了表层具有防渗作用的弱透 水层
管涌的Icr的求取较为复杂。通过试验测定
二、土体结构特征－抗渗强度 土体抗渗强度取决于其本身的结构,制约渗透变形发生的土体 结构特性,包括土中粗细颗粒直径比例,细粒物质的含量和土的 级配特征,颗粒形状及排列方式等因素。 1.粗细颗粒直径比例 只有当土中细颗粒的粒径d小于粗颗粒的骨架孔隙直径d0时,才 能发生潜蚀， 据研究其最优比为：d0/d=8 d0 ：孔隙直径 一般天然无粘性土均为混粒结构,其孔隙 率多为 n=0.395，大颗粒粒径D与其孔隙 d：细颗粒直径 d0比为D / d0 =2.5,所以有利于发生潜蚀的 D：粗颗粒直径 粗细粒径比为D/d=20。 土体的排列方式决定着D / d0 的值：
原地下水
降水后 水位线
§2
渗透变形产生的条件
1. 渗透变形的动力----动水压力 当动水压力>岩土抗渗强度（岩土抵抗 渗透水流作用的能力），产生渗透变形。 一、渗流的动水压力及临界水力梯度 渗透压力：dP=dw· w· dh · g 动水压力（D）：单位体积土层所受的渗透 压力
dP dh D＝ ρ g ρ g I dw dl dl 饱水土体重量：dW ρ sat g dl dw 水的重量：dF ρ g dl dw
ห้องสมุดไป่ตู้
• 潜蚀包括机械潜蚀和化学潜蚀。 • 机械潜蚀：为不溶解颗粒被渗透水流带走，也是经常发生的。渗 流的机械冲刷力把细小的土颗粒带走，而大的颗粒仍留在原处。 • 化学潜蚀：当土中含有可溶性组分被渗透水流溶解和搬运，使土 的颗粒结构变松，空隙度增大，水流的渗透能力增强。这在含有 可溶组分的土石中常见。 • 渗透水流通过一系列特有作用过程使土体中某些颗粒松动、脱离、 被水携带和搬运，从而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。 • 根据渗透方向与重力方向的关系： • 垂直管涌：渗流对土颗粒的上托作用,使之松动、悬浮和携出地 表的现象。 • 水平管涌：在水平方向细粒物质从粗粒骨架空隙中被水流携走 的现象。
水下土体重量：dQ=dW-dF=(sat- )· g· dl· dw =’ ·g·dl· dw
当dP=dQ时，土颗粒处于平衡状态
当dp=dQ时，单元土体处于悬浮状态，发生流土。
此时渗流的水力梯度为临界水力梯度Icr 。 即有：w· g· dw · dh = ’ ·g·dl· dw Icr = dh/dl = ’ / Icr= ’ =(s-1)(1-n)…… 太沙基公式 dh/dl= ’ /
当排列疏松时， D / d0 减小， D/d减小，渗透变形广泛
当排列密实时， D / d0 增大， D/d增大，渗透变形不广泛
2.细颗粒的含量 实验资料证实:当细粒含量达20%--30%.产生渗透变形所需的水力 梯度值急剧增大。水利水电科学院在试验基础上提出用细颗粒 含量来判别天然无粘性土分布曲线为双峰型（颗粒分布曲线具 两峰点，峰点点有一明显“断裂点）的渗透变形型式： >35% <25% 流土 管涌
第六章
渗透变形工程地质研究
第一节 概述 第二节 渗透变形产生的条件 第三节 渗透变形的预测 第四节 渗透变形的防治
§1 概述
一、概念 渗透变形：渗透水流作用于岩土上的力,称渗透压力或动水压力。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,强度降降低,甚至整体发生破坏,这种工程动力地质作用现象, 称之为渗透变形(seepage deformation)或渗透破坏。 二、渗透变形的类型：管涌和流土 1.管涌：在渗流作用下，单个土颗粒发生独立移动的现象，又称潜蚀。潜蚀普 通发生在不均匀的砂层或河卵（砾石）层中,细粒物质从粗粒骨架孔隙中被渗透 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”架空结构”,甚 至造成地面塌陷.
§3 渗透变形的预测 一、预测步骤 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 2.确定土体中各点的实际水力梯度，尤其是下游坝脚处最大水力 梯度 3.确定相对于该土体的临界水力梯度和允许水力梯度 4.据实际水力梯度和允许水力梯度比较,判定发生渗透变形的可能 性及其范围.
• 二、判定渗透变形的可能性及类型. • 粗细颗粒比例 细粒物质含量 土的级配 • 1、首先分析坝基地层结构和地形地貌条件,初步制定可能 产生渗透变形的地段 • 2、据颗粒分析资料绘制累积曲线和分布曲线,计算出不均 匀粒系数(Cu)和颗粒的的含量. • 3、判别渗透系列的类型, • 瀑布式累积曲线(Ⅰ):产生管涌 • 累积曲线 • 直成型 (Ⅱ)不产生,较高梯度产生流土 • 阶梯式 (Ⅲ)多产生管涌 • 分布曲线:陡峭单峰:不发生管涌,较高梯度下产生流土 • 双峰多峰:危险性管涌
二、汲水井的防止管涌措施 主要措施是在过滤昔管与井壁间隙内充填反滤料的 保护渗流出口。 三、土石坝防治渗透变形的措施 (一) 垂直截渗 常用方法有:粘土截墙,灌浆帷幕和混凝土防渗墙等 . (二) 水平铺盖 (三) 排水减压 (四) 反滤盖重 （五）物理化学方法改造：冻结、电动硅化、灌浆 （化学浆液）
三、宏观地质因素 1.地层组合关系：（单一型、双层型、多层型）
单一型地层结构：多位于河流的上游，一般为砂卵（砾）石层，厚 度较小，一般发生管涌型渗透变形，随着细粒成分的增多，可能流 土。
双层型和多层型地层结构：多位于河流的中游，主要考虑表层粉土、 粘性土的性质、厚度和完整程度，如表层粉土、粘性土较厚且完整， 且抗剪强度较大时，不易产生渗透变形；如表层粉土、粘性土较薄 或不完整，且位于坝下游溢出段时，就可能产生变形破坏。
接触管涌：当粗细粒土层相互叠置时，接触面上发生的管涌。 按渗流方向与土层接触面的关系： 垂直接触管涌
平行接触管涌
2.流土：在渗流作用下，一定体积的土体同时发生移动的现象。 常发生于均质砂土层和亚砂土层中。
二、渗透变形实例现象 渗透变形,一般发生在无粘性土和粉土中。 1水坝：管涌甚至流土 坝基 坝体 2基坑:开挖—流土（流沙） 基坑表面截水沟排水 基坑排水