1、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,称之为渗透变形渗透变形(seepage deformation)或渗透破坏或渗透破坏。 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
2、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. 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
3、。 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。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。接触管涌：当粗细粒土层相互叠置时，接触面上发生的管涌。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原地下水位线降水后地下水位线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
4、=dwwdh g动水压力（D）：单位体积土层所受的渗透压力dwdlgdFdwdlgdWIgdldhgdldwdPDsat水的重量：饱水土体重量：水下土体重量：dQ=dW-dF=(sat- )g dl dw = gdl 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：wg dw dh = gdl dw dh/dl= / Icr = dh/dl = / Icr= =(s-1)(1-n) 太沙基公式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
5、易发生渗透变形。土的侧压力系数式中：我国水利部门：扎马林：gctgIcrnn(Icrs)1 (5 . 0)1)(121,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=8d0 ：孔隙直径d：细颗粒直径D：粗颗粒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d0比为D / d0 =
6、2.5,所以有利于发生潜蚀的粗细粒径比为D/d=20。 土体的排列方式决定着D / d0 的值：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% 流土25% 管涌=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
7、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。 Cu20 管涌 Cu=1020 流土或管涌三、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
8、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。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
9、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():产生管涌 累积曲线 直成型 ()不产生,较高梯度产生流土 阶梯式 ()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
10、双峰多峰:危险性管涌三、确定坝基各点的实际水力梯度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地下水动力学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：的测压水位为上、下游坝脚处下层、式中：水平逸平43432121121HHb2HHITTKKb2T2HHI 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
11、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四、确定临界水力梯度与允许水力梯度允许水力梯度：1mmIIcr允m与地质条件和工程重要性有关：一般砂土：m
12、1.53.0粘性土：m2.54.0五、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 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 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 二、汲水井的防止管涌措施二、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）
