滲透變形工程地質研究工程學院巖土工程與工程地質系工程學院巖土工程與工程地質系

概述滲透變形產生的條件滲透變形的預測滲透變形的防治提要概述提要第一節(jié)概述

一、概念

滲透壓力:滲透水流作用于巖土上的力，也稱滲透力。滲透變形：巖土體在地下水滲透力（動水壓力）的作用下，部分顆粒或整體發(fā)生移動，引起巖土體的變形和破壞的作用和現象。表現為鼓脹、浮動、斷裂、泉眼、沙浮、土體翻動等。第一節(jié)概述一、概念第七章滲透變形工程地質研究選編課件

二、研究意義邊坡工程滲透變形二、研究意義邊坡工程滲透變形基坑工程滲透變形基坑工程滲透變形水庫工程滲透變形水庫工程滲透變形第七章滲透變形工程地質研究選編課件1975年8月，特大暴雨引發(fā)的淮河上游大洪水，使河南省駐馬店地區(qū)包括兩座大型水庫在內的數十座水庫漫頂垮壩，1100萬畝農田受到毀滅性的災害，1100萬人受災，超過2.6萬人死亡，縱貫中國南北的京廣線被沖毀102公里，中斷行車18天，影響運輸48天，經濟損失近百億元。1975年8月，特大暴雨引發(fā)的淮河上游大洪水，使河南省駐馬店駐馬店地區(qū)的水庫建設蜂擁而上：1957—1969年代，新建水庫200多座，由于片面重視蓄水，忽視防洪，導致隱患四伏。板橋水庫和石漫灘水庫興建于1950年代。駐馬店地區(qū)的水庫建設蜂擁而上：1957—1969年代，新建水潰壩事故潰壩事故工程滲透變形工程滲透變形堤岸

1998年長江洪水險情以滲流險情最為普遍，沿長江6000余處險情中就有400余處屬滲流險情。其中管涌被視為險中之險。一般來說，長江中下游平原沖積地層，上面是粘性土；往下是粉砂、細砂等，砂層間也有粘性土夾層的，再往下則是砂礫及卵石等強透水層，在河床中露頭與河水相通。在汛期高水位時由于滲水流經強透水層壓力損失很小，堤內數百米范圍內粘土層下面仍承受很大的水壓力，如果這股水壓力，沖破了粘土層，下面的粉砂、細砂就會隨水流出（在沒有反濾層保護的情況下），從而發(fā)生管涌。堤岸1998年長江洪水險情以滲流險情最為普

2003年7月1日凌晨4時，正在施工中的上海軌道交通4號線（浦東南路至南浦大橋）區(qū)間隧道浦西聯絡通道發(fā)生滲水，隨后大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。上午9時左右，地面建筑物中山南路847號一幢八層樓房發(fā)生傾斜，其裙房部分倒塌。由于報警及時，所有人員提前撤出，無人員傷亡。

2003年7月1日凌晨4時，正在施工中的上海軌道三、滲透變形的類型1.管涌：在滲流作用下，細顆粒沿土體骨架中的孔道發(fā)生移動帶走的現象，又稱潛蝕。根據滲透方向與重力方向的關系：垂直管涌水平管涌三、滲透變形的類型1.管涌：在滲流作用下，細顆粒沿土體骨架中2.流土：在滲透作用下，土體中的顆粒群或團塊同時發(fā)生移動的現象。常發(fā)生于均質砂土層和亞砂土層中。2.流土：在滲透作用下，土體中的顆粒群或團塊第二節(jié)滲透變形產生的條件一、滲透變形的必要條件1、存在可能被滲流帶走的松軟土石2、具備強烈的水動力條件3、存在滲流出逸的臨空條件第二節(jié)滲透變形產生的條件一、滲透變形的必要條件3.接觸沖刷：滲流沿著滲透系數相差懸殊的兩種土層接觸面帶走細顆粒的現象。常發(fā)生于漂石和卵石等巨粒土與砂類土和粉土接觸處。

當水流沿兩層土接觸面方向流動時，因前者滲透系數和流速遠大于后者，細顆粒易被水流沖刷帶走。3.接觸沖刷：滲流沿著滲透系數相差懸殊的兩種土層接觸面帶走細4.接觸流失：滲流垂直滲透系數相差懸殊的兩種土層接觸面，將細粒土層的顆粒帶到粗粒層中的現象。反濾層設計不當或施工不當時，在滲流作用下，被保護圖層的顆粒被帶到反濾層中。

接觸沖刷和接觸流失多以單個顆粒獨立運動為主。

管涌和流土是主要破壞形式。4.接觸流失：滲流垂直滲透系數相差懸殊的兩種土層接觸面，將細第二節(jié)滲透變形產生的條件二、滲流的動水壓力及臨界水力梯度流入：pA=h1wgdw

流出：pB=h2wgdw

滲透壓力：dP=pA-pB=dww·dh·g第二節(jié)滲透變形產生的條件二、滲流的動水壓力及臨界水力土體水下重量dQ=dW-dF=(sat-)·g·dl·

dw=’

·g·dl·

dw動水壓力（D）：單位體積土層所受的滲透壓力浮容重土體水下重量dQ=dW-dF=(sat-)·當dP=dQ時，單元體處于臨界懸浮狀態(tài)，即將發(fā)生流土。此時滲流的水力梯度為臨界水力梯度Icr

——土的抗?jié)B強度的大小。在滲流作用下，土粒開始發(fā)生移動時的水力坡度。則有：dw·dh·g=’

·g·dl·

dwdh/dl=’/Icr=dh/dl=’/Icr=’=(s-1)(1-n)太沙基公式土粒越密實，n越小，Icr

越大，土體越不容易發(fā)生滲透變形。當dP=dQ時，單元體處于臨界懸浮狀態(tài)，即將發(fā)生流土。Icr

但太沙基公式未考慮土體本身的抗剪強度，所以實測的各種土的臨界梯度往往較上述公式計算結果偏大。所以有必要進行修正。

管涌的Icr的求取較為復雜，一般通過圖表法或試驗測定。但太沙基公式未考慮土體本身的抗剪強度，所以三、土體性質與滲透變形類型土體結構包括了土中粗細顆粒直徑比例、細粒物質含量、土的級配等。1.粗細顆粒直徑比例細粒從空隙中流動最優(yōu)比例：d0/d≥8天然無粘性土n=0.395D/d0=2.5因此D/d>=20有利于管涌d0

：孔隙直徑d：細顆粒直徑D：粗顆粒直徑

土體的排列方式決定著D/d0

的值：

當排列疏松時，D/d0

減小，有利于滲透變形

當排列密實時，D/d0

增大，不利于滲透變形

三、土體性質與滲透變形類型1.粗細顆粒直徑比例d0：孔隙直2.細顆粒的含量用細顆粒含量來判別雙峰型礫土的滲透變形型式：>35%流土<25%管涌=25%～35%流土或管涌，取決于礫土的密實度及細顆粒的組成

中等以上密實度、不均勻系數較小的細粒土，發(fā)生流土。細顆粒成分中粘粒含量增加，可增大土的凝聚力，土的抗?jié)B強度增加，不易發(fā)生滲透變形。

2.細顆粒的含量用細顆粒含量來判別雙峰型礫土3.土的級配特征：不均勻系數Cu=d60/d10Cu<10流土Cu>20管涌Cu＝10～20流土或管涌3.土的級配特征：Cu<10流土不發(fā)生接觸流失的條件：Cu<5且D15/d85<=10或Cu<=10且且D20/d70<=7不發(fā)生接觸沖刷的條件：雙層土結構：D10/d10<=10且兩層土的不均勻系數均滿足Cu<=10Cu<5且D15/d85<=10不發(fā)生四、地層組合關系單一型：多位于河流的上游，一般為砂卵（礫）石層，一般發(fā)生管涌，隨著細粒成分的增多，可能流土。雙層型：主要考慮表層粘性土的性質、厚度、完整程度。多層型：除考慮表層粘性土層外，還考慮砂層透鏡體或粘性土層透鏡體或相變等造成水力梯度的突變等原因。四、地層組合關系單一型：多位于河流的上游，一般為砂卵（礫）五、地形地貌條件溝谷切割等改變了滲流的補給、滲流的長度、出口條件等。六、工程因素施工等破壞了表層具有防滲作用的弱透水層。五、地形地貌條件六、工程因素第三節(jié)滲透變形的預測一、預測步驟1.根據土體類型和性質，判定是否容易發(fā)生滲透變形及變形的類型；2.確定土體中各點的實際水力梯度；3.確定相對于該土體的臨界水力梯度和允許水力梯度；4.判定滲透變形的可能性及其范圍。第三節(jié)滲透變形的預測一、預測步驟第三節(jié)滲透變形的預測二、滲透變形類型的確定

1.粗細顆粒比例

2.細粒物質含量

3.土的級配第三節(jié)滲透變形的預測二、滲透變形類型的確定累計曲線：Ⅰ為瀑布式管涌Ⅱ為直線式不產生管涌，在高梯度下產生流土Ⅲ為階梯式多為管涌，有時為流土累計曲線：分布曲線：呈陡峭單峰砂土一般不產生管涌，在高梯度下產生流土雙峰或多峰且缺乏中間粒徑者危險性管涌土分布曲線：

三、實際水力梯度的確定

常用方法有：水力學方法：計算及圖解——

數值計算法——三、實際水力梯度的確定理論計算法：壩后滲流溢出段的平均水力梯度（逸出梯度）：理論計算法：壩后滲流溢出段的四、臨界水力梯度與允許水力梯度的確定圖表法：四、臨界水力梯度與允許水力梯度的確定圖表法：試驗法：試驗法：第七章滲透變形工程地質研究選編課件允許水力梯度：

m—與地質條件和工程重要性有關：

砂土：m＝1.5～3.0粘性土：m＝2.5～4.0m五、滲透變形可能性判定I實>I允發(fā)生滲透變形I實<I允不發(fā)生滲透變形允許水力梯度：m—與地質條件和工程重要性有關：五、滲透變示例分析

某土壩地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游滲流出口處經計算水力坡降I實為0.2，若取m為2.5，試問該土壩地基出口處土體是否會發(fā)生流土破壞

解答如下：臨界水力坡降

由于實際水力坡降I實＝0.2＜[i]，故土壩地基出口處土體不會發(fā)生流土破壞允許水力坡降I允示例分析某土壩地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=第四節(jié)滲透變形的防治一、防治原則1.改變滲流的水動力條件，減少動水壓力即降低水力梯度。2.改變土體結構，提高抗?jié)B能力。第四節(jié)滲透變形的防治一、防治原則二、防治措施（一）垂直截滲（二）水平鋪蓋（三）排水減壓（四）反濾蓋重二、防治措施（一）垂直截滲心墻壩斜墻壩粘土截水槽示意圖（一）垂直截滲心墻壩斜墻壩粘土截水槽示意圖（二）水平鋪蓋（二）水平鋪蓋（三）排水減壓在壩后的壩腳附近設置排水溝和減壓井，它們的作用是吸收滲流和減小溢出段的實際水力梯度。

減壓井網狀排水褥墊排水貼坡排水棱體排水（三）排水減壓減壓井網狀排水褥墊排水貼坡排水棱體排水（四）背水側壓滲蓋重

當沒有必要采用封閉式垂直防滲幕墻或其造價太高時，可以采用背水側壓滲蓋重的方法，來防止堤基滲流對表土層的滲透破壞。如果所需蓋竽太長，應考慮與減壓溝井聯合使用的方法。其他的背水側滲流控制措施，對堤身高度較大的情況，可以設置兩層壓滲蓋重平臺。這種方法在堤防工程中廣為應用，效果明顯。

壓滲蓋重的形式很多，可以由不透水的變換到完全自由排水的。其形式的選擇，取決于材料的料源及每種形式的費用大小。（四）背水側壓滲蓋重第七章滲透變形工程地質研究選編課件反濾蓋重反濾層是保護滲流出口的有效措施，它既可以保證排水通暢，降低溢出梯度，又起到蓋重的作用。

典型反濾層結構圖反濾蓋重典型反濾層結構圖第七章滲透變形工程地質研究選編課件第七章滲透變形工程地質研究選編課件第七章滲透變形工程地質研究選編課件思考題1、滲透變形的產生條件？2、滲透變形的破壞模式？3、滲透變形如何防治？思考題1、滲透變形的產生條件？人有了知識，就會具備各種分析能力，明辨是非的能力。所以我們要勤懇讀書，廣泛閱讀，古人說“書中自有黃金屋?！蓖ㄟ^閱讀科技書籍，我們能豐富知識，培養(yǎng)邏輯思維能力；通過閱讀文學作品，我們能提高文學鑒賞水平，培養(yǎng)文學情趣；通過閱讀報刊，我們能增長見識，擴大自己的知識面。有許多書籍還能培養(yǎng)我們的道德情操，給我們巨大的精神力量，鼓舞我們前進。人有了知識，就會具備各種分析能力，第七章滲透變形工程地質研究選編課件滲透變形工程地質研究工程學院巖土工程與工程地質系工程學院巖土工程與工程地質系

概述滲透變形產生的條件滲透變形的預測滲透變形的防治提要概述提要第一節(jié)概述

一、概念

滲透壓力:滲透水流作用于巖土上的力，也稱滲透力。滲透變形：巖土體在地下水滲透力（動水壓力）的作用下，部分顆?；蛘w發(fā)生移動，引起巖土體的變形和破壞的作用和現象。表現為鼓脹、浮動、斷裂、泉眼、沙浮、土體翻動等。第一節(jié)概述一、概念第七章滲透變形工程地質研究選編課件

二、研究意義邊坡工程滲透變形二、研究意義邊坡工程滲透變形基坑工程滲透變形基坑工程滲透變形水庫工程滲透變形水庫工程滲透變形第七章滲透變形工程地質研究選編課件1975年8月，特大暴雨引發(fā)的淮河上游大洪水，使河南省駐馬店地區(qū)包括兩座大型水庫在內的數十座水庫漫頂垮壩，1100萬畝農田受到毀滅性的災害，1100萬人受災，超過2.6萬人死亡，縱貫中國南北的京廣線被沖毀102公里，中斷行車18天，影響運輸48天，經濟損失近百億元。1975年8月，特大暴雨引發(fā)的淮河上游大洪水，使河南省駐馬店駐馬店地區(qū)的水庫建設蜂擁而上：1957—1969年代，新建水庫200多座，由于片面重視蓄水，忽視防洪，導致隱患四伏。板橋水庫和石漫灘水庫興建于1950年代。駐馬店地區(qū)的水庫建設蜂擁而上：1957—1969年代，新建水潰壩事故潰壩事故工程滲透變形工程滲透變形堤岸

1998年長江洪水險情以滲流險情最為普遍，沿長江6000余處險情中就有400余處屬滲流險情。其中管涌被視為險中之險。一般來說，長江中下游平原沖積地層，上面是粘性土；往下是粉砂、細砂等，砂層間也有粘性土夾層的，再往下則是砂礫及卵石等強透水層，在河床中露頭與河水相通。在汛期高水位時由于滲水流經強透水層壓力損失很小，堤內數百米范圍內粘土層下面仍承受很大的水壓力，如果這股水壓力，沖破了粘土層，下面的粉砂、細砂就會隨水流出（在沒有反濾層保護的情況下），從而發(fā)生管涌。堤岸1998年長江洪水險情以滲流險情最為普

2003年7月1日凌晨4時，正在施工中的上海軌道交通4號線（浦東南路至南浦大橋）區(qū)間隧道浦西聯絡通道發(fā)生滲水，隨后大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。上午9時左右，地面建筑物中山南路847號一幢八層樓房發(fā)生傾斜，其裙房部分倒塌。由于報警及時，所有人員提前撤出，無人員傷亡。

2003年7月1日凌晨4時，正在施工中的上海軌道三、滲透變形的類型1.管涌：在滲流作用下，細顆粒沿土體骨架中的孔道發(fā)生移動帶走的現象，又稱潛蝕。根據滲透方向與重力方向的關系：垂直管涌水平管涌三、滲透變形的類型1.管涌：在滲流作用下，細顆粒沿土體骨架中2.流土：在滲透作用下，土體中的顆粒群或團塊同時發(fā)生移動的現象。常發(fā)生于均質砂土層和亞砂土層中。2.流土：在滲透作用下，土體中的顆粒群或團塊第二節(jié)滲透變形產生的條件一、滲透變形的必要條件1、存在可能被滲流帶走的松軟土石2、具備強烈的水動力條件3、存在滲流出逸的臨空條件第二節(jié)滲透變形產生的條件一、滲透變形的必要條件3.接觸沖刷：滲流沿著滲透系數相差懸殊的兩種土層接觸面帶走細顆粒的現象。常發(fā)生于漂石和卵石等巨粒土與砂類土和粉土接觸處。

當水流沿兩層土接觸面方向流動時，因前者滲透系數和流速遠大于后者，細顆粒易被水流沖刷帶走。3.接觸沖刷：滲流沿著滲透系數相差懸殊的兩種土層接觸面帶走細4.接觸流失：滲流垂直滲透系數相差懸殊的兩種土層接觸面，將細粒土層的顆粒帶到粗粒層中的現象。反濾層設計不當或施工不當時，在滲流作用下，被保護圖層的顆粒被帶到反濾層中。

接觸沖刷和接觸流失多以單個顆粒獨立運動為主。

管涌和流土是主要破壞形式。4.接觸流失：滲流垂直滲透系數相差懸殊的兩種土層接觸面，將細第二節(jié)滲透變形產生的條件二、滲流的動水壓力及臨界水力梯度流入：pA=h1wgdw

流出：pB=h2wgdw

滲透壓力：dP=pA-pB=dww·dh·g第二節(jié)滲透變形產生的條件二、滲流的動水壓力及臨界水力土體水下重量dQ=dW-dF=(sat-)·g·dl·

dw=’

·g·dl·

dw動水壓力（D）：單位體積土層所受的滲透壓力浮容重土體水下重量dQ=dW-dF=(sat-)·當dP=dQ時，單元體處于臨界懸浮狀態(tài)，即將發(fā)生流土。此時滲流的水力梯度為臨界水力梯度Icr

——土的抗?jié)B強度的大小。在滲流作用下，土粒開始發(fā)生移動時的水力坡度。則有：dw·dh·g=’

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dwdh/dl=’/Icr=dh/dl=’/Icr=’=(s-1)(1-n)太沙基公式土粒越密實，n越小，Icr

越大，土體越不容易發(fā)生滲透變形。當dP=dQ時，單元體處于臨界懸浮狀態(tài)，即將發(fā)生流土。Icr

但太沙基公式未考慮土體本身的抗剪強度，所以實測的各種土的臨界梯度往往較上述公式計算結果偏大。所以有必要進行修正。

管涌的Icr的求取較為復雜，一般通過圖表法或試驗測定。但太沙基公式未考慮土體本身的抗剪強度，所以三、土體性質與滲透變形類型土體結構包括了土中粗細顆粒直徑比例、細粒物質含量、土的級配等。1.粗細顆粒直徑比例細粒從空隙中流動最優(yōu)比例：d0/d≥8天然無粘性土n=0.395D/d0=2.5因此D/d>=20有利于管涌d0

：孔隙直徑d：細顆粒直徑D：粗顆粒直徑

土體的排列方式決定著D/d0

的值：

當排列疏松時，D/d0

減小，有利于滲透變形

當排列密實時，D/d0

增大，不利于滲透變形

三、土體性質與滲透變形類型1.粗細顆粒直徑比例d0：孔隙直2.細顆粒的含量用細顆粒含量來判別雙峰型礫土的滲透變形型式：>35%流土<25%管涌=25%～35%流土或管涌，取決于礫土的密實度及細顆粒的組成

中等以上密實度、不均勻系數較小的細粒土，發(fā)生流土。細顆粒成分中粘粒含量增加，可增大土的凝聚力，土的抗?jié)B強度增加，不易發(fā)生滲透變形。

2.細顆粒的含量用細顆粒含量來判別雙峰型礫土3.土的級配特征：不均勻系數Cu=d60/d10Cu<10流土Cu>20管涌Cu＝10～20流土或管涌3.土的級配特征：Cu<10流土不發(fā)生接觸流失的條件：Cu<5且D15/d85<=10或Cu<=10且且D20/d70<=7不發(fā)生接觸沖刷的條件：雙層土結構：D10/d10<=10且兩層土的不均勻系數均滿足Cu<=10Cu<5且D15/d85<=10不發(fā)生四、地層組合關系單一型：多位于河流的上游，一般為砂卵（礫）石層，一般發(fā)生管涌，隨著細粒成分的增多，可能流土。雙層型：主要考慮表層粘性土的性質、厚度、完整程度。多層型：除考慮表層粘性土層外，還考慮砂層透鏡體或粘性土層透鏡體或相變等造成水力梯度的突變等原因。四、地層組合關系單一型：多位于河流的上游，一般為砂卵（礫）五、地形地貌條件溝谷切割等改變了滲流的補給、滲流的長度、出口條件等。六、工程因素施工等破壞了表層具有防滲作用的弱透水層。五、地形地貌條件六、工程因素第三節(jié)滲透變形的預測一、預測步驟1.根據土體類型和性質，判定是否容易發(fā)生滲透變形及變形的類型；2.確定土體中各點的實際水力梯度；3.確定相對于該土體的臨界水力梯度和允許水力梯度；4.判定滲透變形的可能性及其范圍。第三節(jié)滲透變形的預測一、預測步驟第三節(jié)滲透變形的預測二、滲透變形類型的確定

1.粗細顆粒比例

2.細粒物質含量

3.土的級配第三節(jié)滲透變形的預測二、滲透變形類型的確定累計曲線：Ⅰ為瀑布式管涌Ⅱ為直線式不產生管涌，在高梯度下產生流土Ⅲ為階梯式多為管涌，有時為流土累計曲線：分布曲線：呈陡峭單峰砂土一般不產生管涌，在高梯度下產生流土雙峰或多峰且缺乏中間粒徑者危險性管涌土分布曲線：

三、實際水力梯度的確定

常用方法有：水力學方法：計算及圖解——

數值計算法——三、實際水力梯度的確定理論計算法：壩后滲流溢出段的平均水力梯度（逸出梯度）：理論計算法：壩后滲流溢出段的四、臨界水力梯度與允許水力梯度的確定圖表法：四、臨界水力梯度與允許水力梯度的確定圖表法：試驗法：試驗法：第七章滲透變形工程地質研究選編課件允許水力梯度：

m—與地質條件和工程重要性有關：

砂土：m＝1.5～3.0粘性土：m＝2.5～4.0m五、滲透變形可能性判定I實>I允發(fā)生滲透變形I實<I允不發(fā)生滲透變形允許水力梯度：m—與地質條件和工程重要性有關：五、滲透變示例分析

某土壩地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游滲流出口處經計算