1、第四章 滲透變形工程地質(zhì)研究,4.1 概述 4.2 滲透變形的類(lèi)型與特點(diǎn) 4.3 滲透變形產(chǎn)生的條件 4.4 滲透變形的預(yù)測(cè) 4.5 滲透變形的防治,4.1 概述,1、滲透壓力（動(dòng)水壓力） 滲透水流作用于巖土上的力，稱(chēng)滲透壓力或動(dòng)水壓力。 2、滲透變形 當(dāng)此力達(dá)到一定值時(shí)，巖土中一些顆粒甚至整體就會(huì)發(fā)生移動(dòng)而被滲流攜走，從而引起巖土的結(jié)構(gòu)變松，強(qiáng)度降低，甚至整體發(fā)生破壞。這種工程動(dòng)力地質(zhì)作用或現(xiàn)象。稱(chēng)之為滲透變形或滲透破壞。,需要具備的地質(zhì)條件,1、在自然界中，滲透變形一般發(fā)生在無(wú)粘性土和粉土。 2、更多的滲透變形現(xiàn)象則是發(fā)生在工程場(chǎng)地中，它不但在松散土體中發(fā)生，在基巖的斷裂破碎帶、軟弱夾層和

2、風(fēng)化殼中也可能發(fā)生。 如基坑和巷道開(kāi)挖時(shí)的流沙現(xiàn)象，覆蓋型巖溶區(qū)礦山疏干排水或汲取地下水產(chǎn)生的地面塌陷，水壩壩基的管涌等。 3. 滲透變形現(xiàn)象在壩工建設(shè)中尤為引人關(guān)注。 4. 滲透變形也給礦山作業(yè)和地下巷道開(kāi)拓帶來(lái)危害。,一、潛蝕 二、流土,4.2 滲透變形的類(lèi)型與特點(diǎn),一、潛蝕,潛蝕：在滲流作用下單個(gè)土顆發(fā)生獨(dú)立移動(dòng)的現(xiàn)象，稱(chēng)潛蝕或管涌。,潛蝕產(chǎn)生的地質(zhì)條件,潛蝕較普遍地發(fā)生存不均勻的砂層或砂卵(礫)石層中，細(xì)粒物質(zhì)從粗架骨架孔隙中被滲流攜走，使土層的孔隙和孔隙度增大，強(qiáng)度降低，發(fā)展下去會(huì)呈現(xiàn)“架交結(jié)構(gòu)”，接受造成地面塌陷。,潛蝕分類(lèi),潛蝕包括機(jī)械潛蝕和化學(xué)潛蝕兩種。 機(jī)械潛蝕：是指滲流的機(jī)

3、械沖刷力把細(xì)小的土顆粒攜走，而較大顆粒仍留在原處。 化學(xué)潛蝕：當(dāng)土中含有可溶鹽類(lèi)的顆?；蚰z結(jié)物時(shí)，水流溶蝕了它們，使土的結(jié)構(gòu)變松，孔隙度增大，水流的滲透能力加強(qiáng)，這就是化學(xué)潛蝕。,工程中的潛蝕,根據(jù)滲透方向與重力力方向的關(guān)系，可將管涌分為垂直管涌和水平管涌?jī)煞N。如圖所示，壩后地下水溢出段的翻砂現(xiàn)象即是垂直管涌；而水平管涌則發(fā)生在壩基底下。,土石壩壩基滲流示意圖,接觸管涌：當(dāng)粗、細(xì)顆粒土層互相疊置時(shí)，在它們接觸面上的滲流作用下所發(fā)生的管涌。 按滲流方向與接觸面的關(guān)系，分為垂直接觸管涌和平行接觸管涌?jī)煞N。抽水井孔若成井工藝較差，井周砂礫石層中的細(xì)顆粒就會(huì)向井管外反濾料管涌，而隨水流抽出井外。這種現(xiàn)

4、象即為垂直接觸管涌,砂粒向井管外反濾料的管涌,二、流土,1、流土：在滲流作用下一定體積的土體同時(shí)發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象，稱(chēng)流土或流沙。 2、流土一般發(fā)生在均質(zhì)砂土層或粉土中。 3、流土的危害性較管涌大，它可使土體完全喪失強(qiáng)度。這種現(xiàn)象一般在工程場(chǎng)地中發(fā)生。如在飽水粉、細(xì)砂土和粉土中開(kāi)挖基坑或地下巷道。 4、潛蝕和流土是可以轉(zhuǎn)化的，潛蝕的發(fā)展、演化，往往可以轉(zhuǎn)化為流土。,本節(jié)小結(jié),一、潛蝕 二、流土 潛蝕與流土定義，關(guān)系，工程上的應(yīng)用,4.3 滲透變形產(chǎn)生的條件,一、滲流的動(dòng)水壓力及臨界水力梯度 二、土的抗?jié)B強(qiáng)度-結(jié)構(gòu)特性,一、滲流的動(dòng)水壓力及臨界水力梯度,滲透力（動(dòng)水壓力）：地下水在松散土體中滲流時(shí)，

5、由于水質(zhì)點(diǎn)之間以及水流與土粒之間摩擦阻力的作用，產(chǎn)生水頭損失，因而沿土粒周?chē)鷿B流的水頭將下降，也即滲流水壓力將下降。此時(shí)每一個(gè)土顆粒在水頭差作用下承受了來(lái)自水流的滲透力即動(dòng)水壓力,滲透壓力示意圖,水壓力即為滲流因摩擦阻力而受到的水頭損失，它習(xí)慣上是以作用于單位體積土體上的水壓力來(lái)表征的，即,在水流由下往上滲透時(shí)，一旦當(dāng)動(dòng)水壓力與土體的水下重量相等，土體將處于懸浮狀態(tài)而發(fā)生流土。此時(shí)滲流的水力梯度即為臨界水力梯度Icr即,(s-1)(1-n)，,式中：s為土粒密度；n為孔隙率,Icr(s-1)(1-n)，,上式即為著名的太沙基公式。按公式可知：土粒的密度愈大，孔隙率愈小，則臨界水力梯度愈大，也即

6、土體愈不易發(fā)生滲透變形(流土) 由于砂土和粉土的土粒密度為2.65t/m3左右，其孔隙率大致為30%一50，所以臨界水力梯度均在0.8-1.2之間。,二、土的抗?jié)B強(qiáng)度-結(jié)構(gòu)特性,土體抗?jié)B強(qiáng)度取決其本身的結(jié)構(gòu)，制約滲透變形發(fā)生的土體結(jié)構(gòu)特性，包括 (一)粗細(xì)粒徑的比例 (二)細(xì)顆粒的含量 (三)土的級(jí)配特征 (四)宏觀(guān)地質(zhì)因素和工程因素,(一)粗細(xì)粒徑的比例,1、只有當(dāng)土中細(xì)顆粒的粒徑d小于顆粒的骨架孔隙直徑d0時(shí)，才能發(fā)生潛蝕。 最優(yōu)比值為：d0/d8 有利于發(fā)生潛蝕的粗細(xì)粒徑比例D/d20 2、砂土顆粒粒徑與其孔隙比值的大小，與顆粒的排列方式關(guān)系極大 。 土愈疏松，則細(xì)小顆粒在孔隙個(gè)隨滲流運(yùn)

7、動(dòng)愈順暢；愈緊密則只能允許更細(xì)小的顆粒通過(guò)。這就是說(shuō)，土愈疏松就愈易產(chǎn)生滲透變形,(二)細(xì)顆粒的含量,1、天然無(wú)粘性土顆粒組成相當(dāng)復(fù)雜，其分布曲線(xiàn)有單峰型、雙峰型和多峰型。,2、實(shí)驗(yàn)資料證實(shí)，當(dāng)細(xì)粒含量達(dá)20-30時(shí)，產(chǎn)生滲透變形所需的水力梯度值急劇增大。,用細(xì)顆粒含量百分?jǐn)?shù)來(lái)判別雙峰型礫土的滲透變形型式,1、當(dāng)細(xì)顆粒含量35時(shí)，為流土; 2、當(dāng)粗顆粒含量25時(shí)，為潛蝕； 3、當(dāng)細(xì)顆粒含量在25%-35之間時(shí)，流土和潛蝕均可能發(fā)生，主要取決于礫土的密實(shí)程度及細(xì)顆粒的組成。中等以上密實(shí)度、細(xì)顆粒的不均粒系數(shù)較小的礫土，一般發(fā)生流土，反之為潛蝕。 4、細(xì)顆粒成分中粘粒含量的增加可增大土的凝聚力，因

8、而增大了土的抗?jié)B強(qiáng)度，使之不易產(chǎn)生滲透變形。,(三)土的級(jí)配特征,土的級(jí)配特征可用土的不均粒系數(shù)Cu表示 。Cu值愈大，說(shuō)明土愈不均勻，級(jí)配愈好。 當(dāng)Cu10時(shí)，主要型式是流土； 當(dāng)Cu20時(shí)，主要型式是潛蝕； 當(dāng)Cu在10一20之間時(shí)，流土和潛蝕均可能發(fā)生。,(四)宏觀(guān)地質(zhì)因素和工程因素,1、宏觀(guān)地質(zhì)因素包括地層結(jié)構(gòu)和地形地貌條件兩個(gè)方面。 （1）地層結(jié)構(gòu) 單一型、雙層型、多厚層型和多薄層型等 （2）地形地貌 2、工程因素 主要指的是滲流出口的保護(hù)問(wèn)題,4.4 滲透變形的預(yù)測(cè),1、首先根據(jù)土體的類(lèi)型和性質(zhì)，判定是否會(huì)產(chǎn)生滲透變形及滲透變形的類(lèi)型 2、隨后確定壩基各點(diǎn)，主要是下游壩腳處的實(shí)際水

9、力梯度 3、確定臨界水力梯度和允許水力梯度 4、根據(jù)實(shí)際水力梯度與允許水梯度的比較，圈定出可能發(fā)生滲透變形的范圍,一、判定滲透變形的可能性及類(lèi)型,1、首先應(yīng)分析壩基地層結(jié)構(gòu)和地形地貌條件 2、初步判定可能產(chǎn)生滲透變形的地段 3、根據(jù)顆粒分析資料繪制的累積曲線(xiàn)和分布曲線(xiàn) 4、計(jì)算出不均粒系數(shù)和細(xì)顆粒的百分含量判別滲透變形的類(lèi)型。,顆粒分析曲線(xiàn)形式與滲透變形類(lèi)型,二、確定壩基各點(diǎn)的實(shí)際水力梯度,1、理論算法,雙層結(jié)構(gòu)壩基示意圖,2、繪制流網(wǎng)法,單層均質(zhì)禹向同性透水層壩基滲透流網(wǎng)圖,雙層結(jié)構(gòu)壩基滲透流網(wǎng)圖,三、確定臨界水力梯度和允許水力梯度,1、工程等級(jí)較低或初期勘察階段，可采用圖表法估計(jì)臨界水力梯

10、度； 2、而工程等級(jí)較高或后期勘察階段，則應(yīng)采用試驗(yàn)法直接確定臨界水力深度。,1、圖表法,（1）砂土和砂礫土管涌臨界水力梯度，可采用細(xì)顆粒含量與滲透破壞坡降關(guān)系曲線(xiàn)求得臨界水力梯度(即滲透破壞坡降)。,滲透破壞梯度與細(xì)粒含量關(guān)系圖,當(dāng)它們的不均粒系數(shù)小于1：20。滲透變形型式為流土?xí)r，則可采用臨界水力坡度與不均粒系數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)求取,臨界水力梯度與不均粒系數(shù),可參考滲透系數(shù)與臨界水力梯度關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)求取臨界水力梯度。,滲透系數(shù)與臨界梯度關(guān)系曲線(xiàn),試驗(yàn)法是測(cè)定臨界水力梯度最直接、可靠的方法，有室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)兩種,本節(jié)小結(jié),1、了解土體的類(lèi)型和性質(zhì)，判定是否會(huì)產(chǎn)生滲透變形及滲透變形的類(lèi)型 2、隨后確

11、定壩基各點(diǎn)，主要是下游壩腳處的實(shí)際水力梯度 3、確定臨界水力梯度和允許水力梯度 4、根據(jù)實(shí)際水力梯度與允許水梯度的比較，圈定出可能發(fā)生滲透變形的范圍,4.5 滲透變形的防治,一、建筑物基坑及地下巷道施工時(shí)流沙的防治措施 二、汲水井防止管涌的措施 三、土石壩防治滲透變形的措施,一、建筑物基坑及地下巷道施工時(shí)流沙的防治措施 1、建筑物基坑主要采取人工降低潛水位的辦法，使?jié)撍坏陀诨拥装?。也可采用板樁防護(hù)墻施工。 2、水平巷道、豎井開(kāi)挖遇流沙時(shí)，可采用特殊的施工方法，如水平巷道可采用盾構(gòu)法施工。豎井可采用沉井式支護(hù)掘進(jìn)。也有采用凍結(jié)法或電動(dòng)硅化法等改善砂土性質(zhì)的辦法，使施工順利進(jìn)行,二、汲水井防止

12、管涌的措施,（1）在過(guò)濾管與井壁間隙內(nèi)充填反濾料，以保護(hù)滲流出口。反濾料的粒徑選擇，必須要考慮到被保護(hù)含水層中管涌顆粒的大小，使細(xì)顆粒不能通過(guò)反濾料的孔隙為原則。 （2）過(guò)濾管外若纏繞絲網(wǎng)的話(huà)，要選擇合適的網(wǎng)眼直徑。 （3）非主要含水層的管涌土層，應(yīng)采用止水措施將其與過(guò)濾管隔絕。,三、土石壩防治滲透變形的措施,興建于松散土體上的土石壩，防治滲透變形的主要措施有：垂直截滲、水平鋪蓋、排水減壓和反濾蓋重四項(xiàng)。 （一）垂直截滲 （二）水平鋪蓋 （三） 排水減壓 （四） 反濾蓋重,（一）垂直截滲,（2）灌漿帷幕適用于大多數(shù)松散土體壩基。砂卵石壩基一般采用水泥和粘土的混合漿灌注，而中細(xì)砂層必須采用化學(xué)漿液(丙凝)灌注。由于灌漿壓力較大，故這種方法最好在沖積層較厚的情況下使用。 （3）混凝土防滲墻適用于砂卵石