工程地质学课件渗透变形工程地质研究

1 Ch4渗透变形工程地质研究 1概述 2渗透变形的类型与特点 3渗透变形产生的条件 4渗透变形的预测 5渗透变形的防治 2 1概述 1 渗流地下水在岩石空隙 中的运动称为渗流 渗透 渗流是在与介质发生密切联系的条件下进行的 由于受到介质的阻滞 水的运动远比地表水缓慢 2 渗透压力渗透水流作用于岩土上的力 称渗透压力或动水压力3 渗透变形当渗透压力达到一定值时 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 甚至整体发生破坏的工程动力地质作用或现象 3 1概述 在自然界中 渗透变形一般发生在无粘性土和粉土中 如河流岸坡或阶地上的碟形洼地 覆盖型岩溶区的 土洞 和陷穴 以及黄土 喀斯特 现象等 更多的渗透变形现象是发生在工程场地中 由于人类工程活动使渗流加强 往往导致危害严重的渗透变形发生 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 4 1概述 渗透变形现象在坝工建设中尤为引人关注 这是因为建坝后促使河谷地段地下水的渗流大大加强 经常引起坝基松散沉积物或软弱岩体发生变形破坏 以致酿成溃坝的严重后果 美国破坏的土石坝中 有40 是坝基或坝体渗透变形造成的 我国水利水电科学研究院于1974调查了33座坝身有缺陷的土石坝 其中属渗透变形的约占60 5 6 湖南省群英水库坝角漏水 坝址位于湖南省临澧县城北 自 年 坝外坡散浸逐年扩大 产生渗透变形 严重影响大坝安全 大坝下游铺设毛细式透导水膜 排水带 运行约 年时间 导水膜畅通自如 下游埋设导水膜渗出的水流清澈 无颗粒带出 且渗水是随库水位增减 且是重做砂卵石块反滤体工程造价十分之一 7 1渗透变形的类型与特点 目前国内外对渗透变形类型的划分和术语名称尚未统一 但一般来说可以划分为潜蚀和流土两种基本型式 8 一 管涌 piping 或潜蚀 1 定义 在渗流作用下单个土颗粒发生独立移动的现象 称潜蚀或管涌管涌较普遍地发生在不均匀的砂层或砂卵 砾 石层中 细粒物质从粗粒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 发展下去使土体呈现 架空结构 甚至造成地面塌陷 9 一 管涌 piping 或潜蚀 2 机械潜蚀和化学潜蚀机械潜蚀 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 化学潜蚀与岩溶不同 因为渗透的机械冲刷是主要的 化学溶蚀是从属的 为机械潜蚀的加强创造条件 10 一 管涌 piping 或潜蚀 3 分类根据渗透方向与重力方向的关系 将管涌分为 垂直管涌水平管涌 土石坝坝基渗流示意图 坝前的渗流对土层起压密作用 不致于发生渗透变形 坝后的渗流对土颗粒起上托作用 使之易于松动 悬浮 被携出地表 为垂直管涌 坝底下的细粒物质从粗颗粒骨架孔隙中被渗流携走 为水平管涌 渗流方向 在坝前 上游 由上向下 与重力方向一致 在坝底为水平方向 渗流方向在坝后 下游 由上向下 与重力方向相反 12 一 管涌 piping 或潜蚀 4 接触管涌定义 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分类 按渗流方向与接触面的关系垂直接触管涌 在垂直于土层接触面的渗流作用下 细粒土层的大颗粒向粗颗粒土层孔隙移动的现象 平行接触管涌 在平行于粗粒 细粒土层接触面的渗流作用下 由于粗粒土层的渗透速度比细粒土层的渗透速度大得多 而使接触面附近的细粒土层中的颗粒被携走的现象 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 14 塑料盲沟 软式透水管 透水管 透水半管 以减小地下水压力 排除多余水份 保护土体和建筑物不会因产生渗透变形而破坏 15 16 二 流土 quicksoilquicksand 1 定义 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 流土一般发生在均质砂土层或粉土中 流土的危害性较管涌大 它可使土体完全丧失强度 管涌的发展演化 往往转化为流土 17 3渗透变形产生的条件 一 必要条件引起渗透变形的动力因素是动水压力 一旦当渗流的动水压力达到岩土的抗渗强度时 就会发生渗透变形 抗渗强度 岩土抵抗渗透水流作用的能力 18 一 必要条件 1 渗流的动水压力及临界水力梯度地下水在松散土体中渗流时 土颗粒与水流围绕接触 由于水流流线之间以及水流与土颗粒接触面上摩擦阻力的作用 使得水流产生水头损失 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 假设渗透水流流经一单元土体长度为dl断面积为dw上下界面的水头差为dh 动水压力数学表达式推导 则此单元土体承受的水压力dP为dP w g dh dw式中 w为水的密度 g为重力加速度dP即为渗流因摩擦阻力而受到的水头损失 习惯以作用于单位体积土体上的水压力来表征 即D dP dw dl w g ID即为动水压力 I为渗流的水力梯度I dh dl 单位长度上的水头差 动水压力的方向与渗流方向一致 当 w 9 8kN m3 则D I g kN m3 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Icr w w g Icr g Icr w w 9 8kN m3 Icr s 1 1 n Icr s 1 1 n 为土体的水下密度 s为土粒密度 n为孔隙率 由于砂土和粉土的土粒密度为1g cm3左右 其孔隙率大致为30 50 所以临界水力梯度均在0 8 1 2之间 修正公式 太沙基公式未考虑到土体本身强度 即抗剪强度参数C 值 的影响 所以实测的Icr值一般较公式计算的要大些 尤其当土的结构较密实以及土中粘粒含量较多时 差值更大 为此 E A 札马林建议给予修正 即Icr s 1 1 n 0 5n我国有些水利部门考虑到土体的抗剪强度 建议采用Icr w 1 tg c w g 为土的侧压力系数 为土的内摩擦角 C为单位土体的凝聚力 kPa 23 一 必要条件 2 影响土的抗渗强度 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 1 土中粗细颗粒直径比例 2 细粒物质的含量 3 土的级配特征 24 1 土中粗细颗粒直径比例 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 才会发生管涌 最优比值为 d0 d 8 一般天然无粘性土均为混粒结构 孔隙率多为n 39 5 大颗粒粒径D与其孔隙d0的比D d0 2 5 所以有利于发生潜蚀的粗细粒径比例D d 20 25 1 土中粗细颗粒直径比例 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 假定土粒为等粒球体 若为立方体排列最疏松 孔隙率n 47 6 D d0 2 4 若为四面体排列最紧密 n 25 9 D d0 6 4 显然 土愈疏松 则细小颗粒在孔隙中随渗流运动愈顺畅 愈紧密则只能允许更细小的颗粒通过 26 2 细粒物质的含量 天然无粘性土的颗粒组成相当复杂 其分布曲线有单峰型 双峰型和多峰型 目前对渗透变形意义较大的双峰型土作了不少研究工作 这种土的特点是在其颗粒组成分布曲线上具有两个峰点 并在峰点之间有一明显 断裂点 因此 可以认为这种土是由粗 细两组颗粒构成的 双峰型土颗粒组成分布曲线 点断线 及累计曲线 实线 渗透破坏梯度与细粒含量关系图 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 但当细粒含量小于20 时 临界梯度小于0 5 较公式计算值0 8 1 2小得多 可能是由于土的结构和孔隙不均一的缘故 29 2 细粒物质的含量 用细颗粒含量百分数来判别双峰型砾土的渗透变形型式 当细颗粒含量 35 时 为流土 当细颗粒含量 25 时 为潜蚀 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 细颗粒成分中粘粒含量的增加 不易产生渗透变形 30 3 土的级配特征 土的级配特征用土的不均粒系数Cu表示 Cu值愈大 说明土愈不均匀 级配愈好Cu20时 主要型式是潜蚀 Cu在10 20之间时 流土和潜蚀均可能发生 临界水力梯度与土不均粒系数曲线 32 3渗透变形产生的条件 二 充分条件在具备渗透变形产生的必要条件前提下 渗透变形现象是否会产生 由宏观地质因素和工程因素来决定 33 1 宏观地质因素 1 地层组合 地层结构对渗透变形的影响 在坝基下表现最为明显 2 地形地貌条件 34 a 单一型地层结构 大多位于河流的上游地段 一般为砂卵 砾 石层 厚度较小 往往产生管涌型渗透变形 其强烈程度则取决于土中细颗粒成分的含量 若粗粒骨架孔隙中细粒成分较多 且被渗流不断携走时 则会产生强烈管涌 甚至转化为流土 35 b 双层和多厚层地层结构 双层和多厚层地层结构多位于河流的中游地段 其渗透变形是否会产生 主要取决于表层粉土 粘性土的性质 厚度和完整程度 如果表层粉土 粘性土较厚而完整 且抗剪强度较大时 即使下层砂砾石的水力梯度较大 也不易产生渗透变形 如果表层粉土 粘性土较薄或不完整 且位于坝下游地下水溢出段时 顶部可能发生流土而形成破坏区 下层的管涌或流土可相继发生 如果下层的砂砾石层由坝上游向下游逐渐变厚 由于过水断面增大而削减了动水压力 不易产生渗透变形 反之 如果砂砾石层向下游逐渐变薄甚至尖灭 则由于动水压力逐渐增大而易于产生渗透变形 36 c 多薄层地层结构 多薄层地层结构一般位于河流下游地段 由细砂土 粉土和粘性土互相叠置组成 单层厚度不大 且多相变和尖灭现象 产生渗透变形主要取决于表层是否存在粘性土 及其性质 厚度和完整程度 37 2 地形地貌 主要表现在沟谷切割影响渗流的补给 渗径长度和渗流出口条件等方面 若坝体上 下游的沟谷将弱透水的表土层切穿 有利于渗流的补给 并使渗径缩短而加大水力梯度 如果下游地下水溢出段的渗流出口临空 则极有利于渗透变形的产生 古河道分布控制了地层结构和岩性变化 对渗流补给和排泄条件有很大影响 在古河道上布设水利或汲水工程时 应充分注意渗透稳定性问题 38 2 工程因素 工程因素主要指的是渗流出口的保护问题 土石坝和汲水井的渗流出口处 若任其临空而不加保护 则最易产生渗透变形库水位的急剧消落施工破坏坝前表面弱透水层建筑物底面轮廓渗流出口段必须要设置反滤层 料 使渗流既能顺畅地溢出 土层又不致于变形破坏 39 4渗透变形的预测 渗透变形预测是渗透稳定性评价的主要内容 在工程兴建以前 通过勘测了解建筑场地工程地质条件 结合工程的特点预测渗透变形的可能性 以便采取相应的防治措施 保障建筑物的安全 40 渗透变形的预测步骤 1 根据土体的类型和性质 判定是否会产生渗透变形及渗透变形的类型2 确定坝基各点 主要是下游坝脚处的实际水力梯度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力梯度的比较 圈定出可能发生渗透变形的范围 41 一 判定渗透变形的可能性及类型 1 分析坝基地层结构和地形地貌条件 初步判定可能产生渗透变形的地段 2 根据颗粒分析资料绘制的累积曲线和分布曲线 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 也可根据累积曲线和分布曲线的形状来判定 累积曲线 凡属 瀑布式 者 1 产生管涌 凡属 直线式 者 II 不产生管涌 而在较高的梯度下产生流土 凡属 阶梯式 者 III 多为管涌 有时为流土 曲线向细粒方向缓坡延长者管涌 较大角度与横坐标相交者流土 43 二 确定坝基各点的实际水力梯度 由于坝基地层结构和各层渗透系数的变化 水库蓄水后大坝上下游水头差的不同 以及坝基轮廓的差异等因素制约 坝基下实际水力梯度的分布是比较复杂的 目前确定坝基实际水力梯度的方法有理论计算法 绘制流网的图解法 水电比拟法及观测法等 水平流情况下 坝后渗流溢出段的平均水力梯度 溢出梯度 坝基下水平渗流段的平均水力梯度可按直线比例法确定 H3 H4分别为上 下游坝脚处下层土的测压水位 47 三 确定临界水力梯度和允许水力梯度 确定临界水力梯度的方法 理论计算法图表法试验测定法根据渗透变形的类型 工程重要性和不同勘察阶段等采用 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梯度 理论计算法仅适用于流土类型根据土的类型及其密实程度 选择不同的计算公式管涌土由于细颗粒在粗颗粒骨架孔隙中单独运动时受力条件比较复杂 目前尚无理想的计算公式 一般采用图表法或直接试验法确定临界水力梯度 49 1 图解法求取临界水力梯度 1 管涌临界水力梯度 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 2 当不均粒系数 Cu 小于20 渗透变形型式为流土时 采用临界水力梯度与不均粒系数关系曲线求取 3 参考渗透系数与临界水力梯度关系曲线求取临界水力梯度 渗透系数与临界梯度关系曲线 51 2 试验法求取临界水力梯度 试验法是测定临界水力梯度最直接 可靠的方法室内试验现场试验 准确 昂贵 52 渗透变形试验 53 允许水力梯度 1 概念 临界水力梯度除以安全系数m2 m值的确定 根据地质条件复杂程度和工程重要性考虑 一般砂土 m 1 5 2 粉土和粘性土 m 2 5 4重要建筑物取高限 普通建筑物取低限危险性较大的发展型管涌土 m值取高限 54 5渗透变形的防治 原则 改变渗流的动力条件保护渗流出口改善土石性质 55 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 2 板桩防护墙3 水平巷道采用盾构法施工4 竖井采用沉井式支护掘进 56 二 汲水井防止管涌的措施 主要措施 在过滤管与井壁间隙内充填反滤料 保护渗流出口 反滤料的粒径选择 考虑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 又能顺畅排泄水流 过滤管外若缠绕丝网 选择合适的网眼直径 非主要含水层的管涌土层 采用止水措施将其与过滤管隔绝 57 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反滤盖重 58 一 垂直截渗 常用的方法有 1 粘土截水槽2 灌浆帷幕3 混凝土防渗墙 59 1 粘土截水槽 常用于透水性很强 抗管涌能力差的砂卵石坝基 它必须与坝体的防渗结构搭接在一起 并做到下伏隔水层中 形成一个封闭系统 粘土截水槽示意图 a 心墙坝 b 斜墙坝 61 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中细砂层必须采用化学浆液灌注 由于灌浆压力较大 最好在冲积层较厚的情况下使用 62 3 混凝土防渗墙 适用于砂卵石坝基 63 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 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 铺盖的长度 l 和厚度 t 可通过计算确定 水平铺盖措施只是加长渗径而减小水力梯度 它不能完全截断渗流 应注意铺盖被库水水头击穿而失效 防渗铺盖示意图 65 三 排水减压 在坝后的坝脚附近设置排水沟和减压井作用 吸收渗流和减小溢出段的实际水力梯度 66 四 反滤盖重 反滤层是保护渗流出口的有效措施保证排水通畅降低溢出梯度盖重作用 排水孔反滤层结构 68 防汛抢险工程 江河湖海堤防是目前防御洪水的主要工程措施之一 由于历史或其他原因 现在堤防的堤身和地基存在着各种不同的隐患 一旦汛期出现险情 就必须进行紧急抢险 其中抢险材料与抢险技术是两个重要环节 防汛抢险所面临的局面往往是险情迫在眉睫 因此要求所采用的材料质量轻 易于搬运 不易腐烂 而且施工简便 效果立竿见影 69 1991年 长江中下游 太湖流域发生了严重洪涝灾害 主要是涝灾 在防汛抢险中使用物料方面和以往相比有一个很大的变化 安徽 江苏两省农民 市民白筹使用了6000多万条曾装过化肥的编织袋 用这些袋子装土配合非织造土工织物 织造土工织物 麻袋 草袋 木椿等抢筑了很多子堤 处理了溃口 漏洞 崩岸与内脱坡等险情 赢得了时间 减少了灾害造成的损失 70 1998年 长江和嫩江 松花江发生特大洪水 水位之高 时间之长 范围之广是历史上罕见的 长江发生了继1954年以来又一次全流域大洪水 先后出现8次洪峰 高洪水位维持长达90余天 防洪形势十分严峻 71 1954年长江洪水 1954年长江出现百年来罕见的全流域性特大洪水 这年汛期 雨季来得早 暴雨过程频繁 持续时间长 降雨强度大 笼罩面积广 长江干支流洪水遭遇 枝城以下1800km河段最高水位全面超过历史最高记录 72 长江干堤和汉江下游堤防溃口61处 扒口13处 支堤 民堤溃口无数 湖南洞庭湖区900多处圩垸 溃决70 淹没耕地25 7万hm2 受灾人口达165万 溃口分洪量达245亿m3 其余圩区也都渍涝成灾 江汉平原的洪湖地区 东荆河两岸一直到武汉市区周围湖泊一片汪洋 荆江分洪区及其备蓄区全部被淹没 湖北全省溃口 分洪水量达602亿m3 淹没耕地87 5hm2 受灾人口达538万 江西部阳湖区五河尾间及湖区周围圩垸大部分溃决 分洪量达80亿m3 淹没耕地16 2万hm2 受灾人口171万 安徽省华阳河地区分洪 无为大堤溃决 决口分洪量达87亿m3 淹没耕地34 3hm2 受灾人口达290万 堤防圩垸溃决 扒口共分洪1023亿m3 淹没耕地约166 7万hm2 受灾人口达1800余万 73 此外 广大农田暴雨积涝成灾 广大山地暴雨山洪为害 长江中下游湖北 湖南 江西 安徽 江苏5省有123个县市受灾 洪涝灾害农田面积317余万km2 受灾人口1888余万 京广铁路100天不能正常运行 灾后疾病流行 仅洞庭湖区死亡达3万余人 由于洪涝淹没地区积水时间长 房屋大量倒塌 庄稼大部分绝收 灾后数年才完全恢复 74 渗流与堤防安全 我国长达数十万公里的堤防 由于其漫长的形成历史和自古以来 民堤民修 的形成方式 堤防质量较差 汛期常常发生各种险情 其中因渗流造成的险情最为突出 1998年统计资料表明 溃口大多是由渗透破坏引起 渗透破坏约占险情总数的70 说明这类险情