土的渗流及管涌流土变形分析

土的渗透问题及管涌流土变形分析,孔隙水,在水头差作用下,渗透：水通过土孔隙流动的现象,渗透性：土允许水流透过的性质,造成水量损失，影响工程效益,引起土体内部应力状态的变化，从而改变水工构筑物、土木建筑物或地基的稳定条件，甚者将酿成破坏事故,主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，渗透力、及渗透变形等问题。,渗流量,渗透变形（管涌）,石坝,浸润线,透水层,不透水层,坝基坝身渗流,渗流控制,渗透压力（隆起）,渗流量（降水方法）,渗透变形（流土）,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流,A,B,L,透水层,不透水层,基坑,土中水的渗流是由水头势能驱动，由水头高（势能大）的地方流向水头低（势能小）的地方。,水力梯度（坡降）：,渗流中的水头与水力坡降,达西定律,1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究,水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比,渗透速度：v=ki,渗流量：,渗透力与渗透变形,渗透力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力,沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h,水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为h,土粒对水流的阻力应为,土样面积,根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反,动水压力,渗流作用于单位土体的力,说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致.,渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定,渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利,渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出,小大：j=wi方向：与渗流方向一致作用对象：土骨架,临界水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降,当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降。,在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(1.53)，作为允许水力坡降i。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降i内,渗透变形,渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形渗透变形问题（流土，管涌）,流土土中发生自下而上渗流时，渗透力大小超过土的浮重度，导致土粒间有效应力为零，颗粒悬浮、土体表面隆起、土粒流动的现象。,流砂或流土,在自下而上的渗流发生时，渗透力的大小超过土重度，致使土粒间的有效应力为零，土体的表面隆起、浮动或某颗粒群悬浮、移动的现象称为流砂或流土。,管涌在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。,流土形成条件,Fs:安全系数1.53,i:允许坡降,判断,流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。发生在颗粒级配均匀的饱和细、粉砂、粉土、淤泥层中。它的发生一般是突发性的，对工程危害极大。,管涌在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。,管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处。多发生在无粘性土中，其特征是颗粒大小差别较大，往往缺少某种粒径，孔隙直径大且相互连通。发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏。,管涌,管涌的治理,反滤倒渗,反滤围井,管涌的治理,内因有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙（几何条件：Cu10的土容易发生管涌）,外因渗透力足够大（水力条件：icr的计算尚未成熟）,管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处。多发生在无粘性土中，其特征是颗粒大小差别较大，往往缺少某种粒径，孔隙直径大且相互连通。发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏。,形成条件,管涌的临界坡降对中小型工程及初步设计时，当渗流方向为由下向上时，可用南京水利科学研究院的经验公式推算：,式中d3相应于粒径曲线上含量为3%的粒径K渗透系数，cm/s；n土壤孔隙率。,流土的临界坡降当渗流自下向上作用时，常采用根据极限平衡得到的太沙基公式计算,式中G土粒比重；n土的孔隙率。JB一般在0.81.2之间变化。南京水利科学研究院建议把上式乘以1.17。容许渗透坡降JB也要采用一定的安全系数，对用粘性土，可用1.5；对于非粘性土，可用2.02.5,流土与管涌的判别与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关。,粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu10的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏。,对Cu10的砂和砾石、卵石，分两种情况:,1.当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌,2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量约为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象,共同点：因土体损失导致土体（及结构）变形,【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数Fs为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏。,【解答】,临界水力坡降,由于实际水力坡降ii，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏,允许水力坡降,【例】某基坑开挖,施工抽水稳定后,实测水位如图。场地土体为:细砂层,sat=18.7kN/m3,k=4.510-2mm/s,试求渗流平均速度v和渗流力J,并判别是否产生流砂现象。,细砂层的有效重度,故不会因基坑抽水而产生流砂现象,土石坝,浸润线,透水层,减小或消除水头差（基坑外的井点降水法）；增长渗流路径；在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力；土层加固处理，如冻结法、注浆法等。,防治流土,防治管涌,改善几何条件：设反滤层等改善水力条件：减小渗透坡降,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替。,接触冲刷当渗流沿两种不同土壤的接触面流动时，把其中细颗粒带走的现象，称为接触冲刷。接触冲刷可能使临近接触面的不同土层混合起来。接触流土和接触管涌渗流方向垂直于两种不同土壤的接触面时，例如在粘土心墙（或斜墙）与坝壳砂砾料之间，坝体或坝基与排水设施之间，以及坝基内不同土层之间的渗流，可能把其中一层的细颗粒带到另一层的粗颗粒中去，称为接触管涌。当其中一层为粘性土，由于含水量增大凝聚力降低而成块移动，甚至形成剥蚀时，称为接触流土。,防止渗透变形的工程措施,反滤层的结构反滤层一般是由层不同粒径的非粘性土、砂和砂砾石组成的。层次排列应尽量与渗流的方向垂直，各层次的粒径则按渗流方向逐层增加，如图所示。,设置反滤层是提高抗渗破坏能力、防止各类渗透变形特别是防止管涌的有效措施。在任何渗流流入排水设施处一般都要设置反滤层。,反滤层的材料,1）被保护土壤的颗粒不得穿过反滤层。但对细小的颗粒（如粒径小于0.1mm的砂土），则可允许被带走。因为它的被带走不会使土的骨架破坏，不至于产生渗透变形。2）各层的颗粒不得发生移动。3）相临两层间，较小的一层颗粒不得穿过较粗一层的孔隙。4）反滤层不能被堵塞，而且应具有足够的透水性，以保证排水畅通。5）应保证耐久、稳定，其工作性能和效果应不随时间的推移和环境的改变而遭受破坏。,反滤层级配的设计碾压式土石坝设计规范中提出如下的设计方法：对于被保护的第一层反滤层，建议用：,式中反滤层的粒径，小于该粒径的土重占总重的15%；被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总重的85%；被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总重的15%。,土坝，高90m，长1000m，1975年建成，次年6月失事渗透破坏：冲蚀水力劈裂,Teton坝失事现场现状,原因,土石坝坝基坝身渗流破坏实例,沟后面板砂砾石坝,位于青海省，高71米，长265米，建于1989年。1993年8月7日突然发生溃坝，是现代碾压堆石坝垮坝的先例。,溃坝原因：面板止水失效，下游坝体排水不畅，造成坝坡失稳,土石坝坝基坝身渗流破坏实例,广州京广广场基坑塌方,基坑渗流破坏,珠海祖国广场基坑失事,基坑渗流破坏,西藏易贡巨型滑坡,时间：2000年4月9日约20时规模：滑坡体自相对高差近3330m的雪峰阳坡滑下，历时约10分钟，滑程8km。