岩土工程专题2014-二元地基深基坑渗透变形控制关键技术研究(张改)-4-15

1、二元地基深基坑二元地基深基坑渗透变形控制关键技术研究渗透变形控制关键技术研究王保田王保报内容汇报内容o1. .项目概况项目概况o2. .主要研究内容主要研究内容o3. .研究问题一：研究问题一：粉细砂地粉细砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究o4.4.研究问题二：悬挂式防渗墙用于二元地基渗透变形防治的试验研究研究问题二：悬挂式防渗墙用于二元地基渗透变形防治的试验研究o5.5.研究问题三：二元地基基坑降水期间坑外水位控制和渗透变形控制研究问题三：二元地基基坑降水期间坑外水位控制和渗透变形控制o6.6.研究问题四：静研究问题四：

2、静水水河道水中河道水中抛填抛填粘粘土质围堰土质围堰关键技术研究关键技术研究o7.7.研究问题五：研究问题五：二元地基基坑边坡破坏模式及加固研究二元地基基坑边坡破坏模式及加固研究o8.8.研究结论研究结论o9.9.主要创新点主要创新点o10.10.专著、论文及专利专著、论文及专利 1. .项目概况项目概况 秦淮河船闸扩容改造工程平面示意图秦淮河船闸扩容改造工程平面示意图1. .项目概况项目概况 船闸基坑开挖剖面图船闸基坑开挖剖面图1. .项目概况项目概况船闸基坑开挖船闸基坑开挖照片照片1. .项目概况项目概况 主要工程问题主要工程问题p(1) (1) 基坑渗流与基坑降水问题基坑渗流与基坑降水问题

3、 在管井降水中如何采用科学合理的降水、排水方案以提供良好工在管井降水中如何采用科学合理的降水、排水方案以提供良好工作面是处理好二元地基深基坑工程的一个关键问题。作面是处理好二元地基深基坑工程的一个关键问题。p(2) (2) 粉细砂层渗透变形问题粉细砂层渗透变形问题 粉细砂层地基在水头差作用下将发生渗透。当级配不良或存在劣粉细砂层地基在水头差作用下将发生渗透。当级配不良或存在劣质互层时，粉细砂层土体极易诱发管涌、接触冲刷等渗透破坏；当水质互层时，粉细砂层土体极易诱发管涌、接触冲刷等渗透破坏；当水力梯度较大时也可形成涌砂、流土等问题。力梯度较大时也可形成涌砂、流土等问题。p(3) (3) 静静水中

4、抛填粘土质围堰及基坑边坡整体稳定性问题水中抛填粘土质围堰及基坑边坡整体稳定性问题 河道中抛填围堰及软基开挖边坡整体稳定问题是工程整体安全控河道中抛填围堰及软基开挖边坡整体稳定问题是工程整体安全控制的关键问题。抛填围堰在较大的水头差作用下运行，其安全性受到制的关键问题。抛填围堰在较大的水头差作用下运行，其安全性受到渗流作用的影响；当采用防渗帷幕隔水时，其对围堰边坡整体稳定性渗流作用的影响；当采用防渗帷幕隔水时，其对围堰边坡整体稳定性的影响值得深入研究。的影响值得深入研究。2. .主要研究内容主要研究内容 基于二元地基水运工程深基坑建设中的主要工程问题，本项目提出基于二元地基水运工程深基坑建设中的

5、主要工程问题，本项目提出围绕深基坑渗透变形控制关键技术展开系统性的研究，主要研究内容围绕深基坑渗透变形控制关键技术展开系统性的研究，主要研究内容如下：如下：p（1 1）粉细砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究）粉细砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究本项目针对管井降水滤料优化的问题，提出了渐近稳定井周滤料优本项目针对管井降水滤料优化的问题，提出了渐近稳定井周滤料优化研究课题。通过优化滤料级配，使得降水过程中地基土颗粒迁移至化研究课题。通过优化滤料级配，使得降水过程中地基土颗粒迁移至滤料中，并渐次形成有效的反滤结构，不会形成堵井。该反滤结构自滤料中，并渐次形成有效的反滤结构，不会形成

6、堵井。该反滤结构自身能在较短时间中得到强化和稳定，从而避免大量颗粒流失；同时因身能在较短时间中得到强化和稳定，从而避免大量颗粒流失；同时因为细颗粒迁移加密外层滤料，而内层滤料渗透性仍然保持良好透水性，为细颗粒迁移加密外层滤料，而内层滤料渗透性仍然保持良好透水性，从而保证不会显著降低单井出水量。从而保证不会显著降低单井出水量。2. .主要研究内容主要研究内容 p（2 2）悬挂式防渗墙、回灌及降水一体化技术研究）悬挂式防渗墙、回灌及降水一体化技术研究 本项目提出的防渗、回灌和降水一体化措施能够针对二元地基的本项目提出的防渗、回灌和降水一体化措施能够针对二元地基的特点，有效补给砂层顶面使得该低孔压区

7、水位抬升，从而控制地面沉特点，有效补给砂层顶面使得该低孔压区水位抬升，从而控制地面沉降。降。p（3 3）静静水中抛填水中抛填粘土粘土质围堰稳定性研究质围堰稳定性研究 本课题针对挤淤法施工粘土质围堰，考虑水中松填体和河床软土本课题针对挤淤法施工粘土质围堰，考虑水中松填体和河床软土固结过程，开展水中抛填土质围堰稳定性研究具有重要的实践价值。固结过程，开展水中抛填土质围堰稳定性研究具有重要的实践价值。3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.1 3.1 研究思路和主要研究内容研究思路和主要研究内容（1 1）通过对现场

8、取来的粉砂土样进行室内试验确定其基本的物理性）通过对现场取来的粉砂土样进行室内试验确定其基本的物理性质指标，为后续的试验奠定基础。质指标，为后续的试验奠定基础。（2）用室内反滤试验，对滤网反滤效果进行测试，分析不同孔径滤）用室内反滤试验，对滤网反滤效果进行测试，分析不同孔径滤网以及滤网组合对粉砂反滤效果的影响，并从孔隙的角度解释滤网网以及滤网组合对粉砂反滤效果的影响，并从孔隙的角度解释滤网反滤的原理，优化滤网设计，保证反滤效果。反滤的原理，优化滤网设计，保证反滤效果。3.1 3.1 研究思路和主要研究内容研究思路和主要研究内容（3）提出渐进反滤原理，通过得到的各组试验中各个量（渗透系数、）提出

9、渐进反滤原理，通过得到的各组试验中各个量（渗透系数、水头高度变化、试验前后反滤各部位砂土颗粒组成）变化等来验证反滤水头高度变化、试验前后反滤各部位砂土颗粒组成）变化等来验证反滤系统渐变稳定过程的存在，基于试验数据对太沙基滤料准则从反滤料的系统渐变稳定过程的存在，基于试验数据对太沙基滤料准则从反滤料的Dap（孔隙的平均直径）角度进行优化和合理拓展。（孔隙的平均直径）角度进行优化和合理拓展。 （4）根据试验前后土的）根据试验前后土的基本物理指标，利用基本物理指标，利用PFC2DPFC2D软件对反滤料渐进稳软件对反滤料渐进稳定过程中被保护土在反滤料中的移动进行了模拟，证明反滤料在反滤过定过程中被保护

10、土在反滤料中的移动进行了模拟，证明反滤料在反滤过程中存在着渐进式的稳定过程。程中存在着渐进式的稳定过程。3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.2 3.2 秦淮河船闸粉细砂地基土基本性质试验秦淮河船闸粉细砂地基土基本性质试验 3.2.1 3.2.1 室内试验室内试验 土样粒径分布曲线土样粒径分布曲线3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究 级配不良的粉级配不良的粉砂。易发生渗透破坏，砂。易发生渗透破坏，所以工程上应引起足所以工程

11、上应引起足够的重视。够的重视。3.3 3.3 现场抽水试验及数值模拟现场抽水试验及数值模拟 地勘阶段通过在西南角设置的抽水井得出试验结果：粉砂层渗透系地勘阶段通过在西南角设置的抽水井得出试验结果：粉砂层渗透系数数K K8.00m/d8.00m/d（1.01.010 10 -2-2cm/scm/s）基坑涌水量达）基坑涌水量达38396m38396m3 3/d /d 。粉砂层的。粉砂层的颗粒分析表明，砂土层渗透系数没这么大。颗粒分析表明，砂土层渗透系数没这么大。 为此利用降水井，进行了现场抽水试验，通过对抽水试验结果进行为此利用降水井，进行了现场抽水试验，通过对抽水试验结果进行数值分析，反算得到现

12、场地基土渗透系数为：数值分析，反算得到现场地基土渗透系数为：k=1.64410-3cm/s。该结。该结果比地勘资料抽水试验所得的渗透系数小一个数量级。果比地勘资料抽水试验所得的渗透系数小一个数量级。 3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究 由此结果提出：基坑总涌水量小由此结果提出：基坑总涌水量小, ,单井出水量少，并且每一个井单井出水量少，并且每一个井的控制范围小，所以应对原设计的现场的抽水井进行加密，电机功率的控制范围小，所以应对原设计的现场的抽水井进行加密，电机功率减小。减小。3.3.研究问题一：研究问题一

13、： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.4 3.4 滤网反滤效果试验研究滤网反滤效果试验研究基坑管井降水设计中，采用无砂混凝土透水管护壁，外包基坑管井降水设计中，采用无砂混凝土透水管护壁，外包80目滤网反滤，其外采用砾料回填。目滤网反滤，其外采用砾料回填。秦淮河船闸区的粉砂层，砂土颗粒细，级配均匀。为保证秦淮河船闸区的粉砂层，砂土颗粒细，级配均匀。为保证反滤效果，防止砂土颗粒大量排出而造成地基沉降和反滤效果，防止砂土颗粒大量排出而造成地基沉降和稳定问题，进行了滤网反滤效果的室内试验。稳定问题，进行了滤网反滤效果的室内试验。3.3.研究问题

14、一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.4 3.4 滤网反滤效果试验研究滤网反滤效果试验研究室内滤网反滤试验装置示意图室内滤网反滤试验装置示意图3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.4 3.4 滤网反滤效果试验研究滤网反滤效果试验研究通过室内滤网反滤试验提出：通过室内滤网反滤试验提出：（1）仅靠滤网不能达到反滤效果，因此要加强井管与抽水井）仅靠滤网不能达到反滤效果，因此要加强井管与抽水井井壁建的反滤层控制；井壁建的反滤层控制；（2）采用）

15、采用80目目+120目的滤网，外层采用中砂反滤，比单层目的滤网，外层采用中砂反滤，比单层80目和目和120目的滤网反滤效果好，细砂排出量都低于目的滤网反滤效果好，细砂排出量都低于0.2%。为此建议：降水井需要采用为此建议：降水井需要采用80目目+120目的滤网反滤，同时将砾料目的滤网反滤，同时将砾料（瓜子片）改为中砂，以防止粉砂层中细粒料过多排出。（瓜子片）改为中砂，以防止粉砂层中细粒料过多排出。3.5 3.5 管井降水井周渐近稳定反滤系统提出管井降水井周渐近稳定反滤系统提出o背景：针对粉砂层，滤网不能取得很好的反滤效果，而直接采用太背景：针对粉砂层，滤网不能取得很好的反滤效果，而直接采用太沙

16、基反滤准则，反滤层粒径需要很细，导致反滤层渗透系数较低，影沙基反滤准则，反滤层粒径需要很细，导致反滤层渗透系数较低，影响抽水效果。响抽水效果。o机制分析：当被保护土进入反滤料之后，一部分较细的颗粒通过反机制分析：当被保护土进入反滤料之后，一部分较细的颗粒通过反滤料的孔隙被水流带走，但是随着细颗粒的进入，反滤料由于细颗粒滤料的孔隙被水流带走，但是随着细颗粒的进入，反滤料由于细颗粒含量的增大，以及反滤料中的孔隙被细颗粒所填充，使得反滤料临界含量的增大，以及反滤料中的孔隙被细颗粒所填充，使得反滤料临界水力梯度增大，最后粗细料组成一个整体共同抵抗渗透变形。水力梯度增大，最后粗细料组成一个整体共同抵抗渗

17、透变形。3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究 右图为渗透稳定之后右图为渗透稳定之后，渐进式渗透稳定构造示，渐进式渗透稳定构造示意图：稳定后的反滤系统意图：稳定后的反滤系统可定义为可定义为区粉砂土分选区粉砂土分选后骨架，后骨架，区为被保护土区为被保护土进入反滤料形成的细颗粒进入反滤料形成的细颗粒含量渐变区，含量渐变区，区滤料稳区滤料稳定透水区。定透水区。 渐进式渗透稳定构造示意图渐进式渗透稳定构造示意图3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤

18、系统机制研究3.5 3.5 管井降水井周渐近稳定反滤系统提出管井降水井周渐近稳定反滤系统提出 理论依据：如右图所示为细粒理论依据：如右图所示为细粒料含量与临界水力梯度的关系。当料含量与临界水力梯度的关系。当被保护土进入反滤料之后，可能形被保护土进入反滤料之后，可能形成级配不连续的土，当细颗粒的含成级配不连续的土，当细颗粒的含量变多并且足以填满粗颗粒所形成量变多并且足以填满粗颗粒所形成的的孔隙时，粗颗粒土和细颗粒土的的孔隙时，粗颗粒土和细颗粒土就形成了一个整体，从而共同抵抗就形成了一个整体，从而共同抵抗渗透破坏。渗透破坏。无粘性土细粒料含量与临界水力梯度的关系无粘性土细粒料含量与临界水力梯度的关

19、系3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.5 3.5 管井降水井周渐近稳定反滤系统提出管井降水井周渐近稳定反滤系统提出3.6 3.6 管井降水井周渐近稳定反滤系统试验研究管井降水井周渐近稳定反滤系统试验研究 试验装置试验装置示意示意图图3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究不同粒径滤料平均渗透系数随时间的变化不同粒径滤料平均渗透系数随时间的变化关系关系o试验结果。渗透系数：试验结果。渗透系数：3.6 3.6 管井降水井周渐近稳

20、定反滤系统试验研究管井降水井周渐近稳定反滤系统试验研究3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究表表3.5 3.5 各个滤料粒径各个滤料粒径4 4、5 5号（见图号（见图3.23.2）水头差前后差值）水头差前后差值o水头变化：水头变化：滤料粒滤料粒径径/mm0.5-11-32-42-62-4+2-64-674、5号号测压管测压管水头差水头差变化值变化值/mm0.50.81.31.22.42.83.43.6 3.6 管井降水井周渐近稳定反滤系统试验研究管井降水井周渐近稳定反滤系统试验研究3.3.研究问题一：研究问题一

21、： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究图图3.3 43.3 4、5 5号测压孔水头差前后差值号测压孔水头差前后差值o颗粒粒径变化：颗粒粒径变化：3.6 3.6 管井降水井周渐近稳定反滤系统试验研究管井降水井周渐近稳定反滤系统试验研究3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究 0 020204040606080801001000.010.010.10.11 11010土粒粒径（mm）土粒粒径（mm）小于某粒径的土粒含量（%）小于某粒径的土粒含量（%）距离分界线0-

22、2cm滤料距离分界线2-4cm滤料原滤料试验后不同位置处滤料的颗粒组成试验后不同位置处滤料的颗粒组成 o颗粒粒径变化：颗粒粒径变化：o（1 1）被保护土：通过对试验后不同部位的试样进行颗粒分析，可以看出）被保护土：通过对试验后不同部位的试样进行颗粒分析，可以看出在渗透力作用下，试样内的土颗粒存在着移动，其中在反滤料和被保护土在渗透力作用下，试样内的土颗粒存在着移动，其中在反滤料和被保护土界面附近较为活跃，表现为距离两者分界线越近的被保护土细颗粒（界面附近较为活跃，表现为距离两者分界线越近的被保护土细颗粒（0.075mm0.075mm）逐渐减少，最大减少量约）逐渐减少，最大减少量约3%3%。o（

23、2 2）反滤料：反滤料内部的颗粒发生显著地变化，形成新级配的反滤料）反滤料：反滤料内部的颗粒发生显著地变化，形成新级配的反滤料距离越远细颗粒的含量就越少，从内到外形成细颗粒逐渐减少的渐次反滤距离越远细颗粒的含量就越少，从内到外形成细颗粒逐渐减少的渐次反滤结构。结构。3.6 3.6 管井降水井周渐近稳定反滤系统试验研究管井降水井周渐近稳定反滤系统试验研究3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究滤料粒滤料粒径径/mm/mm0.5-10.5-11-31-32-42-42-62-62-42-4+ +4-64-64-64-

24、67 7砂土流砂土流出量出量/g/g0.420.421.231.231.41.44.524.524.314.314.334.335.895.89各粒径反滤料出砂量各粒径反滤料出砂量o出砂量：出砂量：3.6 3.6 管井降水井周渐近稳定反滤系统试验研究管井降水井周渐近稳定反滤系统试验研究3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究 随着反滤料粒径的增大反滤料的控砂效果逐渐降低，当滤料粒随着反滤料粒径的增大反滤料的控砂效果逐渐降低，当滤料粒径在径在4mm4mm以下时出砂量变化不大，但是当粒径大于以下时出砂量变化不大，但是

25、当粒径大于4mm4mm以后出砂量突以后出砂量突然增大，说明然增大，说明4mm4mm以上的级配滤料控砂效果大大降低。以上的级配滤料控砂效果大大降低。 太沙基反滤准则利用粒子堆积试验得来，只是对反滤料中的太沙基反滤准则利用粒子堆积试验得来，只是对反滤料中的D D1515、d d8585（D D1515、d d8585分别代表反滤料、被保护土的粒径，下标数表示小于该粒径的分别代表反滤料、被保护土的粒径，下标数表示小于该粒径的土颗粒占全部干土的重量百分数）。为了有更加统一的标准，本研究用土土颗粒占全部干土的重量百分数）。为了有更加统一的标准，本研究用土孔隙的平均直径对反滤料合理与否进行判断，从而提高滤

26、料判断的精度。孔隙的平均直径对反滤料合理与否进行判断，从而提高滤料判断的精度。 Dap=0.63nd Dap=0.63nd2020 式中：式中： DapDap反滤料孔隙的平均直径；反滤料孔隙的平均直径； n n 反滤料的孔隙率；反滤料的孔隙率； d d2020 反滤料的等效粒径。反滤料的等效粒径。3.7 3.7 反滤指标的提出反滤指标的提出3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究 试验后各级配反滤料试验后各级配反滤料DapDap（孔隙平均直径孔隙平均直径）滤料滤料位置位置0.5-1mm1-3mm2-6mmD20m

27、mdg/cm3DapmmD20mmdg/cm3DapmmD20/mmdg/cm3Dapmm0-2cm0.551.690.161.61.810.382.01.790.472-4cm0.581.510.191.71.630.442.01.610.674cm0.601.470.562.01.540.613.51.481.103.7 3.7 反滤指标的提出反滤指标的提出3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究滤料滤料位置位置2-4mm4-6mm2-4mm+4-6mmD20mmdg/cm3DapmmD20mmdg/cm3D

28、apmmD20/mmdg/cm3Dapmm0-2cm2.11.780.454.21.651.122.11.710.472-4cm2.31.580.554.11.531.262.21.540.624cm2.51.440.704.11.51.402.51.510.90试验后试验后各级配反滤料各级配反滤料DapDap3.7 3.7 反滤指标的提出反滤指标的提出3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究当当Dap/dDap/d5050=6=6时出砂量有时出砂量有明显的增多。明显的增多。根据太沙基滤料准则此根据太沙基滤料准则

29、此时：时：D D1515/d/d8585=2.1/0.35=65,=2.1/0.35=65,虽不满足太沙基滤料准则但虽不满足太沙基滤料准则但最终出砂量基本为零，能满最终出砂量基本为零，能满足保土要求。足保土要求。出砂出砂量与量与Dap/dDap/d5050关系图关系图3.7 3.7 反滤指标的提出反滤指标的提出3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究 出砂量随着时间不再变化，出砂量随着时间不再变化，说明反滤趋于稳定，当说明反滤趋于稳定，当Dap/dDap/d505066时虽然出砂量随着时时虽然出砂量随着时间而逐渐

30、变少，但是始终有细间而逐渐变少，但是始终有细颗粒流出，不能达到稳定。所颗粒流出，不能达到稳定。所以定义：以定义：D D1515/d/d15154-5 4-5 过水要过水要求；求；Dap/dDap/d505066保土要求，为保土要求，为反滤指标。反滤指标。2-4mm2-4mm粒径滤料粒径滤料出砂出砂量随时间的变化图量随时间的变化图3.7 3.7 反滤指标的提出反滤指标的提出3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3 3号号4 4号测压孔水位水头差与水力梯度的关系号测压孔水位水头差与水力梯度的关系3.8 3.8 水力

31、梯度因素影响试验水力梯度因素影响试验试验目的：明确水力梯度对反滤效果的影响或者影响程度。试验目的：明确水力梯度对反滤效果的影响或者影响程度。3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究出砂量与水力梯度关系出砂量与水力梯度关系3.8 3.8 水力梯度因素影响试验水力梯度因素影响试验3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.8 3.8 水力梯度因素影响试验水力梯度因素影响试验 通过试验中各个量的变化可知：水力梯度对反滤效果有一定的影通过试

32、验中各个量的变化可知：水力梯度对反滤效果有一定的影响，在较小的水力梯度下，反滤层越容易达到渗透稳定，由于新的反响，在较小的水力梯度下，反滤层越容易达到渗透稳定，由于新的反滤结构承担的水力梯度较小，被保护土中颗粒和反滤料组成的新的反滤结构承担的水力梯度较小，被保护土中颗粒和反滤料组成的新的反滤系统形成的速度也越快，出砂量也小，随着水力梯度的不断增大，滤系统形成的速度也越快，出砂量也小，随着水力梯度的不断增大，会有较多的细颗粒流出发生渗透破坏。试验结果表明：水力梯度不超会有较多的细颗粒流出发生渗透破坏。试验结果表明：水力梯度不超过过1.21.2时，出砂量小。时，出砂量小。3.3.研究问题一：研究问

33、题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.9 PFC 2D3.9 PFC 2D反滤过程细观机理的数值模拟反滤过程细观机理的数值模拟试验的模拟大致分成三个步骤：生成试样、固结和加载。首先指定试验的模拟大致分成三个步骤：生成试样、固结和加载。首先指定颗粒的最大最小半径及孔隙率，然后根据试样面积算出应生成的颗粒数颗粒的最大最小半径及孔隙率，然后根据试样面积算出应生成的颗粒数量，在指定边界内随机生成颗粒，并赋予颗粒的细观参数。然后对试样量，在指定边界内随机生成颗粒，并赋予颗粒的细观参数。然后对试样进行固结进行固结，最后赋予轴向墙体一个初始速度，

34、对试样进行加载。最后赋予轴向墙体一个初始速度，对试样进行加载。 反滤试验反滤试验数值数值模型模型3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.9 PFC 2D3.9 PFC 2D反滤过程细观机理的数值模拟反滤过程细观机理的数值模拟表表3.8 3.8 颗粒流软件模拟参数一览颗粒流软件模拟参数一览表表3.9 3.9 不同粒径滤料平均孔隙填充率不同粒径滤料平均孔隙填充率3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.9 PFC 2D3.9 PF

35、C 2D反滤过程细观机理的数值模拟反滤过程细观机理的数值模拟 滤料粒径滤料粒径2-6mm2-6mm水力梯度水力梯度i=1i=1时，不同时步下反滤进程时，不同时步下反滤进程 a. a.循环循环1000010000次次 b.b.循环循环5000050000次次 c.c.循环循环100000100000次次3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.9 PFC 2D3.9 PFC 2D反滤过程细观机理的数值模拟反滤过程细观机理的数值模拟不同时步下在相同粒径和水力梯度下，对反滤进程进行监测，不同时步下在相同粒径和水力梯度

36、下，对反滤进程进行监测，通过通过循环循环不同时步不同时步结果结果对比对比，可以，可以得到得到：循环循环5000050000时步前，随时步前，随循环的进行细颗粒进入滤料的数量逐渐增加，循环的进行细颗粒进入滤料的数量逐渐增加，循环循环5000050000次次后后，循环次数的循环次数的继续继续增加，增加，只会使得只会使得细颗粒在滤料界面处堆积，而在细颗粒在滤料界面处堆积，而在渗流力作用下进入反滤料的渗流力作用下进入反滤料的细细颗粒颗粒不再不再增加，说明循环至增加，说明循环至5000050000次即对应试验时间次即对应试验时间4848小时，反滤已经基本稳定，新的级配的反滤小时，反滤已经基本稳定，新的级

37、配的反滤系统基本形成。系统基本形成。3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.9 PFC 2D3.9 PFC 2D反滤过程细观机理的数值模拟反滤过程细观机理的数值模拟滤料粒径滤料粒径2-6mm2-6mm，不同水力梯度相同时步下反滤进程，不同水力梯度相同时步下反滤进程 循环循环100000100000次次 i=1 i=13.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究 循环循环100000100000次次 i=2 i=23.9 PFC 2D

38、3.9 PFC 2D反滤过程细观机理的数值模拟反滤过程细观机理的数值模拟在孔隙填充率相同的情况下，水力梯度越大，细颗粒料的流在孔隙填充率相同的情况下，水力梯度越大，细颗粒料的流失量越大，随着循环次数的逐渐增加，由于细颗粒料流出而形成失量越大，随着循环次数的逐渐增加，由于细颗粒料流出而形成的孔隙越大。同时，孔隙填充率越低，水力梯度的提高对细颗粒的孔隙越大。同时，孔隙填充率越低，水力梯度的提高对细颗粒料的流出影响越大。对比相同粒径的反滤系统，在料的流出影响越大。对比相同粒径的反滤系统，在i=1i=1和和i=2i=2时，时，相同循环次数下，相同循环次数下，i=2i=2的细颗粒流出量较大，形成的孔隙通

39、道越的细颗粒流出量较大，形成的孔隙通道越明显。明显。3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.9 PFC 2D3.9 PFC 2D反滤过程细观机理的数值模拟反滤过程细观机理的数值模拟滤料粒径滤料粒径2-6mm2-6mm，水力梯度，水力梯度i=2i=2，滤料振动密实后不同时步下的反滤进程，滤料振动密实后不同时步下的反滤进程图图3.15 3.15 滤料未经振动，滤料未经振动，自然状态下的装样效果图自然状态下的装样效果图图图3.16 3.16 滤料振动密实后装样效果图滤料振动密实后装样效果图3.3.研究问题一：研究问

40、题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.9 PFC 2D3.9 PFC 2D反滤过程细观机理的数值模拟反滤过程细观机理的数值模拟未经振动密实时不同未经振动密实时不同时步下的反滤进程时步下的反滤进程a.a.循环循环1000010000次次 b.b.循环循环5000050000次次 c.c.循环循环100000100000次次经振动密实时不同时经振动密实时不同时步下的反滤进程步下的反滤进程3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.9 PFC 2D3.9 P

41、FC 2D反滤过程细观机理的数值模拟反滤过程细观机理的数值模拟相同粒径滤料在同样水力梯度下，相同粒径滤料在同样水力梯度下，经过经过振动密实的反滤振动密实的反滤系统系统可以促进可以促进反滤反滤的稳定，进入粗颗粒的稳定，进入粗颗粒中的中的细颗粒很快被稳定下来，细颗粒很快被稳定下来，与粗颗粒混合成新的级配滤料发挥作用而非继续在孔隙通道中发与粗颗粒混合成新的级配滤料发挥作用而非继续在孔隙通道中发展流失，然而未经振动的滤料发展形成渐进稳定反滤系统的时间展流失，然而未经振动的滤料发展形成渐进稳定反滤系统的时间相对要有所延长，且进入粗颗粒中的部分细颗粒将发生持续发展相对要有所延长，且进入粗颗粒中的部分细颗粒

42、将发生持续发展和流失。和流失。3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.10 3.10 工程现场应用及效果工程现场应用及效果 秦淮河船闸扩容改造工程初期降水井反滤料采用了粒径范围为秦淮河船闸扩容改造工程初期降水井反滤料采用了粒径范围为3-3-10mm10mm的绿豆砂（的绿豆砂（粗砾粗砾）作为降水管井的反滤料，其颗粒级配曲线（初期）作为降水管井的反滤料，其颗粒级配曲线（初期使用的反滤料）如下图所示，抽水后产生堵井。使用的反滤料）如下图所示，抽水后产生堵井。 通过本项目研究，提出采用通过本项目研究，提出采用2-4m

43、m2-4mm的粒径的粗砂（的粒径的粗砂（细砾细砾）作为反滤）作为反滤料，颗粒级配曲线（建议的反滤料）如下图所示，现场采用料，颗粒级配曲线（建议的反滤料）如下图所示，现场采用2-4mm2-4mm的反的反滤料之后对抽水稳定的降水井进行水质监测，测试结果为井水稳定期井滤料之后对抽水稳定的降水井进行水质监测，测试结果为井水稳定期井水含砂量基本为零并且没有出现井堵现象，管井涌水量良好。水含砂量基本为零并且没有出现井堵现象，管井涌水量良好。3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究 反滤料的颗粒分析曲线反滤料的颗粒分析曲线3.

44、10 3.10 工程现场应用及效果工程现场应用及效果3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.10 3.10 工程现场应用及效果工程现场应用及效果 初期使用的反滤料中初期使用的反滤料中D D2 02 0=3.2mm=3.2mm，孔隙率，孔隙率n=0.498n=0.498，所以，所以Dap=0.63nDDap=0.63nD2020=1mm=1mm，Dap/dDap/d5050=8.33=8.33，不满足本项目提出的反滤准则，而，不满足本项目提出的反滤准则，而D D1515/d/d8585=8.07=8.07也不满

45、足满足太沙基反滤准则的判别指标。由于较多细颗也不满足满足太沙基反滤准则的判别指标。由于较多细颗粒流失进入无砂管管壁产生淤堵，导致废井。下表为初次使用的反滤料粒流失进入无砂管管壁产生淤堵，导致废井。下表为初次使用的反滤料粒径指标和满足现行的反滤指标情况。粒径指标和满足现行的反滤指标情况。3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.10 3.10 工程现场应用及效果工程现场应用及效果反滤准则反滤准则粒径指标粒径指标反滤准则要求反滤准则要求是否满足是否满足太沙基反滤准则太沙基反滤准则D15=3.2mm，D15/d85=

46、10.6D15/d154-5D15/d854-5否否美国水土保持局美国水土保持局D15=3.2mm，D15/d85=10.6D15/d85 54否否威特反滤准则威特反滤准则D30-=3.5mm，D30/d95=10.6D30/d952.52.5否否中国水利水电科学研究院中国水利水电科学研究院D20-=3.3mm，D20/d70= =16D20/d204D20/d707否否碾压式土石坝反滤准则碾压式土石坝反滤准则D15=3.2mm，D15/d85=8.07D15/d154-5D15/d854-5否否本文提出的反滤准则本文提出的反滤准则Dap=1mm, Dap/d50=8.33Dap/d506否否

47、表表3.10 3.10 初期使用反滤料参数及满足现行规范情况表初期使用反滤料参数及满足现行规范情况表3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.10 3.10 工程现场应用及效果工程现场应用及效果 建议使用的反滤料中建议使用的反滤料中D D2020=2.2mm=2.2mm，孔隙率，孔隙率n=0.443n=0.443，所以，所以Dap=0.63nDDap=0.63nD2020=0.7mm=0.7mm，Dap/dDap/d5050=5.8=5.8，满足本项目提出的反滤准，满足本项目提出的反滤准则则Dap/dDap/d

48、505066，而，而D D1515/d/d8585=7.3=7.3不满足满足太沙基反滤准则的判不满足满足太沙基反滤准则的判别指标。下表为建议使用的反滤料粒径指标和满足现行的反滤别指标。下表为建议使用的反滤料粒径指标和满足现行的反滤指标情况。指标情况。3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.10 3.10 工程现场应用及效果工程现场应用及效果反滤准则反滤准则粒径指标粒径指标反滤准则要求反滤准则要求是否满足是否满足太沙基反滤准则太沙基反滤准则D15=2.2mm，D15/d85=7.3D15/d154-5D15/d

49、854-5否否美国水土保持局美国水土保持局D15=2.2mm，D15/d85=7.3D15/d85 54否否威特反滤准则威特反滤准则D30-=2.5mm，D30/d95=7.6D30/d952.52.5否否中国水利水电科学研究院中国水利水电科学研究院D20-=2.3mm，D20/d70= =11.5D20/d204D20/d707否否碾压式土石坝反滤准则碾压式土石坝反滤准则D15=2.2mm，D15/d85=7.3D15/d154-5D15/d854-5否否本文提出的反滤准则本文提出的反滤准则Dap=0.7mm, Dap/d50=5.8Dap/d506是是表表3.11 3.11 建议使用反滤料

50、参数及满足现行规范情况表建议使用反滤料参数及满足现行规范情况表3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.10 3.10 工程现场应用及效果工程现场应用及效果 不管是从室内试验验证和现场应用效果都可以证明本章提出的反滤不管是从室内试验验证和现场应用效果都可以证明本章提出的反滤指标指标Dap/dDap/d505066，该指标不仅对反滤料的，该指标不仅对反滤料的D D2020做了范围的限定，而且考做了范围的限定，而且考虑了反滤料的孔隙率，淘汰了一些粒径满足要求但是孔隙率过大的反虑了反滤料的孔隙率，淘汰了一些粒径满足要

51、求但是孔隙率过大的反滤料，判别指标更为合理可靠综上通过室内试验验证和理论分析以及滤料，判别指标更为合理可靠综上通过室内试验验证和理论分析以及实践的验证本文提出的针对粉细砂地基土的反滤准则合理可靠，值得实践的验证本文提出的针对粉细砂地基土的反滤准则合理可靠，值得在类似的工程中应用和推广。在类似的工程中应用和推广。3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.11 3.11 小结小结（1 1）通过滤网反滤试验，提出采用）通过滤网反滤试验，提出采用8080目目+120+120目组合滤网加中粗砂反滤，目组合滤网加中粗砂反滤

52、，一起才能有效保护粉砂流失。一起才能有效保护粉砂流失。（2 2）通过理论分析和室内试验提出渐进反滤系统的概念，提出了）通过理论分析和室内试验提出渐进反滤系统的概念，提出了D D1515/d/d15154-5 4-5 ，Dap/dDap/d505066的反滤指标（式中的反滤指标（式中D D1515、d d1515分别代表反滤料、被保分别代表反滤料、被保护土的粒径，下标数表示小于该粒径的土颗粒占全部干土的重量百分数护土的粒径，下标数表示小于该粒径的土颗粒占全部干土的重量百分数DapDap表示反滤料孔隙的平均直径）。表示反滤料孔隙的平均直径）。3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐

53、近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究3.11 3.11 小结小结 （3 3）应用）应用PFC2DPFC2D颗粒流软件对室内试验进行数值模拟，直观动态颗粒流软件对室内试验进行数值模拟，直观动态显示显示渐进稳定反滤系统形成机理。在渗透水流的作用下细颗粒逐渐进入反滤渐进稳定反滤系统形成机理。在渗透水流的作用下细颗粒逐渐进入反滤料中，细颗粒料的孔隙填充率增大，土体渗透系数减小，渗流力并不足料中，细颗粒料的孔隙填充率增大，土体渗透系数减小，渗流力并不足以打破土颗粒的力学平衡，土体内细颗粒和以打破土颗粒的力学平衡，土体内细颗粒和反滤料反滤料混合一体形成新的级混合一体形成新的级

54、配的反滤配的反滤料料。 3.3.研究问题一：研究问题一： 粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究粉砂地基管井降水井周渐近稳定反滤系统机制研究4.1无防渗墙的二元地基渗透变形试验研究无防渗墙的二元地基渗透变形试验研究 4.研究问题二：研究问题二：悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究 室内渗流槽结构示意图室内渗流槽结构示意图4.1无防渗墙的二元地基渗透变形试验研究无防渗墙的二元地基渗透变形试验研究 室内渗流槽室内渗流槽实物实物图图4.研究问题二：研究问题二：悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验

55、研究 4.1无防渗墙的二元地基渗透变形试验研究无防渗墙的二元地基渗透变形试验研究 试验现象试验现象 渗流试验过程中各阶段现象（渗流试验过程中各阶段现象（1 1） 4.研究问题二：研究问题二：悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究 4.1无防渗墙的二元地基渗透变形试验研究无防渗墙的二元地基渗透变形试验研究 渗流试验过程中各阶段现象（渗流试验过程中各阶段现象（2 2）试验现象试验现象 4.研究问题二：研究问题二：悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究 4.1无防渗墙的二元地基渗透变形试验研究无防渗墙

56、的二元地基渗透变形试验研究 上排测压管沿程水位变化曲线上排测压管沿程水位变化曲线（H=0 cmH=0 cm） 下排测压管沿程水位变化曲线下排测压管沿程水位变化曲线（H=0 cmH=0 cm） 试验结果试验结果 4.研究问题二：研究问题二：悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究 4.1无防渗墙的二元地基渗透变形试验研究无防渗墙的二元地基渗透变形试验研究 出水口和远处溢出口流量与上游水头关系曲线（出水口和远处溢出口流量与上游水头关系曲线（H=0 cmH=0 cm）(cm3/s)(cm3/s)4.研究问题二：研究问题二：悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形

57、防治的试验研究悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究 4.1无防渗墙的二元地基渗透变形试验研究无防渗墙的二元地基渗透变形试验研究 渗漏通道示意图（渗漏通道示意图（H=0 cmH=0 cm）从试验发生流土破坏开始，出水口下方的细砂层与粘土层接触面就逐步发生着从试验发生流土破坏开始，出水口下方的细砂层与粘土层接触面就逐步发生着变化。随着上游水头增加，出水口出现沸砂现象，出水口下方两层土料接触面被水变化。随着上游水头增加，出水口出现沸砂现象，出水口下方两层土料接触面被水流冲蚀形成通道并向上游发展。待冲刷发展至入水口下方塑料排水板时，通道形成流冲蚀形成通道并向上游发展。待冲刷发展至入水口下方塑料

58、排水板时，通道形成。渗漏通道形状如图。渗漏通道形状如图4.74.7所示，通道形同一个两个凹槽拼接，中间有一部位冲刷较所示，通道形同一个两个凹槽拼接，中间有一部位冲刷较轻，通道很窄细；通道两端冲刷也较轻微。轻，通道很窄细；通道两端冲刷也较轻微。4.研究问题二：研究问题二：悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究 4.2 悬挂式防渗墙贯入度对渗控作用影响试验研究悬挂式防渗墙贯入度对渗控作用影响试验研究 上排测压管沿程水位变化曲线上排测压管沿程水位变化曲线( D( D为防渗墙贯入度，为防渗墙贯入度，h h为临界水头高度为临界水头高度) )4.研究问题二

59、：研究问题二：悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究 4.2悬挂式防渗墙贯入度对渗控作用影响试验研究悬挂式防渗墙贯入度对渗控作用影响试验研究 模拟渗透变形出水口处渗流量模拟渗透变形出水口处渗流量q q与水头高度与水头高度H H关系曲线关系曲线 上排测压管上排测压管i im m与水头与水头高度高度H H关系曲线关系曲线4.研究问题二：研究问题二：悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究 4.2悬挂式防渗墙贯入度对渗控作用影响试验研究悬挂式防渗墙贯入度对渗控作用影响试验研究 渗透变形时的临界水头高度与

60、贯入度渗透变形时的临界水头高度与贯入度P Pd d关系曲线关系曲线 4.研究问题二：研究问题二：悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究 4.2 悬挂式防渗墙贯入度对渗控作用影响试验研究悬挂式防渗墙贯入度对渗控作用影响试验研究 表观临界水力梯度表观临界水力梯度i imcrmcr与贯入度与贯入度P Pd d关系曲线关系曲线表观临界水力梯度指发生渗透破坏时上游水头高度与表观渗径之比。表观临界水力梯度指发生渗透破坏时上游水头高度与表观渗径之比。4.研究问题二：研究问题二：悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试验研究悬挂式防渗墙用于二元地基渗变形防治的试