土的渗流及管涌流土变形分析

关于土的渗流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。第2页,共36页，2024年2月25日，星期天渗流量渗透变形（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流渗透性土具有被水、气等液体透过的性质水、气等在土体孔隙中流动的现象原因：土体具有连续的孔隙（内因）；水头差（外因）第3页,共36页，2024年2月25日，星期天渗透压力（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第4页,共36页，2024年2月25日，星期天ABL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第5页,共36页，2024年2月25日，星期天达西定律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：第6页,共36页，2024年2月25日，星期天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h2h1h21L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，方向相反动水压力第7页,共36页，2024年2月25日，星期天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.渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响abc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=γwi方向：与渗流方向一致作用对象：土骨架

第8页,共36页，2024年2月25日，星期天临界水力坡降—使土体开始发生渗透变形的水力坡降

GJ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(1.5～3)，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]内第9页,共36页，2024年2月25日，星期天渗透变形

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。第10页,共36页，2024年2月25日，星期天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。第11页,共36页，2024年2月25日，星期天管涌——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。第12页,共36页，2024年2月25日，星期天流土形成条件Fs:

安全系数1.5～3[i]:

允许坡降i<icr:i=

icr:i>icr:土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体处于临界状态判断

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。第13页,共36页，2024年2月25日，星期天管涌——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。第14页,共36页，2024年2月25日，星期天管涌第15页,共36页，2024年2月25日，星期天管涌的治理反滤倒渗第16页,共36页，2024年2月25日，星期天反滤围井管涌的治理第17页,共36页，2024年2月25日，星期天内因——有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙（几何条件：Cu>10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。形成条件第18页,共36页，2024年2月25日，星期天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。第19页,共36页，2024年2月25日，星期天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0.8～1.2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2.0～2.5第20页,共36页，2024年2月25日，星期天流土与管涌的判别——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Cu>10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Cu>10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第21页,共36页，2024年2月25日，星期天流土与管涌的比较流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动现象位置土类历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口共同点：因土体损失导致土体（及结构）变形第22页,共36页，2024年2月25日，星期天【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i

<[i]，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏允许水力坡降第23页,共36页，2024年2月25日，星期天【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,γsat=18.7

kN/m3,k=4.5×10-2mm/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第24页,共36页，2024年2月25日，星期天土石坝浸润线透水层①减小或消除水头差（基坑外的井点降水法）；②增长渗流路径；③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；④土层加固处理，如冻结法、注浆法等。防治流土第25页,共36页，2024年2月25日，星期天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。第26页,共36页，2024年2月25日，星期天

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。

第27页,共36页，2024年2月25日，星期天防止渗透变形的工程措施

反滤层的结构反滤层一般是由２～３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。第28页,共36页，2024年2月25日，星期天反滤层的材料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。

第29页,共36页，2024年2月25日，星期天反滤层级配的设计《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%。

第30页,共36页，2024年2月25日，星期天土坝，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第31页,共36页，2024年2月25日，星期天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第32页,共36页，2024年2月25日，星期天广州京广广场基坑塌方基坑渗流破坏第33页,共36页，2024年2月25日，星期天珠海祖国广场基坑失事基坑渗流破坏第34页,共36页，2024年2月25日，星期天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