渗透变形工程地质研究.ppt

第十章渗透变形工程地质研究 第一节基本概念及研究意义第二节渗透变形产生的条件第三节渗透变形的预测第四节渗透变形的防治 一 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 由力的平衡条件 渗透压力J 第一节基本概念及研究意义 二 渗透变形 渗透破坏 渗透水流使得岩土中一些颗粒整体发生移动而被渗流携走 从而引起岩土的结构变松 强度降降低 甚至整体发生破坏 这种工程动力地质作用或现象称之为渗透变形或渗透破坏 1 潜蚀 管涌 2 流土 第一节基本概念及研究意义 1 潜蚀渗透压力达到一定值时 土中的某些颗粒就会被渗透水流携带和搬运 这种地下水的侵蚀作用称为潜蚀 潜蚀包括机械潜蚀和化学潜蚀 机械潜蚀作用 指渗流的机械冲刷力把细小的土颗粒携走 而较大的颗粒仍留在原处 化学潜蚀作用 指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 机械潜蚀和化学潜蚀一般是同时进行的 且二者是相互影响 相互促进的 第一节基本概念及研究意义 2 管涌强烈的渗透变形会在渗流出口处侵蚀成孔洞 孔洞又会促使渗透途经已经缩短 水力梯度有所增大的渗流向它集中 而在孔洞末端集中的渗透水流就具有更大的侵蚀能力 所以孔洞就不断沿最大水力梯度线溯源发展 最终形成一条水流集中的管道 由管道中涌出的水携带较大量的土颗粒 即管涌 piping 是由潜蚀强烈发展而出现的一种特有的不良地质作用 往往形成地质灾害 第一节基本概念及研究意义 3 流土在渗流作用下一定体积的土体同时发生移动的现象称为流土或流沙 quicksand 流土可以使土体强度完全丧失 潜蚀的发展演化可以转化为流土 第一节基本概念及研究意义 三 研究意义渗透变形一般发生在无粘性土和粉土中 渗透危害 1 基坑开挖出现流砂的现象2 水坝坝基管涌3 地下工程突涌砂 第一节基本概念及研究意义 管涌破坏示意图 a 斜坡条件时 b 地基条件时1 管涌堆积颗粒 2 地下水位 3 管涌通道 4 渗流方向 第一节基本概念及研究意义 第一节基本概念及研究意义 渗透水流通过一系列的特有的作用过程使土体中某些颗粒松动 脱离 被水携带和搬运 导致土中形成孔洞通道及孔洞通道的不断向源延伸和扩大 这些作用包括 淋蚀或渗流侵蚀当土层中细小颗粒小于与之呈互层状产出的砂 砾层中的孔隙尺寸时 则细小颗粒可被渗透水流所携带 并穿过这些孔隙通道而被搬运走 土中的细微裂缝 虫孔 兽穴 根孔等大孔洞也可成为地下水流搬运细小颗粒的通道 这种渗透水流的选择性侵蚀 可能是土中管道开始形成的主导方式 渗透变形的类型与特点 第一节基本概念及研究意义 渗流面蚀饱水敏感土于斜坡面出露 集中渗流可携带其出口处的土粒顺流而下将之搬运走 于是出口处首先形成一凹入龛并累进性切入坡内 逐步发展为一个地下管道 使渗流流线聚敛的因素有地形 岩性或细微裂隙等 孔道冲刷土或易蚀基岩中的孔洞或管道开始形成之后 通过这类孔道流动的集中水流即可冲刷孔道壁 冲走可由壁上脱落下来的颗粒而使孔道不断扩大 管涌可以多种方式出现 如涌 土裂隙管涌和虫 兽 穴管涌等 历史上很多决堤事件 也是管涌而产生的 所以管涌如猛兽 1998年 九江大堤是因为管涌而缺口的 第一节基本概念及研究意义 由于工程活动所引起起的潜蚀和管涌更为常见 如开挖深基坑或采矿竖井穿过饱水粉细砂层 在基坑或竖井中大量排除地下水 造成坑 井 内与边壁之间的大水头差 地下水层便会携带大量砂土由边壁涌入坑 井 之中 这就是工程中通称的流砂 quicksand 第一节基本概念及研究意义 第一节基本概念及研究意义 潜蚀 即土体中一部分小颗粒被渗透水流携出 较普遍发生在不均质砂层中流土 即土体表层某一部分土粒在垂直土层的渗透水流作用下全部浮动和流走 常发生在大坝下游坡脚有渗透水流逸出的土层中接触流土 即渗透水流近于垂直土层运动 当由颗粒粗细相差悬殊的细粒土进入粗粒土中时 细粒土被水流带入粗粒土中接触冲刷 渗透水流方向与土层平行 细粒土与粗粒土接触面上的土粒受粗粒土中流速较大的水流所冲刷并被它带走 第一节基本概念及研究意义 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 指岩土抵抗渗透水流作用的能力 时 就发生渗透变形 一 渗透变形的水动力条件地下水在松散土体中渗流时 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 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时 土体将处于悬浮状态而发生流土 单位土体承受的土压力 第二节渗透变形产生的条件 太沙基公式即 土粒的密度愈大 孔隙率愈小 则临界水力梯度愈大 也即土体愈不易发生渗透变形 流土 若砂土粒密度 s 2 65 n 50 30 则 但太沙基公式未考虑土体本身的抗剪强度 所以实测的各种土的临界梯度往往较上述公式计算结果相差很大 所以有必要进一步分析土的结构特性 土体的水下重量 若dp dq 即 临界水力梯度Jcr 第二节渗透变形产生的条件 二 土石结构及颗粒成分条件 土的抗渗强度土体抗渗强度取决于其本身的结构 制约渗透变形发生的土体结构特性 包括土中粗细颗粒直径比例 细粒物质的含量和土的级配特征 颗粒形状及排列方式等因素 一 粗细粒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 才能发生潜蚀 据研究其最优比为d0 d 8 一般天然无粘性土均为混粒结构 其孔隙率多为n 39 59 大颗粒粒径D与其孔隙d0比为D d0 2 5 所以有利于发生潜蚀的粗细粒径比为D d 20 第二节渗透变形产生的条件 二 细颗粒含量只有较多量的粗大颗粒构成骨架 才能形成直径较大的孔隙 易于产生潜蚀 如细颗粒达到一定含量致使颗粒间不能相互接触 不能由它构成骨架 则孔隙大小取决于细颗粒 则比较难以潜蚀 实验资料证实 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 当细粒含量 20 破坏 临点 梯度 0 5 较公式计算值 0 8 1 2 小得多 这可能是由于土的结构和孔隙不均一的缘故 第二节渗透变形产生的条件 三 土的级配特征土的级配特征可用土的不均粒系数Cu表示 Cu d60 d10 Cu值愈大 说明土愈不均匀 级配愈好 Cu20 潜蚀Cu在10 20之间 两种均可能发生研究临界水力梯度与不均粒系数之间的关系表明 砂土的Cu值愈小 土粒愈均匀 则Jcr值愈大 即产生流土的临界水力梯度较潜蚀的要大 第二节渗透变形产生的条件 四 压密固结程度经过压密固结的土不仅孔隙度有所降低 粒间嵌合力也有所增强 必然要经过渗流力浮动以后才能悬浮 其临界梯度和允许梯度显著高于颗粒成分相近但未经固结的土 固结程度不同的砂土的实测允许梯度 第二节渗透变形产生的条件 五 粘粒含量粘粒含量增多增加土的内聚力 增加土的抗潜蚀能力 第二节渗透变形产生的条件 三 渗流出口条件对于由渗流出口朔源发展的潜蚀 管涌型渗透变形 渗流出口有无适当保护 对渗透变形的产生和发展具有重要的意义 第二节渗透变形产生的条件 渗透变形的预测步骤 1 据土体类型和性质 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 主要是下游坝脚处实际水力梯度 3 确定临界水力梯度和允许水力梯度 4 据实际水力梯度和允许水力梯度比较 圈定出可能发生渗透变形的范围 第二节渗透变形产生的条件 一 判别渗透变形类型首先应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 第三节渗透变形可能性的判定 主要根据土的颗粒分析资料 可根据累积曲线和分布曲线的形状来判定 颗粒分析曲线形式与渗透变形类型 潜蚀 流土 潜蚀或流土 第三节渗透变形可能性的判定 还可以进一步根据累积曲线求出不均匀系数来判断 Cu20 潜蚀Cu在10 20之间 两种均可能发生 第三节渗透变形可能性的判定 二 确定坝基各点的实际水力梯度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 其中绘制流网比较简便而可靠 初步判定时可采用理论计算方法 1 理论计算法如果坝基为双层结构 且地层厚度稳定 透水性均一 第三节渗透变形可能性的判定 则在平面流情况下 坝后渗流溢出段的平均水力梯度 即逸出梯度 可按下式计算如果地质条件与上述类似 只是上层在坝上游缺失 则 第三节渗透变形可能性的判定 2 绘制流网法比较简便 且可靠性较高 所以是常用的方法 绘出流网图后 即可确定坝基任一点的水力梯度值 即 第三节渗透变形可能性的判定 确定临界水力梯度的方法也较多 有理论计算法 图表法及试验测定法等 可根据渗透变形的类型 工程重要性和不同勘察阶段等采用 1 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 1 砂土和砂砾土管涌临界水力梯度 可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 三 确定临界水力梯度和允许水力梯度 第三节渗透变形可能性的判定 2 当它们的不均粒系数小于1 20 渗透变形型式为流土时 则可采用临界水力坡度与不均粒系数关系曲线求取 砂土和砂砾土管涌临界水力梯度 可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 第三节渗透变形可能性的判定 3 也可参考渗透系数与临界水力梯度关系曲线来求取临界水力梯度 第三节渗透变形可能性的判定 2 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深度 是测定临界水力梯度最直接 可靠的方法 有室内试验和现场试验两种 临界水头 第三节渗透变形可能性的判定 若能野外现场采取50 50 50cm3原状土样的砂砾石和砾质土 可在试件四周浇0 1m厚的混凝土 底部铺以5 10mm砾石 并接上测压管和供水管后用混凝土板密封 即可运至室内进行原状样渗透变形试验 此法保持了砾质土的天然级配和结构 能较准确的测定渗透流量 渗透系数和临界梯度 第三节渗透变形可能性的判定 2 室内试验破坏了土的原状结构 可信度降低 重要工程需采用现场试验 有堤坝式 围堰式等方法 以堤坝式应用广泛 如试验砂层厚度不大 最好用封闭式 如下伏隔水层埋藏很深 半封闭式 第三节渗透变形可能性的判定 试验指标确定最细粒级开始跳动细粒流失增多 流失粒径增大 并出现若干通道试样破坏程度加剧 细粒流失量 结构发生质的变化 渗透量急剧增大 上游水位升不上去 临界梯度Jcr 局部破坏梯度 破坏梯度Jf 第三节渗透变形可能性的判定 第三节渗透变形可能性的判定 第三节渗透变形可能性的判定 第三节渗透变形可能性的判定 第三节渗透变形可能性的判定 渗透变形的防治 通常采用三方面的措施 1 改变渗流的动力条件2 保护渗流出口3 改善土石性质一 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 人工降低潜水位板桩防护墙2 地下巷道 水平巷道 盾构法施工竖井 沉井式支护抗掘进或采用冻结法 电动硅化法 第四节渗透变形的防治 二 汲水井的防止管涌措施过滤管与井壁间隙内充填反滤料 以保护渗流出口 1 在过滤管与井壁间隙内充填反滤料 以保护渗流出口 反滤料的粒径选择 必须要考虑到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为原则 2 过滤管外若缠绕丝网的话 要选择合适的网眼直径 3 非主要含水层的管涌土层 应采用止水措施将其与过滤管隔绝 第四节渗透变形的防治 三 土石坝防治渗透变形的措施1 垂直截渗 粘土截水槽 灌浆帷幕 混凝土防渗墙等 第四节渗透变形的防治 第四节渗透变形的防治 三 土石坝防治渗透变形的措施2 水平铺盖 第四节渗透变形的防治 3 排水减压在坝后的坝脚附近设置排水沟和减压井 它们的作用是吸收渗流和减小溢出段的实际水力梯度 第四节渗透变形的防治 三 土石坝防治渗透变形的措施4 反滤盖重反滤层是保护渗流出口的有效措施 它既可以保证排水通畅 降低溢出梯度 又起到盖重的作用 第四节渗透变形的防治 反滤层的粒径选择 第四节渗透变形的防治 第四节渗透变形的防治