工程地質(zhì)滲透變形

,工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ),主講：李效萌,東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院,第六章滲透變形工程地質(zhì)研究,概述滲透變形產(chǎn)生的條件滲透變形的預(yù)測(cè)滲透變形的防治,提要,第一節(jié)概述,一、概念滲透變形：巖土體在地下水滲透力（動(dòng)水壓力）的作用下，部分顆?；蛘w發(fā)生移動(dòng)，引起巖土體的變形和破壞的作用和現(xiàn)象。表現(xiàn)為鼓脹、浮動(dòng)、斷裂、泉眼、沙浮、土體翻動(dòng)等。,二、研究意義,堤岸,1998年長(zhǎng)江洪水險(xiǎn)情以滲流險(xiǎn)情最為普遍，沿長(zhǎng)江6000余處險(xiǎn)情中就有400余處屬滲流險(xiǎn)情。其中管涌被視為險(xiǎn)中之險(xiǎn)。一般來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)江中下游平原沖積地層，上面是粘性土；往下是粉砂、細(xì)砂等，砂層間也有粘性土夾層的，再往下則是砂礫及卵石等強(qiáng)透水層，在河床中露頭與河水相通。在汛期高水位時(shí)由于滲水流經(jīng)強(qiáng)透水層壓力損失很小，堤內(nèi)數(shù)百米范圍內(nèi)粘土層下面仍承受很大的水壓力，如果這股水壓力，沖破了粘土層，下面的粉砂、細(xì)砂就會(huì)隨水流出（在沒(méi)有反濾層保護(hù)的情況下），從而發(fā)生管涌。,2003年7月1日凌晨4時(shí)，正在施工中的上海軌道交通4號(hào)線（浦東南路至南浦大橋）區(qū)間隧道浦西聯(lián)絡(luò)通道發(fā)生滲水，隨后大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。上午9時(shí)左右，地面建筑物中山南路847號(hào)一幢八層樓房發(fā)生傾斜，其裙房部分倒塌。由于報(bào)警及時(shí)，所有人員提前撤出，無(wú)人員傷亡。,三、滲透變形的類型,1.管涌：在滲流作用下，細(xì)顆粒沿土體骨架中的孔道發(fā)生移動(dòng)帶走的現(xiàn)象，又稱潛蝕。根據(jù)滲透方向與重力方向的關(guān)系：垂直管涌水平管涌,2.流土：在滲透作用下，土體中的顆粒群或團(tuán)塊同時(shí)發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象。常發(fā)生于均質(zhì)砂土層和亞砂土層中。,第二節(jié)滲透變形產(chǎn)生的條件,一、滲流的動(dòng)水壓力及臨界水力梯度流入：pA=h1wgdw流出：pB=h2wgdw滲透壓力：dP=pA-pB=dwwdhg,水下重量dQ=dW-dF=(sat-)gdldw=gdldw,動(dòng)水壓力（D）：?jiǎn)挝惑w積土層所受的滲透壓力,當(dāng)dp=dQ時(shí)，單元體處于臨界懸浮狀態(tài)，即將發(fā)生流土。此時(shí)滲流的水力梯度為臨界水力梯度Icr土的抗?jié)B強(qiáng)度。則有：dwdhg=gdldwdh/dl=/Icr=dh/dl=/,Icr=(s-1)(1-n)太沙基公式,土粒越密實(shí)，n越小，Icr越大，土體越不容易發(fā)生滲透變形。,管涌的Icr的求取較為復(fù)雜，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定。,二、土體性質(zhì)與滲透變形類型土體結(jié)構(gòu)包括了土中粗細(xì)顆粒直徑比例、細(xì)粒物質(zhì)含量、土的級(jí)配等。,1.粗細(xì)顆粒直徑比例細(xì)粒從空隙中流動(dòng)最優(yōu)比例：d0/d=8天然無(wú)粘性土n=0.395D/d0=2.5D/d=20有利于管涌,d0：孔隙直徑d：細(xì)顆粒直徑D：粗顆粒直徑,土體的排列方式?jīng)Q定著D/d0的值：當(dāng)排列疏松時(shí)，D/d0減小，D/d減小，有利于滲透變形當(dāng)排列密實(shí)時(shí)，D/d0增大，D/d增大，不利于滲透變形,2.細(xì)顆粒的含量,用細(xì)顆粒含量來(lái)判別雙峰型礫土的滲透變形型式：35%流土I允發(fā)生滲透變形I實(shí)I允不發(fā)生滲透變形,第四節(jié)滲透變形的防治,一、防治原則1.改變滲流的水動(dòng)力條件，減少動(dòng)水壓力即降低水力梯度2.改變土體結(jié)構(gòu)，提高抗?jié)B能力,二、防治措施1.垂直截滲：防滲帷幕2.鋪蓋3.人工降低地下水位4.反濾蓋重5.物理、化學(xué)方法改造凍結(jié)、電動(dòng)硅化、灌漿（化學(xué)漿液）,反濾層的設(shè)計(jì)與施工在導(dǎo)滲溝、貼坡反濾、減壓溝、減壓井等的設(shè)計(jì)中均有反濾層的設(shè)計(jì)問(wèn)題，為此專門進(jìn)行討論。（一）反濾層的用途反濾層是排水設(shè)備的主要組成部分，其作用是濾土排水，防止?jié)B流逸出處遭受滲透破壞以及滲流造成的表面水流沖刷。對(duì)有承壓水的地層還起壓重作用。（二）對(duì)反濾層的要求1.透水性應(yīng)大于被保護(hù)土，并能將滲透水流通暢排出；2.使被保護(hù)的土層不發(fā)生滲透變形；3.不致被細(xì)顆粒淤塞失效；,（三）反濾層的類型劃分反濾層類型的目的主要是為了合理地確定反濾層數(shù)，因此只分兩種類型。1.型反濾：其特點(diǎn)是反濾層位于被保護(hù)土層的下部，滲流方向主要由上向下（圖A）。如褥墊排水。2.型反濾：其特點(diǎn)是反濾層位于被保護(hù)土層的上部，滲流方向主要由下向上（圖B）。如減壓溝的反濾層。滲流方向近乎水平或傾斜向，反濾層近乎垂直或傾斜向的情況，屬于過(guò)渡型，如減壓井、貼坡反濾等，可歸為型。,圖A型反濾,圖B型反濾,（四）反濾層的設(shè)計(jì)內(nèi)容反濾層的設(shè)計(jì)可分為保護(hù)無(wú)粘性土和保護(hù)粘性土兩大類，設(shè)計(jì)內(nèi)容有：1.確定反濾層的類型；2.根據(jù)濾土準(zhǔn)則，確定反濾層的級(jí)配或選擇土工織物產(chǎn)品。并據(jù)以選擇宜于作反濾層的天然料場(chǎng)或確定人工篩選的任務(wù)。3.對(duì)砂礫反濾料確定反濾層的厚度和層數(shù)；4.鑒定反濾料的透水性，對(duì)土工織物反濾層還應(yīng)鑒定淤堵性；5.有縱向滲流時(shí)，鑒定沿反濾層和被保護(hù)土層接觸面的沖刷穩(wěn)定性。,（五）砂礫料反濾層的設(shè)計(jì)與施工1.反濾料的選擇對(duì)于被保護(hù)土的第一層反濾料，建議用下列方法確定；D15/d8545D15/d155式中：D15為過(guò)篩重量占15時(shí)的反濾料粒徑，d85為過(guò)篩重量占85時(shí)的被保護(hù)土的顆粒直徑；d15為過(guò)篩重量占15時(shí)的被保護(hù)土的顆粒粒徑。當(dāng)選擇第二、三層反濾料時(shí)，可同樣按以上方法確定。但選擇第二層反濾時(shí)第一層反濾為被保護(hù)土，選擇第三層反濾時(shí)第二層反濾為被保護(hù)土。,2.反濾層厚度的確定反濾層的厚度應(yīng)根據(jù)反濾料的級(jí)配、料源、用途、施工方法等情況綜合考慮確定。水平反濾層的最小厚度可采用30cm，垂直或傾斜反濾層的最小厚度可采用50cm。采用推土機(jī)平料時(shí)，最小水平寬度宜不小于3.0m。3.施工要求反濾料應(yīng)具有要求的級(jí)配，且小于0.1毫米的顆粒含量不大于5，并有要求的透水性。質(zhì)地應(yīng)致密堅(jiān)硬，具有高度的抗水性和抗風(fēng)化能力，風(fēng)化料一般不能用作反濾料，如必須應(yīng)用時(shí)應(yīng)進(jìn)行充分論證。反濾料宜盡量利用天然砂礫料篩選，在缺乏天然砂礫料時(shí)，也可以采用人工砂石料，但應(yīng)選用抗水性和抗風(fēng)化能力強(qiáng)的母巖軋制。鋪反濾層前應(yīng)采用挖除法將基面整平，對(duì)個(gè)別低洼處采用與基面相同的土料或第一層反濾料進(jìn)行填平。鋪筑時(shí)應(yīng)由底部向上逐層鋪設(shè)，并保證層次清楚，互不混雜，不得從高出順坡傾倒，以免發(fā)生填筑分離。對(duì)反濾層必須進(jìn)行壓實(shí)，在施工中應(yīng)防止雨水沖泥等污染反濾料。,堤身防治工程的設(shè)計(jì)與施工堤身滲透破壞的除險(xiǎn)加固措施主要有：臨水坡斜墻防滲、堤身垂直防滲、貼坡排水、透水后戧（壓浸臺(tái)）、水平排水等，對(duì)堤身缺陷可以采用回填或灌漿的辦法進(jìn)行處理。,（一）防滲斜墻1.設(shè)計(jì)考慮對(duì)臨水側(cè)有鋪蓋或地基有垂直防滲的情況，斜墻應(yīng)與其連成一體，構(gòu)成完整的防滲體系，以提高防滲效果。斜墻的尺寸應(yīng)根據(jù)散浸的范圍、出滲點(diǎn)的高度和滲水的嚴(yán)重程度經(jīng)計(jì)算確定，長(zhǎng)度至少超過(guò)滲水段兩端各5m，高度應(yīng)超過(guò)設(shè)防水位0.51.0m。對(duì)粘土斜墻，垂直于堤坡方向的厚度為12m，坡度與原堤身相當(dāng)或稍緩。為防止粘土斜墻干裂、凍裂和其它侵害的影響，應(yīng)設(shè)壤土保護(hù)層，一般情況，保護(hù)層高于墻頂1.01.5m，垂直堤坡方向的厚度為0.8m。,2.從施工考慮施工時(shí)應(yīng)首先清除邊坡和坡腳附近的雜草、樹木等雜物，清除厚度1020cm，并適當(dāng)整平。斜墻應(yīng)選用粘性較大的土料且不得含植物根莖等雜質(zhì)，填筑壓實(shí)度應(yīng)不小于0.94，含水率與最優(yōu)含水率的允許偏差為3。當(dāng)用土工膜作隔滲層建造斜墻時(shí)，土工膜幅間的拼接應(yīng)采取焊接或粘接方式，確保施工質(zhì)量，并注意施工中不要損壞土工膜。另外還需保證土工膜與堤身牢固接合，并采取防止生物破壞的措施。,（二）堤身垂直防滲垂直防滲的位置宜布置在臨水堤腳或堤頂盡量靠近臨水側(cè)，并與堤身防滲體連成一體。根據(jù)近幾年的實(shí)踐，比較經(jīng)濟(jì)合理有效的堤身垂直防滲技術(shù)有：錐探灌漿、劈裂灌漿、和垂直鋪塑等。1.錐探灌漿在堤頂采用梅花形方式布孔并進(jìn)行充填灌漿。實(shí)踐證明，錐探灌漿是處理堤身隱患的一個(gè)比較有效的方法，但由于鉆孔數(shù)量多往往造價(jià)較高。,2.劈裂灌漿沿堤頂軸線單排布孔，利用灌漿壓力將堤身沿其走向劈開并灌漿，從而在堤身內(nèi)沿其走向形成一厚度10cm左右的防滲幕。同時(shí)還具有壓密堤身和充填洞穴的作用，可獲得事半功倍的效果。該方法已經(jīng)在許多堤防和土壩中得到應(yīng)用，效果明顯。3.垂直鋪塑在堤頂沿大堤走向用開槽機(jī)在堤身內(nèi)垂直成槽，然后鋪設(shè)土工膜并用粘土漿回填，從而達(dá)到降低堤身滲流量和浸潤(rùn)線的目的。該方法已經(jīng)在黃河大堤上采用并取得較好的效果。,（三）貼坡排水為避免滲水對(duì)堤坡的沖刷和滲流出口發(fā)生流土破壞，可以采用貼坡反濾進(jìn)行處理。施工時(shí)應(yīng)清除堤坡表面的草皮、雜物，清除深度1020cm，貼坡反濾的高度應(yīng)高出最高的滲流出逸點(diǎn)0.51.0m，長(zhǎng)度應(yīng)超出散浸堤段兩端至少3m。根據(jù)反濾材料不同，有以下兩種方法可供選用：1.砂礫料貼坡排水:砂礫料貼坡排水的各層厚度如圖A所示。褥墊排水的設(shè)計(jì)、材料的選用、反濾層鋪設(shè)施工等的有關(guān)細(xì)節(jié)，請(qǐng)參見反濾層的設(shè)計(jì)與施工。2.土工織物貼坡排水（圖B）,圖B土工織物反濾層貼坡排水示意圖,圖A砂礫料貼坡排水示意圖,（四）透水后戧亦稱透水壓浸平臺(tái)。它既能防止散浸造成的滲透破壞，又能加大堤身斷面從而達(dá)到穩(wěn)定堤坡的目的。一般適用于散浸嚴(yán)重、堤身斷面單薄、背水坡較陡、外灘狹窄的情況。透水后戧應(yīng)采用比堤身透水性大的材料填筑，高度應(yīng)高出滲水的最高出逸點(diǎn)0.51.0m，頂寬24m，坡度1:31:5，長(zhǎng)度應(yīng)超出散浸堤段兩端各5m。戧體材料滲透性大斷面可小一些，相反則應(yīng)大一些。當(dāng)?shù)躺磔^高時(shí)可采用兩級(jí)或多級(jí)戧臺(tái)。施工時(shí)應(yīng)清除堤坡上的草皮和雜物，清除深度1020cm。填筑戧體時(shí)應(yīng)進(jìn)行壓實(shí)，相對(duì)密度不小于0.65。,透水后戧示意圖,（五）水平排水這種方法只有在堤壩加高培厚和增設(shè)壓滲臺(tái)時(shí)才可能應(yīng)用。水平排水不但可以降低堤身的浸潤(rùn)線，對(duì)透水堤基還可以有效降低堤基的出逸比降，但會(huì)使堤基的滲流量有所增加。采用水平排水可以減小壓滲戧臺(tái)的工程量，如圖所示。水平排水的長(zhǎng)度、厚度應(yīng)根據(jù)滲流計(jì)算來(lái)確定。,堤基防治工程的設(shè)計(jì)與施工堤基除險(xiǎn)加固的措施有：臨水側(cè)防滲鋪蓋、垂直防滲、背水側(cè)壓滲蓋重、排水減壓溝和減壓井等。（一）臨水側(cè)防滲鋪蓋如果封閉式垂直防滲幕墻不盡合理，背水側(cè)又無(wú)條件做壓滲蓋重，而臨水側(cè)有穩(wěn)定的外灘時(shí)，可以采用臨水側(cè)防滲鋪蓋來(lái)減小背水側(cè)堤基的出逸比降和地基滲流量，但其效果有一定限度。對(duì)近似均質(zhì)透水堤基，臨水側(cè)鋪蓋的效果比較明顯，當(dāng)表層地層的滲透系數(shù)小于深部地層較多時(shí)，臨水側(cè)鋪蓋的效果將降低。,1.設(shè)計(jì)考慮采用臨水側(cè)防滲鋪蓋時(shí)，一般應(yīng)結(jié)合背水側(cè)的滲流控制措施，如壓滲蓋重和減壓溝或減壓井，以達(dá)到有效控制堤基滲流、防止管涌破壞和經(jīng)濟(jì)合理的目的。臨水側(cè)防滲鋪蓋的效果取決于其長(zhǎng)度、厚度和垂直向的滲透系數(shù)，并與堤基土體的分層性及滲透性有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過(guò)計(jì)算確定，并應(yīng)滿足地基、鋪蓋以及鋪蓋與地基之間的滲透穩(wěn)定要求。當(dāng)利用天然弱透水層作為防滲鋪蓋時(shí)，應(yīng)查明天然弱透水層及下臥透水層的分布、厚度、級(jí)配、滲透系數(shù)和允許滲透比降等情況，在天然鋪蓋不足的部位應(yīng)采用人工鋪蓋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。在缺乏防滲土料的地區(qū)可以用土工膜做防滲材料，但土工膜的上部必須設(shè)置保護(hù)層。,鋪蓋土料應(yīng)具有一定的防滲性能，通常其滲透系數(shù)最好不大于1105cm/s，如果滲透系數(shù)過(guò)大，即使加長(zhǎng)鋪蓋其防滲效果也不會(huì)有大的增加。鋪蓋應(yīng)采用不等厚形式，遠(yuǎn)離堤腳處應(yīng)薄一些，但不應(yīng)小于0.51.0m，近堤腳處應(yīng)厚一些，并應(yīng)考慮與堤身防滲連成一體。鋪蓋設(shè)計(jì)時(shí)，一般先根據(jù)凈水頭和堤基的允許水力比降初步確定所需的等效長(zhǎng)度，然后通過(guò)經(jīng)濟(jì)比較選擇鋪蓋的長(zhǎng)度、厚度和鋪蓋的滲透系數(shù)，最后對(duì)鋪蓋本身的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行校核。對(duì)粉質(zhì)壤土修筑的鋪蓋，其允許水力比降為46。,2.施工考慮當(dāng)已經(jīng)存在不透水的天然鋪蓋時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)檢查，看是否存在缺失區(qū)、樹根孔洞、塌坑等通向透水地基的滲流通道，如果有，應(yīng)采用不透水材料進(jìn)行充填或覆蓋。外灘取土必須在鋪蓋長(zhǎng)度范圍以外，以保證鋪蓋的整體防滲功能。鋪蓋施工應(yīng)采用分層鋪筑的方法，依靠運(yùn)輸與攤鋪機(jī)械的行使壓實(shí)。鋪蓋與堤身防滲斜墻連接處宜選用相同的材料。,（二）垂直防滲垂直防滲特別適用于地基透水層較薄、隔水層較淺的情況，此時(shí)可以做成封閉式防滲幕墻，堤基的滲流量和揚(yáng)壓力可以得到有效控制，從而可以達(dá)到根治堤基滲透破壞的目的（圖A）。對(duì)雙層或多層透水地基且透水層較深的情況，懸掛式垂直防滲幕墻的效果很差（圖B），封閉式垂直防滲難度大且造價(jià)太高，不宜采用。對(duì)多層地基且存在淺層弱透水層的情況（圖C），可以考慮半封閉式垂直防滲，但必須在勘察資料充分并經(jīng)滲流計(jì)算充分論證后方可采用。垂直防滲應(yīng)布置在臨水堤腳或堤頂靠臨水側(cè)。,圖A:封閉式垂直防滲墻的滲流控制效果單位：m,圖B:懸掛式垂直防滲墻的滲流控制效果單位：m,圖C:半封閉式垂直防滲墻的滲流控制效果單位：m實(shí)線：有防滲墻時(shí)的浸潤(rùn)線和10%水頭間隔的等勢(shì)線虛線：無(wú)防滲墻時(shí)的浸潤(rùn)線和10%水頭間隔的等勢(shì)線,（三）背水側(cè)壓滲蓋重當(dāng)沒(méi)有必要采用封閉式垂直防滲幕墻或其造價(jià)太高時(shí)，可以采用背水側(cè)壓滲蓋重的方法，來(lái)防止堤基滲流對(duì)表土層的滲透破壞。如果所需蓋竽太長(zhǎng)，應(yīng)考慮與減壓溝井聯(lián)合使用的方法。其他的背水側(cè)滲流控制措施，對(duì)堤身高度較大的情況，可以設(shè)置兩層壓滲蓋重平臺(tái)。這種方法在堤防工程中廣為應(yīng)用，效果明顯。壓滲蓋重的形式很多，可以由不透水的變換到完全自由排水的。其形式的選擇，取決于材料的料源及每種形式的費(fèi)用大小。,98長(zhǎng)江大洪水管涌研究實(shí)例:1998年長(zhǎng)江洪水險(xiǎn)情以滲流險(xiǎn)情最為普遍，沿長(zhǎng)江6000余處險(xiǎn)情中就有400余處屬滲流險(xiǎn)情。其中管涌被視為險(xiǎn)中之險(xiǎn)。如果冒砂管涌洞口出現(xiàn)在堤內(nèi)腳附近，外側(cè)江水面有游渦跡象，自然以迅速在外側(cè)堵漏為上策。但如果管涌險(xiǎn)情離堤很遠(yuǎn)，就只有在管涌出口導(dǎo)濾壓蓋了。此時(shí)除壓蓋備料應(yīng)符合攔砂不阻水的原則外，還得設(shè)法判別管涌險(xiǎn)情是否會(huì)繼續(xù)發(fā)展影響大