滲透變形工程地質(zhì)研究.ppt

1、第四章 滲透變形工程地質(zhì)研究,4.1 概述 4.2 滲透變形的類型與特點 4.3 滲透變形產(chǎn)生的條件 4.4 滲透變形的預(yù)測 4.5 滲透變形的防治,4.1 概述,1、滲透壓力（動水壓力） 滲透水流作用于巖土上的力，稱滲透壓力或動水壓力。 2、滲透變形 當(dāng)此力達(dá)到一定值時，巖土中一些顆粒甚至整體就會發(fā)生移動而被滲流攜走，從而引起巖土的結(jié)構(gòu)變松，強度降低，甚至整體發(fā)生破壞。這種工程動力地質(zhì)作用或現(xiàn)象。稱之為滲透變形或滲透破壞。,需要具備的地質(zhì)條件,1、在自然界中，滲透變形一般發(fā)生在無粘性土和粉土。 2、更多的滲透變形現(xiàn)象則是發(fā)生在工程場地中，它不但在松散土體中發(fā)生，在基巖的斷裂破碎帶、軟弱夾層和

2、風(fēng)化殼中也可能發(fā)生。 如基坑和巷道開挖時的流沙現(xiàn)象，覆蓋型巖溶區(qū)礦山疏干排水或汲取地下水產(chǎn)生的地面塌陷，水壩壩基的管涌等。 3. 滲透變形現(xiàn)象在壩工建設(shè)中尤為引人關(guān)注。 4. 滲透變形也給礦山作業(yè)和地下巷道開拓帶來危害。,一、潛蝕 二、流土,4.2 滲透變形的類型與特點,一、潛蝕,潛蝕：在滲流作用下單個土顆發(fā)生獨立移動的現(xiàn)象，稱潛蝕或管涌。,潛蝕產(chǎn)生的地質(zhì)條件,潛蝕較普遍地發(fā)生存不均勻的砂層或砂卵(礫)石層中，細(xì)粒物質(zhì)從粗架骨架孔隙中被滲流攜走，使土層的孔隙和孔隙度增大，強度降低，發(fā)展下去會呈現(xiàn)“架交結(jié)構(gòu)”，接受造成地面塌陷。,潛蝕分類,潛蝕包括機械潛蝕和化學(xué)潛蝕兩種。 機械潛蝕：是指滲流的機

3、械沖刷力把細(xì)小的土顆粒攜走，而較大顆粒仍留在原處。 化學(xué)潛蝕：當(dāng)土中含有可溶鹽類的顆粒或膠結(jié)物時，水流溶蝕了它們，使土的結(jié)構(gòu)變松，孔隙度增大，水流的滲透能力加強，這就是化學(xué)潛蝕。,工程中的潛蝕,根據(jù)滲透方向與重力力方向的關(guān)系，可將管涌分為垂直管涌和水平管涌兩種。如圖所示，壩后地下水溢出段的翻砂現(xiàn)象即是垂直管涌；而水平管涌則發(fā)生在壩基底下。,土石壩壩基滲流示意圖,接觸管涌：當(dāng)粗、細(xì)顆粒土層互相疊置時，在它們接觸面上的滲流作用下所發(fā)生的管涌。 按滲流方向與接觸面的關(guān)系，分為垂直接觸管涌和平行接觸管涌兩種。抽水井孔若成井工藝較差，井周砂礫石層中的細(xì)顆粒就會向井管外反濾料管涌，而隨水流抽出井外。這種現(xiàn)

4、象即為垂直接觸管涌,砂粒向井管外反濾料的管涌,二、流土,1、流土：在滲流作用下一定體積的土體同時發(fā)生移動的現(xiàn)象，稱流土或流沙。 2、流土一般發(fā)生在均質(zhì)砂土層或粉土中。 3、流土的危害性較管涌大，它可使土體完全喪失強度。這種現(xiàn)象一般在工程場地中發(fā)生。如在飽水粉、細(xì)砂土和粉土中開挖基坑或地下巷道。 4、潛蝕和流土是可以轉(zhuǎn)化的，潛蝕的發(fā)展、演化，往往可以轉(zhuǎn)化為流土。,本節(jié)小結(jié),一、潛蝕 二、流土 潛蝕與流土定義，關(guān)系，工程上的應(yīng)用,4.3 滲透變形產(chǎn)生的條件,一、滲流的動水壓力及臨界水力梯度 二、土的抗?jié)B強度-結(jié)構(gòu)特性,一、滲流的動水壓力及臨界水力梯度,滲透力（動水壓力）：地下水在松散土體中滲流時，

5、由于水質(zhì)點之間以及水流與土粒之間摩擦阻力的作用，產(chǎn)生水頭損失，因而沿土粒周圍滲流的水頭將下降，也即滲流水壓力將下降。此時每一個土顆粒在水頭差作用下承受了來自水流的滲透力即動水壓力,滲透壓力示意圖,水壓力即為滲流因摩擦阻力而受到的水頭損失，它習(xí)慣上是以作用于單位體積土體上的水壓力來表征的，即,在水流由下往上滲透時，一旦當(dāng)動水壓力與土體的水下重量相等，土體將處于懸浮狀態(tài)而發(fā)生流土。此時滲流的水力梯度即為臨界水力梯度Icr即,(s-1)(1-n)，,式中：s為土粒密度；n為孔隙率,Icr(s-1)(1-n)，,上式即為著名的太沙基公式。按公式可知：土粒的密度愈大，孔隙率愈小，則臨界水力梯度愈大，也即

6、土體愈不易發(fā)生滲透變形(流土) 由于砂土和粉土的土粒密度為2.65t/m3左右，其孔隙率大致為30%一50，所以臨界水力梯度均在0.8-1.2之間。,二、土的抗?jié)B強度-結(jié)構(gòu)特性,土體抗?jié)B強度取決其本身的結(jié)構(gòu)，制約滲透變形發(fā)生的土體結(jié)構(gòu)特性，包括 (一)粗細(xì)粒徑的比例 (二)細(xì)顆粒的含量 (三)土的級配特征 (四)宏觀地質(zhì)因素和工程因素,(一)粗細(xì)粒徑的比例,1、只有當(dāng)土中細(xì)顆粒的粒徑d小于顆粒的骨架孔隙直徑d0時，才能發(fā)生潛蝕。 最優(yōu)比值為：d0/d8 有利于發(fā)生潛蝕的粗細(xì)粒徑比例D/d20 2、砂土顆粒粒徑與其孔隙比值的大小，與顆粒的排列方式關(guān)系極大 。 土愈疏松，則細(xì)小顆粒在孔隙個隨滲流運

7、動愈順暢；愈緊密則只能允許更細(xì)小的顆粒通過。這就是說，土愈疏松就愈易產(chǎn)生滲透變形,(二)細(xì)顆粒的含量,1、天然無粘性土顆粒組成相當(dāng)復(fù)雜，其分布曲線有單峰型、雙峰型和多峰型。,2、實驗資料證實，當(dāng)細(xì)粒含量達(dá)20-30時，產(chǎn)生滲透變形所需的水力梯度值急劇增大。,用細(xì)顆粒含量百分?jǐn)?shù)來判別雙峰型礫土的滲透變形型式,1、當(dāng)細(xì)顆粒含量35時，為流土; 2、當(dāng)粗顆粒含量25時，為潛蝕； 3、當(dāng)細(xì)顆粒含量在25%-35之間時，流土和潛蝕均可能發(fā)生，主要取決于礫土的密實程度及細(xì)顆粒的組成。中等以上密實度、細(xì)顆粒的不均粒系數(shù)較小的礫土，一般發(fā)生流土，反之為潛蝕。 4、細(xì)顆粒成分中粘粒含量的增加可增大土的凝聚力，因

8、而增大了土的抗?jié)B強度，使之不易產(chǎn)生滲透變形。,(三)土的級配特征,土的級配特征可用土的不均粒系數(shù)Cu表示 。Cu值愈大，說明土愈不均勻，級配愈好。 當(dāng)Cu10時，主要型式是流土； 當(dāng)Cu20時，主要型式是潛蝕； 當(dāng)Cu在10一20之間時，流土和潛蝕均可能發(fā)生。,(四)宏觀地質(zhì)因素和工程因素,1、宏觀地質(zhì)因素包括地層結(jié)構(gòu)和地形地貌條件兩個方面。 （1）地層結(jié)構(gòu) 單一型、雙層型、多厚層型和多薄層型等 （2）地形地貌 2、工程因素 主要指的是滲流出口的保護問題,4.4 滲透變形的預(yù)測,1、首先根據(jù)土體的類型和性質(zhì)，判定是否會產(chǎn)生滲透變形及滲透變形的類型 2、隨后確定壩基各點，主要是下游壩腳處的實際水

9、力梯度 3、確定臨界水力梯度和允許水力梯度 4、根據(jù)實際水力梯度與允許水梯度的比較，圈定出可能發(fā)生滲透變形的范圍,一、判定滲透變形的可能性及類型,1、首先應(yīng)分析壩基地層結(jié)構(gòu)和地形地貌條件 2、初步判定可能產(chǎn)生滲透變形的地段 3、根據(jù)顆粒分析資料繪制的累積曲線和分布曲線 4、計算出不均粒系數(shù)和細(xì)顆粒的百分含量判別滲透變形的類型。,顆粒分析曲線形式與滲透變形類型,二、確定壩基各點的實際水力梯度,1、理論算法,雙層結(jié)構(gòu)壩基示意圖,2、繪制流網(wǎng)法,單層均質(zhì)禹向同性透水層壩基滲透流網(wǎng)圖,雙層結(jié)構(gòu)壩基滲透流網(wǎng)圖,三、確定臨界水力梯度和允許水力梯度,1、工程等級較低或初期勘察階段，可采用圖表法估計臨界水力梯

10、度； 2、而工程等級較高或后期勘察階段，則應(yīng)采用試驗法直接確定臨界水力深度。,1、圖表法,（1）砂土和砂礫土管涌臨界水力梯度，可采用細(xì)顆粒含量與滲透破壞坡降關(guān)系曲線求得臨界水力梯度(即滲透破壞坡降)。,滲透破壞梯度與細(xì)粒含量關(guān)系圖,當(dāng)它們的不均粒系數(shù)小于1：20。滲透變形型式為流土?xí)r，則可采用臨界水力坡度與不均粒系數(shù)關(guān)系曲線求取,臨界水力梯度與不均粒系數(shù),可參考滲透系數(shù)與臨界水力梯度關(guān)系曲線來求取臨界水力梯度。,滲透系數(shù)與臨界梯度關(guān)系曲線,試驗法是測定臨界水力梯度最直接、可靠的方法，有室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗兩種,本節(jié)小結(jié),1、了解土體的類型和性質(zhì)，判定是否會產(chǎn)生滲透變形及滲透變形的類型 2、隨后確

11、定壩基各點，主要是下游壩腳處的實際水力梯度 3、確定臨界水力梯度和允許水力梯度 4、根據(jù)實際水力梯度與允許水梯度的比較，圈定出可能發(fā)生滲透變形的范圍,4.5 滲透變形的防治,一、建筑物基坑及地下巷道施工時流沙的防治措施 二、汲水井防止管涌的措施 三、土石壩防治滲透變形的措施,一、建筑物基坑及地下巷道施工時流沙的防治措施 1、建筑物基坑主要采取人工降低潛水位的辦法，使?jié)撍坏陀诨拥装濉Ｒ部刹捎冒鍢斗雷o墻施工。 2、水平巷道、豎井開挖遇流沙時，可采用特殊的施工方法，如水平巷道可采用盾構(gòu)法施工。豎井可采用沉井式支護掘進。也有采用凍結(jié)法或電動硅化法等改善砂土性質(zhì)的辦法，使施工順利進行,二、汲水井防止

12、管涌的措施,（1）在過濾管與井壁間隙內(nèi)充填反濾料，以保護滲流出口。反濾料的粒徑選擇，必須要考慮到被保護含水層中管涌顆粒的大小，使細(xì)顆粒不能通過反濾料的孔隙為原則。 （2）過濾管外若纏繞絲網(wǎng)的話，要選擇合適的網(wǎng)眼直徑。 （3）非主要含水層的管涌土層，應(yīng)采用止水措施將其與過濾管隔絕。,三、土石壩防治滲透變形的措施,興建于松散土體上的土石壩，防治滲透變形的主要措施有：垂直截滲、水平鋪蓋、排水減壓和反濾蓋重四項。 （一）垂直截滲 （二）水平鋪蓋 （三） 排水減壓 （四） 反濾蓋重,（一）垂直截滲,（2）灌漿帷幕適用于大多數(shù)松散土體壩基。砂卵石壩基一般采用水泥和粘土的混合漿灌注，而中細(xì)砂層必須采用化學(xué)漿液(丙凝)灌注。由于灌漿壓力較大，故這種方法最好在沖積層較厚的情況下使用。 （3）混凝土防滲墻適用于砂卵石