專題四 巖土體滲透穩(wěn)定問題

1、專題四專題四 巖土體的滲透穩(wěn)定問題巖土體的滲透穩(wěn)定問題滲透滲透：水在巖土體中的流動過程稱為滲透。：水在巖土體中的流動過程稱為滲透。巖土體具有滲透的性質稱為巖土體的滲透性。巖土體具有滲透的性質稱為巖土體的滲透性。滲透變形滲透變形：是指土體或巖體在滲透水流作用下，：是指土體或巖體在滲透水流作用下，其顆粒發(fā)生移動或被帶出、顆粒的成分及土的結其顆粒發(fā)生移動或被帶出、顆粒的成分及土的結構發(fā)生變化的現(xiàn)象。構發(fā)生變化的現(xiàn)象。必要的說明：必要的說明：既可產生于土體，也可產生于巖體（破碎帶、軟弱和既可產生于土體，也可產生于巖體（破碎帶、軟弱和泥化夾層、全強風化帶）；泥化夾層、全強風化帶）；既有化學溶蝕（溶解、陽

2、離子交換），也有機械潛蝕既有化學溶蝕（溶解、陽離子交換），也有機械潛蝕（顆粒移動、結構破壞）；（顆粒移動、結構破壞）；壩基、堤基、基坑、邊坡、圍巖中均可發(fā)生。壩基、堤基、基坑、邊坡、圍巖中均可發(fā)生。一、滲透破壞形式一、滲透破壞形式1 1、管涌。在滲流作用下，土體的細土粒在粗土粒、管涌。在滲流作用下，土體的細土粒在粗土粒形成的孔隙通道中發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象。形成的孔隙通道中發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象。主要發(fā)生在內部結構不穩(wěn)定的砂礫土中。主要發(fā)生在內部結構不穩(wěn)定的砂礫土中。通過壩基的管涌示意圖通過壩基的管涌示意圖壩基管涌失事示意圖壩基管涌失事示意圖2 2、流土。在上升流作用下，動水壓力超過土、流土。

3、在上升流作用下，動水壓力超過土重度時。土體的表面隆起、浮動或某一顆粒重度時。土體的表面隆起、浮動或某一顆粒群的同時起動而流失的現(xiàn)象就稱為流土。流群的同時起動而流失的現(xiàn)象就稱為流土。流土主要發(fā)生在滲流出口無任何保護的部位。土主要發(fā)生在滲流出口無任何保護的部位。發(fā)生于粘性土、粉土及互層狀土體。發(fā)生于粘性土、粉土及互層狀土體。 發(fā)生于砂土中時，所有顆粒同時處于懸發(fā)生于砂土中時，所有顆粒同時處于懸浮狀態(tài)，而管涌只在小泉眼處出現(xiàn)細顆粒的浮狀態(tài)，而管涌只在小泉眼處出現(xiàn)細顆粒的跳動。跳動。河堤下游覆蓋層下流砂涌出的現(xiàn)象河堤下游覆蓋層下流砂涌出的現(xiàn)象管涌與流土的區(qū)別管涌與流土的區(qū)別管涌只發(fā)生在砂性土中，而流土

4、在砂性管涌只發(fā)生在砂性土中，而流土在砂性土和粘性土中均可發(fā)生；土和粘性土中均可發(fā)生；流土只發(fā)生在滲透水流上升區(qū)（逸出流土只發(fā)生在滲透水流上升區(qū)（逸出處），而管涌在滲透水流逸出處、入滲處處），而管涌在滲透水流逸出處、入滲處和滲流區(qū)（地基土內部）均可發(fā)生；和滲流區(qū)（地基土內部）均可發(fā)生；產生管涌的土體較松散，顆粒大小不一，產生管涌的土體較松散，顆粒大小不一，且粘結力弱，而產生流土的土體較密實，且粘結力弱，而產生流土的土體較密實，顆粒大小均一，且具有一定的粘結力。顆粒大小均一，且具有一定的粘結力。3、接觸沖刷：當滲流方向平行兩種滲透系、接觸沖刷：當滲流方向平行兩種滲透系數(shù)不同的土層接觸面或建筑物（含

5、基礎）與數(shù)不同的土層接觸面或建筑物（含基礎）與地基的接觸面時，沿接觸面帶走細顆粒的現(xiàn)地基的接觸面時，沿接觸面帶走細顆粒的現(xiàn)象。諸如建筑物與地基、土壩與涵管等接觸象。諸如建筑物與地基、土壩與涵管等接觸面流動促成的沖刷。面流動促成的沖刷。4、接觸流失：在層次分明、滲透系數(shù)相差、接觸流失：在層次分明、滲透系數(shù)相差懸殊的土層中，當滲流垂直于層面將滲透系懸殊的土層中，當滲流垂直于層面將滲透系數(shù)小的土層中的細顆粒帶到滲透系數(shù)大的土數(shù)小的土層中的細顆粒帶到滲透系數(shù)大的土層中的現(xiàn)象。層中的現(xiàn)象。二、滲透變形產生的條件二、滲透變形產生的條件根據滲透破壞的機理，可將條件分為兩種類型：其根據滲透破壞的機理，可將條件

6、分為兩種類型：其一是動水壓力和土體結構，他們是產生滲透變形的一是動水壓力和土體結構，他們是產生滲透變形的必要條件；另一類是地質條件和工程因素，可稱為必要條件；另一類是地質條件和工程因素，可稱為充分條件。充分條件。（一）滲流動水壓力和臨界水力坡度的概念（一）滲流動水壓力和臨界水力坡度的概念滲透壓力滲透壓力：是滲透水流作用在單位土體上的壓力，：是滲透水流作用在單位土體上的壓力，方向與滲流方向相同。其大小主要與滲透水流的水方向與滲流方向相同。其大小主要與滲透水流的水力坡降和水的容重有關，即：力坡降和水的容重有關，即：IDw動動Dw動水壓力動水壓力水的容重水的容重滲透水流的水力坡降滲透水流的水力坡降I

7、水力坡度：為水流沿滲透途徑的水頭降落值與相應滲透途水力坡度：為水流沿滲透途徑的水頭降落值與相應滲透途徑長度的比值（徑長度的比值（ , 為水頭差，為水頭差， 為滲流距離）為滲流距離）LHIHL臨界水力坡降臨界水力坡降就是滲透水流使土體剛剛發(fā)生滲就是滲透水流使土體剛剛發(fā)生滲透變形時具有的水力坡降。透變形時具有的水力坡降。11nIcpcpIn臨界水力坡降臨界水力坡降土的浮容重土的浮容重土的孔隙度土的孔隙度土粒比重土粒比重一般情況下，當滲透水流的實際水力坡降值大于一般情況下，當滲透水流的實際水力坡降值大于土體的臨界水力坡降時，則將產生滲透變形；土體的臨界水力坡降時，則將產生滲透變形；反之，若滲透水流的

8、實際水力坡降值小于土體的反之，若滲透水流的實際水力坡降值小于土體的臨界水力坡降時，則不會產生滲透變形。臨界水力坡降時，則不會產生滲透變形。在實際應用中，因考慮到土體具有一定的粘結強在實際應用中，因考慮到土體具有一定的粘結強度，故臨界水力坡度計算公式修正為度，故臨界水力坡度計算公式修正為nnIcp5 . 011（二）土的抗?jié)B強度（二）土的抗?jié)B強度 土體抗?jié)B強度一般指土體抵抗?jié)B透破壞的能力，土體抗?jié)B強度一般指土體抵抗?jié)B透破壞的能力，是評價土體和水工建筑物滲透穩(wěn)定的主要依據。是評價土體和水工建筑物滲透穩(wěn)定的主要依據。土體抗?jié)B強度的大小主要受土中顆粒級配及細土體抗?jié)B強度的大小主要受土中顆粒級配及細粒物

9、質的含量的影響。粒物質的含量的影響。 (1)(1)粗細粒徑的比例。研究表明，土體易粗細粒徑的比例。研究表明，土體易于發(fā)生管涌的粗細粒徑比例為于發(fā)生管涌的粗細粒徑比例為D D6060d d10102020。土。土越疏松，細顆粒物質在孔隙中隨滲流運動越容越疏松，細顆粒物質在孔隙中隨滲流運動越容易。易。 (2)(2)細顆粒的含量。細顆粒的含量。當細顆粒含量當細顆粒含量3535時，滲透破壞類型為流土型時，滲透破壞類型為流土型當細顆粒含量當細顆粒含量2525時，則為管涌型；時，則為管涌型；當細顆粒含量在當細顆粒含量在25253535之間時，流土和管涌之間時，流土和管涌均可能發(fā)生，且主要取決于碎石土的密實

10、程度及均可能發(fā)生，且主要取決于碎石土的密實程度及細顆粒的組成，相對密度細顆粒的組成，相對密度DrDr0.330.33、細顆粒不均、細顆粒不均勻系數(shù)勻系數(shù) 較小的礫石類土，一般發(fā)生較小的礫石類土，一般發(fā)生流土，反之則為管涌。流土，反之則為管涌。細顆粒成分中粘粒含量增加可增大土的內聚力，細顆粒成分中粘粒含量增加可增大土的內聚力，從而增大土體的抗?jié)B強度。從而增大土體的抗?jié)B強度。 1060ddCu(3)(3)土的顆粒級配。土的級配用不均勻系數(shù)土的顆粒級配。土的級配用不均勻系數(shù)CuCu表示。表示。當當CuCu1010時，滲透變形的主要形式為流土；時，滲透變形的主要形式為流土；當當CuCu2020時，主要

11、形式為管誦；時，主要形式為管誦；當當CuCu在在10102020之間時，流土和管涌均可能發(fā)生。之間時，流土和管涌均可能發(fā)生。臨界水力坡度與不均勻系數(shù)的關系可用下圖表示。臨界水力坡度與不均勻系數(shù)的關系可用下圖表示。臨界水力坡度與土不均勻系數(shù)關系曲線臨界水力坡度與土不均勻系數(shù)關系曲線 ( (三三) )地質條件對滲透變形的影響地質條件對滲透變形的影響 (1)(1)地層分布特征。單一的砂礫石層，以管地層分布特征。單一的砂礫石層，以管涌型滲透變形為主。對于雙層及多層結構的土層，涌型滲透變形為主。對于雙層及多層結構的土層，滲透變形取決于表層粘性土的性質、厚度和分布滲透變形取決于表層粘性土的性質、厚度和分布

12、范圍。若粘性土層厚且分布范圍大，盡管下臥砂范圍。若粘性土層厚且分布范圍大，盡管下臥砂礫石層水力梯度大，也不易發(fā)生滲透變形。礫石層水力梯度大，也不易發(fā)生滲透變形。 (2)(2)地形地貌條件。溝谷深切影響了滲流的地形地貌條件。溝谷深切影響了滲流的補給條件、滲徑長度和出口條件，尤其是壩基上、補給條件、滲徑長度和出口條件，尤其是壩基上、下游的溝谷將表土層切穿，則有利于滲流的補下游的溝谷將表土層切穿，則有利于滲流的補給并使?jié)B徑縮短而增大水力梯度；若下游地下給并使?jié)B徑縮短而增大水力梯度；若下游地下水逸出段的滲流出口具有臨空條件，則有利于滲水逸出段的滲流出口具有臨空條件，則有利于滲透變形的發(fā)生。透變形的發(fā)生

13、。( (四四) )工程因素工程因素 工程因素對滲透變形的影響主要包括大壩和工程因素對滲透變形的影響主要包括大壩和汲水井的滲流出口條件、庫水位的驟降、施工破汲水井的滲流出口條件、庫水位的驟降、施工破壞透水層及建筑物底面輪廓等。壞透水層及建筑物底面輪廓等。 三、滲透變形的防治措施三、滲透變形的防治措施 控制壩基及地基的滲流，其主要任務可歸結控制壩基及地基的滲流，其主要任務可歸結為三點：為三點：一是盡量減少滲漏量；一是盡量減少滲漏量；二是提早釋放滲透壓力，保證地基與水工建筑物二是提早釋放滲透壓力，保證地基與水工建筑物有足夠的靜力穩(wěn)定性；有足夠的靜力穩(wěn)定性；三是防止?jié)B透破壞，保證滲透穩(wěn)定性。三是防止?jié)B

14、透破壞，保證滲透穩(wěn)定性。因此，滲透變形的防治措施可分為因此，滲透變形的防治措施可分為滲流水動力條滲流水動力條件改變件改變、滲流出口保護滲流出口保護和和土石性質改善土石性質改善等三個方等三個方面。面。（一）河堤管涌破壞的防治（一）河堤管涌破壞的防治 河灘路堤兩側有水位差時，水在路堤內或河灘路堤兩側有水位差時，水在路堤內或基底土內發(fā)生滲流，當水力坡降較大時，可能基底土內發(fā)生滲流，當水力坡降較大時，可能產生管涌現(xiàn)象，嚴重時還可能導致路堤坍塌破產生管涌現(xiàn)象，嚴重時還可能導致路堤坍塌破壞。為了防止管涌現(xiàn)象的發(fā)生，具體措施有以壞。為了防止管涌現(xiàn)象的發(fā)生，具體措施有以下幾個方面：下幾個方面：1 1、反濾倒?jié)B、反濾倒?jié)B2 2、反濾圍井、反濾圍井3 3、蓄水反壓、蓄水反壓（二）基坑流砂破壞的防治（二）基坑流砂破壞的防治 基坑開挖排水時，若采用表面直接排水，坑基坑開挖排水時，若采用表面直接排水，坑底土將受到向上的動水力作用并可能引發(fā)流砂現(xiàn)底土將受到向上的動水力作用并可能引發(fā)流砂現(xiàn)象。這時坑底土會一面開挖一面隨水涌出，無法象。這時坑底土會一面開挖一面隨水涌出，無法清除，給工程建設造成極大困難。由于坑底土隨清除，給工程建設造成極大困難。由于坑底土隨水涌入基坑，致使地基土結構遭