土的滲流及管涌流土變形分析

關(guān)于土的滲流及管涌流土變形分析第1頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三孔隙水在水頭差作用下滲透：水通過(guò)土孔隙流動(dòng)的現(xiàn)象

滲透性：土允許水流透過(guò)的性質(zhì)造成水量損失，影響工程效益

引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而改變水工構(gòu)筑物、土木建筑物或地基的穩(wěn)定條件，甚者將釀成破壞事故主要討論水在土體中的滲透性及滲透規(guī)律，滲透力、及滲透變形等問(wèn)題。第2頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三滲流量滲透變形（管涌）石壩浸潤(rùn)線透水層不透水層壩基壩身滲流滲流控制滲流滲透性土具有被水、氣等液體透過(guò)的性質(zhì)水、氣等在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象原因：土體具有連續(xù)的孔隙（內(nèi)因）；水頭差（外因）第3頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三滲透壓力（隆起）滲流量（降水方法）滲透變形（流土）透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流第4頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三ABL透水層不透水層基坑土中水的滲流是由水頭勢(shì)能驅(qū)動(dòng)，由水頭高（勢(shì)能大）的地方流向水頭低（勢(shì)能?。┑牡胤?。水力梯度（坡降）：滲流中的水頭與水力坡降第5頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三達(dá)西定律1856年法國(guó)學(xué)者Darcy對(duì)砂土的滲透性進(jìn)行研究水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比滲透速度：v=ki滲流量：第6頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三滲透力與滲透變形滲透力—滲透水流施加于單位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置兩個(gè)測(cè)壓管，測(cè)壓管水面高差h水流流經(jīng)這段土體，受到土顆粒的阻力，阻力引起的水頭損失為h土粒對(duì)水流的阻力應(yīng)為

土樣面積根據(jù)牛頓第三定律，試樣的總滲流力J和土粒對(duì)水流的阻力F大小相等，方向相反動(dòng)水壓力第7頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三滲流作用于單位土體的力說(shuō)明：滲透力j是滲流對(duì)單位土體的作用力，其大小與水力坡降成正比，作用方向與滲流方向一致.滲透力的存在，將使土體內(nèi)部受力發(fā)生變化，這種變化對(duì)土體穩(wěn)定性有顯著的影響abc滲透力方向與重力一致，促使土體壓密、強(qiáng)度提高，有利于土體穩(wěn)定滲流方向近乎水平，使土粒產(chǎn)生向下游移動(dòng)的趨勢(shì)，對(duì)穩(wěn)定不利滲流力與重力方向相反，當(dāng)滲透力大于土體的有效重度，土粒將被水流沖出小大：j=γwi方向：與滲流方向一致作用對(duì)象：土骨架

第8頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三臨界水力坡降—使土體開(kāi)始發(fā)生滲透變形的水力坡降

GJ當(dāng)土顆粒的重力與滲透力相等時(shí)，土顆粒不受任何力作用，好像處于懸浮狀態(tài)，這時(shí)的水力坡降即為臨界水力坡降。

在工程計(jì)算中，將土的臨界水力坡降除以某一安全系數(shù)Fs(1.5～3)，作為允許水力坡降[i]。設(shè)計(jì)時(shí)，為保證建筑物的安全，將滲流逸出處的水力坡降控制在允許坡降[i]內(nèi)第9頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三滲透變形

滲透水流將土體的細(xì)顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動(dòng)，導(dǎo)致土體變形——滲透變形問(wèn)題（流土，管涌）

流土——土中發(fā)生自下而上滲流時(shí)，滲透力大小超過(guò)土的浮重度，導(dǎo)致土粒間有效應(yīng)力為零，顆粒懸浮、土體表面隆起、土粒流動(dòng)的現(xiàn)象。第10頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三流砂或流土在自下而上的滲流發(fā)生時(shí)，滲透力的大小超過(guò)土重度，致使土粒間的有效應(yīng)力為零，土體的表面隆起、浮動(dòng)或某顆粒群懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象稱(chēng)為流砂或流土。第11頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三管涌——在滲流作用下，一定級(jí)配的無(wú)粘性土中的細(xì)小顆粒，通過(guò)較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道。第12頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三流土形成條件Fs:

安全系數(shù)1.5～3[i]:

允許坡降i<icr:i=

icr:i>icr:土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞土體處于臨界狀態(tài)判斷

流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處，不發(fā)生于土體內(nèi)部。開(kāi)挖基坑或渠道時(shí)常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。發(fā)生在顆粒級(jí)配均勻的飽和細(xì)、粉砂、粉土、淤泥層中。它的發(fā)生一般是突發(fā)性的，對(duì)工程危害極大。第13頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三管涌——在滲流作用下，一定級(jí)配的無(wú)粘性土中的細(xì)小顆粒，通過(guò)較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道。管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處。多發(fā)生在無(wú)粘性土中，其特征是顆粒大小差別較大，往往缺少某種粒徑，孔隙直徑大且相互連通。發(fā)展一般有個(gè)時(shí)間過(guò)程，是一種漸進(jìn)性的破壞。第14頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三管涌第15頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三管涌的治理反濾倒?jié)B第16頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三反濾圍井管涌的治理第17頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三內(nèi)因——有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙（幾何條件：Cu>10的土容易發(fā)生管涌）外因——滲透力足夠大（水力條件：icr

的計(jì)算尚未成熟）

管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處。多發(fā)生在無(wú)粘性土中，其特征是顆粒大小差別較大，往往缺少某種粒徑，孔隙直徑大且相互連通。發(fā)展一般有個(gè)時(shí)間過(guò)程，是一種漸進(jìn)性的破壞。形成條件第18頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三管涌的臨界坡降對(duì)中小型工程及初步設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)滲流方向?yàn)橛上孪蛏蠒r(shí)，可用南京水利科學(xué)研究院的經(jīng)驗(yàn)公式推算：式中d3——相應(yīng)于粒徑曲線上含量為3%的粒徑

K——滲透系數(shù)，cm/s；n——土壤孔隙率。第19頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三流土的臨界坡降當(dāng)滲流自下向上作用時(shí)，常采用根據(jù)極限平衡得到的太沙基公式計(jì)算

式中G——土粒比重；n——土的孔隙率。

JB一般在0.8～1.2之間變化。南京水利科學(xué)研究院建議把上式乘以1.17。容許滲透坡降[JB]也要采用一定的安全系數(shù)，對(duì)用粘性土，可用1.5；對(duì)于非粘性土，可用2.0～2.5第20頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三流土與管涌的判別——與土的類(lèi)別、顆粒級(jí)配以及水力條件等因素有關(guān)。粘性土由于粒間具有粘聚力，粘結(jié)較緊，一般不出現(xiàn)管涌而只發(fā)生流土破壞；一般認(rèn)為不均勻系數(shù)Cu>10的勻粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地區(qū)較易發(fā)生流土破壞。

對(duì)Cu>10的砂和礫石、卵石，分兩種情況:1.當(dāng)孔隙中細(xì)粒含量較少（小于30%）時(shí)，由于阻力較小，只要較小的水力坡降，就易發(fā)生管涌2.如孔隙中細(xì)粒含量較多，以至塞滿(mǎn)全部孔隙（此時(shí)細(xì)料含量約為30%－35%），此時(shí)的阻力最大，一般不出現(xiàn)管涌而會(huì)發(fā)生流土現(xiàn)象第21頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三流土與管涌的比較流土土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中破壞過(guò)程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)現(xiàn)象位置土類(lèi)歷時(shí)后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過(guò)粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級(jí)配的無(wú)粘性土或分散性粘土破壞過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口共同點(diǎn)：因土體損失導(dǎo)致土體（及結(jié)構(gòu)）變形第22頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三【例】某土壩地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游滲流出口處經(jīng)計(jì)算水力坡降i為0.2，若取安全系數(shù)Fs為2.5，試問(wèn)該土壩地基出口處土體是否會(huì)發(fā)生流土破壞?！窘獯稹颗R界水力坡降由于實(shí)際水力坡降i

<[i]，故土壩地基出口處土體不會(huì)發(fā)生流土破壞允許水力坡降第23頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三【例】某基坑開(kāi)挖,施工抽水穩(wěn)定后,實(shí)測(cè)水位如圖。場(chǎng)地土體為:細(xì)砂層,γsat=18.7

kN/m3,k=4.5×10-2mm/s,試求滲流平均速度v和滲流力J,并判別是否產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。細(xì)砂層的有效重度故不會(huì)因基坑抽水而產(chǎn)生流砂現(xiàn)象第24頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三土石壩浸潤(rùn)線透水層①減小或消除水頭差（基坑外的井點(diǎn)降水法）；②增長(zhǎng)滲流路徑；③在向上滲流出口處地表用透水材料覆蓋壓重以平衡滲流力；④土層加固處理，如凍結(jié)法、注漿法等。防治流土第25頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三防治管涌改善幾何條件：設(shè)反濾層等改善水力條件：減小滲透坡降透水層不透水層基坑板樁墻

設(shè)置反濾層，既可通暢水流，又起到保護(hù)土體、防止細(xì)粒流失而產(chǎn)生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無(wú)粘性土組成，也可由土工布代替。第26頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三

接觸沖刷當(dāng)滲流沿兩種不同土壤的接觸面流動(dòng)時(shí)，把其中細(xì)顆粒帶走的現(xiàn)象，稱(chēng)為接觸沖刷。接觸沖刷可能使臨近接觸面的不同土層混合起來(lái)。

接觸流土和接觸管涌滲流方向垂直于兩種不同土壤的接觸面時(shí)，例如在粘土心墻（或斜墻）與壩殼砂礫料之間，壩體或壩基與排水設(shè)施之間，以及壩基內(nèi)不同土層之間的滲流，可能把其中一層的細(xì)顆粒帶到另一層的粗顆粒中去，稱(chēng)為接觸管涌。當(dāng)其中一層為粘性土，由于含水量增大凝聚力降低而成塊移動(dòng)，甚至形成剝蝕時(shí)，稱(chēng)為接觸流土。

第27頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三防止?jié)B透變形的工程措施

反濾層的結(jié)構(gòu)反濾層一般是由２～３層不同粒徑的非粘性土、砂和砂礫石組成的。層次排列應(yīng)盡量與滲流的方向垂直，各層次的粒徑則按滲流方向逐層增加，如圖所示。

設(shè)置反濾層是提高抗?jié)B破壞能力、防止各類(lèi)滲透變形特別是防止管涌的有效措施。在任何滲流流入排水設(shè)施處一般都要設(shè)置反濾層。第28頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三反濾層的材料1）被保護(hù)土壤的顆粒不得穿過(guò)反濾層。但對(duì)細(xì)小的顆粒（如粒徑小于0.1mm的砂土），則可允許被帶走。因?yàn)樗谋粠ё卟粫?huì)使土的骨架破壞，不至于產(chǎn)生滲透變形。2）各層的顆粒不得發(fā)生移動(dòng)。3）相臨兩層間，較小的一層顆粒不得穿過(guò)較粗一層的孔隙。4）反濾層不能被堵塞，而且應(yīng)具有足夠的透水性，以保證排水暢通。5）應(yīng)保證耐久、穩(wěn)定，其工作性能和效果應(yīng)不隨時(shí)間的推移和環(huán)境的改變而遭受破壞。

第29頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三反濾層級(jí)配的設(shè)計(jì)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中提出如下的設(shè)計(jì)方法：對(duì)于被保護(hù)的第一層反濾層，建議用：式中——反濾層的粒徑，小于該粒徑的土重占總重的15%；

——被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土重占總重的85%；

——被保護(hù)土的粒徑，小于該粒徑的土重占總重的15%。

第30頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三土壩，高90m，

長(zhǎng)1000m，1975年建成，次年6月失事

滲透破壞：沖蝕

水力劈裂Teton壩失事現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)狀原因土石壩壩基壩身滲流破壞實(shí)例第31頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三溝后面板砂礫石壩位于青海省，高71米，長(zhǎng)265米，建于1989年。1993年8月7日突然發(fā)生潰壩，是現(xiàn)代碾壓堆石壩垮壩的先例。潰壩原因：面板止水失效，下游壩體排水不暢，

造成壩坡失穩(wěn)土石壩壩基壩身滲流破壞實(shí)例第32頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三廣州京廣廣場(chǎng)基坑塌方基坑滲流破壞第33頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三珠海祖國(guó)廣場(chǎng)基坑失事基坑滲流破壞第34頁(yè)，講稿共36頁(yè)，2023年5月2日，星期三西藏易貢巨型滑坡時(shí)間：2000年4月9日約20時(shí)規(guī)模：滑坡體自相對(duì)高差近3330m的