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孔隙水在水頭差作用下滲透：水通過土孔隙流動的現(xiàn)象

滲透性：土允許水流透過的性質(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、及滲透變形等問題。第2頁,共36頁，2024年2月25日，星期天滲流量滲透變形（管涌）石壩浸潤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、氣等液體透過的性質(zhì)水、氣等在土體孔隙中流動的現(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,共36頁，2024年2月25日，星期天滲透壓力（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下的基坑滲流第4頁,共36頁，2024年2月25日，星期天ABL透水層不透水層基坑土中水的滲流是由水頭勢能驅(qū)動，由水頭高（勢能大）的地方流向水頭低（勢能小）的地方。水力梯度（坡降）：滲流中的水頭與水力坡降第5頁,共36頁，2024年2月25日，星期天達西定律1856年法國學(xué)者Darcy對砂土的滲透性進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,共36頁，2024年2月25日，星期天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測壓管，測壓管水面高差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和土粒對水流的阻力F大小相等，方向相反動水壓力第7頁,共36頁，2024年2月25日，星期天滲流作用于單位土體的力說明：滲透力j是滲流對單位土體的作用力，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)生向下游移動的趨勢，對穩(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象：土骨架

第8頁,共36頁，2024年2月25日，星期天臨界水力坡降—使土體開始發(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，土顆粒不受任何力作用，好像處于懸浮狀態(tài)，這時的水力坡降即為臨界水力坡降。

在工程計算中，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)計時，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,共36頁，2024年2月25日，星期天滲透變形

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

流土——土中發(fā)生自下而上滲流時，滲透力大小超過土的浮重度，導(dǎo)致土粒間有效應(yīng)力為零，顆粒懸浮、土體表面隆起、土粒流動的現(xiàn)象。第10頁,共36頁，2024年2月25日，星期天流砂或流土在自下而上的滲流發(fā)生時，滲透力的大小超過土重度，致使土粒間的有效應(yīng)力為零，土體的表面隆起、浮動或某顆粒群懸浮、移動的現(xiàn)象稱為流砂或流土。第11頁,共36頁，2024年2月25日，星期天管涌——在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道。第12頁,共36頁，2024年2月25日，星期天流土形成條件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。開挖基坑或渠道時常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。發(fā)生在顆粒級配均勻的飽和細、粉砂、粉土、淤泥層中。它的發(fā)生一般是突發(fā)性的，對工程危害極大。第13頁,共36頁，2024年2月25日，星期天管涌——在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，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)展一般有個時間過程，是一種漸進性的破壞。第14頁,共36頁，2024年2月25日，星期天管涌第15頁,共36頁，2024年2月25日，星期天管涌的治理反濾倒?jié)B第16頁,共36頁，2024年2月25日，星期天反濾圍井管涌的治理第17頁,共36頁，2024年2月25日，星期天內(nèi)因——有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙（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)展一般有個時間過程，是一種漸進性的破壞。形成條件第18頁,共36頁，2024年2月25日，星期天管涌的臨界坡降對中小型工程及初步設(shè)計時，當(dāng)滲流方向為由下向上時，可用南京水利科學(xué)研究院的經(jīng)驗公式推算：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,共36頁，2024年2月25日，星期天流土的臨界坡降當(dāng)滲流自下向上作用時，常采用根據(jù)極限平衡得到的太沙基公式計算

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)，對用粘性土，可用1.5；對于非粘性土，可用2.0～2.5第20頁,共36頁，2024年2月25日，星期天流土與管涌的判別——與土的類別、顆粒級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Cu>10的砂和礫石、卵石，分兩種情況:1.當(dāng)孔隙中細粒含量較少（小于30%）時，由于阻力較小，只要較小的水力坡降，就易發(fā)生管涌2.如孔隙中細粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時細料含量約為30%－35%），此時的阻力最大，一般不出現(xiàn)管涌而會發(fā)生流土現(xiàn)象第21頁,共36頁，2024年2月25日，星期天流土與管涌的比較流土土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動管涌只發(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程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動現(xiàn)象位置土類歷時后果土體內(nèi)細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口共同點：因土體損失導(dǎo)致土體（及結(jié)構(gòu)）變形第22頁,共36頁，2024年2月25日，星期天【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)計算水力坡降i為0.2，若取安全系數(shù)Fs為2.5，試問該土壩地基出口處土體是否會發(fā)生流土破壞。【解答】臨界水力坡降由于實際水力坡降i

<[i]，故土壩地基出口處土體不會發(fā)生流土破壞允許水力坡降第23頁,共36頁，2024年2月25日，星期天【例】某基坑開挖,施工抽水穩(wěn)定后,實測水位如圖。場地土體為:細砂層,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。細砂層的有效重度故不會因基坑抽水而產(chǎn)生流砂現(xiàn)象第24頁,共36頁，2024年2月25日，星期天土石壩浸潤線透水層①減小或消除水頭差（基坑外的井點降水法）；②增長滲流路徑；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,共36頁，2024年2月25日，星期天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，又起到保護土體、防止細粒流失而產(chǎn)生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無粘性土組成，也可由土工布代替。第26頁,共36頁，2024年2月25日，星期天

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

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，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顆粒帶到另一層的粗顆粒中去，稱為接觸管涌。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，甚至形成剝蝕時，稱為接觸流土。

第27頁,共36頁，2024年2月25日，星期天防止?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,共36頁，2024年2月25日，星期天反濾層的材料1）被保護土壤的顆粒不得穿過反濾層。但對細小的顆粒（如粒徑小于0.1mm的砂土），則可允許被帶走。因為它的被帶走不會使土的骨架破壞，不至于產(chǎn)生滲透變形。2）各層的顆粒不得發(fā)生移動。3）相臨兩層間，較小的一層顆粒不得穿過較粗一層的孔隙。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)不隨時間的推移和環(huán)境的改變而遭受破壞。

第29頁,共36頁，2024年2月25日，星期天反濾層級配的設(shè)計《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》中提出如下的設(shè)計方法：對于被保護的第一層反濾層，建議用：式中——反濾層的粒徑，小于該粒徑的土重占總重的15%；

——被保護土的粒徑，小于該粒徑的土重占總重的85%；

——被保護土的粒徑，小于該粒徑的土重占總重的15%。

第30頁,共36頁，2024年2月25日，星期天土壩，高90m，

長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)場現(xiàn)狀原因土石壩壩基壩身滲流破壞實例第31頁,共36頁，2024年2月25日，星期天溝后面板砂礫石壩位于青海省，高71米，長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例第32頁,共36頁，2024年2月25日，星期天廣州京廣廣場基坑塌方基坑滲流破壞第33頁,共36頁，2024年2月25日，星期天珠海祖國廣場基坑失事基坑滲流破壞第34頁,共36頁，2024年2月25日，星期天西藏易貢巨型滑坡時間：2000年4月9日約20時規(guī)模：滑坡體自相對高差近3330m的雪峰陽坡