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[精选]第六章渗透变形工程地质研究名师编辑PPT课件--资料_图文


第六章 渗透变形工程地质研究

提要
?概 述 ? 渗透变形产生的条件 ? 渗透变形的预测 ? 渗透变形的防治

第一节 概 述
一、概念
渗透变形:岩土体在地下水渗透力(动 水压力)的作用下,部分颗粒或整体发生 移动,引起岩土体的变形和破坏的作用和 现象。表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、 沙浮、土体翻动等。

二、研究意义

岸堤
1998年长江洪水险情以渗流险情最为普遍,沿长江6000余 处险情中就有400余处属渗流险情。其中管涌被视为险中之险。
一般来说,长江中下 游平原冲积地层,上面是粘性土;往下 是粉砂、细砂等,砂层间也有粘性土夹层的,再往下则是砂砾 及卵石等强透水层,在河床中露头与河水相通。 在汛期高水位 时由于渗水流经强透水层压力损失很小,堤内数百米范围内粘 土层下面仍承受很大的水压力,如果这股水压力,冲破了粘土 层,下面的粉砂、细砂就会随水流出(在没有反滤层保护的情 况下),从而发生管涌。

2003年7月1日凌晨4时,正在施工中的上海轨道交通4 号线(浦东南路至南浦大桥)区间隧道浦西联络通道发生渗 水,随后大量流沙涌入,引起地面大幅沉降。上午9时左右, 地面建筑物中山南路847号一幢八层楼房发生倾斜,其裙房 部分倒塌。由于报警及时,所有人员提前撤出,无人员伤亡。

三、渗透变形的类型
1.管涌:在渗流作用下,细 颗粒沿土体骨架中的孔道发 生移动带走的现象,又称潜 蚀。
根据渗透方向与重力方向的 关系:
垂直管涌 水平管涌

2.流土:在渗透作用下,土体 中 的颗粒群或团块同时发生移动的现象。 常发生于均质砂土层和亚砂土层中。

第二节 渗透变形产生的条件
一、渗流的动水压力及临界水力梯度 流入:pA= h1 wg dw 流出:pB= h2 wg dw 渗透压力:dP=pA-pB=dww ·dh ·g

动水压力(D):单位体积土层所受的渗透压力

D=

dP dw dl



ρ

g dh dl



ρ

gI

dW ρsat g dl dw dF ρ g dl dw

水下重量dQ=dW-dF=(sat- )·g·dl·dw =’ ·g·dl·dw

当dp=dQ时,单元体处于临界悬浮状态,即 将发生流土。 此时渗流的水力梯度为临界水力梯度Icr —— 土的抗渗强度。 则有: dw ·dh ·g= ’ ·g·dl·dw
dh/dl= ’ / Icr=dh/dl= ’ /
Icr= ’ =(s-1)(1-n)…… 太沙基公式

土粒越密实, n 越小, Icr 越大,土体越不容易 发生渗透变形。

扎马林:Icr (ρs 1)(1 n) 0.5n

我国水利部门:Icr



,

(1

1 2



tg )



c


g

式中:-土的侧压力系数

管涌的Icr的求取较为复杂,通过试验测定。

二、土体性质与渗透变形类型
土体结构包括了土中粗细颗粒直径比例、细粒物质含量、 土的级配等。

1.粗细颗粒直径比例

细粒从空隙中流动最优比例:d0/d >= 8 天然无粘性土 n=0.395 D/ d0 =2.5 D/d >= 20 有利于管涌

d0 :孔隙直径 d:细颗粒直径 D:粗颗粒直径

土体的排列方式决定着D / d0 的值: 当排列疏松时, D / d0 减小, D/d 减小,有利于渗透变形 当排列密实时, D / d0 增大, D/d 增大,不利于渗透变形

2.细颗粒的含量

用细颗粒含量来判别双峰型砾土的渗透变形型式:

>35%

流土

<25%

管涌

=25%~35% 流土或管涌,取决于砾土的密实度及细颗粒的组成

中等以上密实度、不均匀系数较小的细粒土,发生流土。 细颗粒成分中粘粒含量增加,可增大土的凝聚力,土的 抗渗强度增加,不易 发生渗透变形。

3.土的级配特征:不均匀系数Cu=d60/d10

Cu<10

流土

Cu>20

管涌

Cu=10-20 流土或管涌

三、地层组合关系
单一型:多位于河流的上游,一般为砂卵(砾) 石层,一般发生管涌,随着细粒成分的 增多,可能流土。
双层型:主要考虑表层粘性土的性质、厚度、完 整程度
多层型:除考虑表层粘性土层外,还考虑砂层透 镜体或粘性土层透镜体或相变等造成水 力梯度 的突变等原因

四、 地形地貌条件
沟谷切割等改变了渗流的补给、渗流的长度、 出口条件等
五、 工程因素
施工等破坏了表层具有防渗作用的弱透水 层。

第三节 渗透变形的预测
一、预测步骤
1.根据土体类型和性质,判定是否容易发生渗透变形及变形的类型 2.确定土体中各点的实际水力梯度 3.确定相对于该土体的临界水力梯度和允许水力梯度 4.判定渗透变形的可能性及其范围
二、渗透变形类型的确定
1.粗细颗粒比例 2.细粒物质含量 3.土的级配

三、实际水力梯度的确定
常用方法有: ? 水力学方法:计算及图解—— ? 模型模拟法—— ? 数值计算法——

理论计算法:

I逸平= 2T1

H1 2b

H2 K1 K2

T1 T2

I水平



H3 H4 2b

式中:H3、H

为上、下游坝脚处下层的测压水位
4

四、临界水力梯度与允许水力梯度的确定

允许水力梯度:

I允=Imcr

m 1

m—与地质条件和工程重要性有关: 砂土:m=1.5-3.0 粘性土:m=2.5-4.0m

五、渗透变形可能性判定
I实>I允 发生渗透变形 I实<I允 不发生渗透变形

第四节 渗透变形的防治
一、防治原则
1.改变渗流的水动力条件,减少动水压 力即降低水力梯度 2.改变土体结构,提高抗渗能力

二、防治措施
1.垂直截渗:防渗帷幕 2.铺盖 3.人工降低地下水位 4.反滤盖重 5.物理、化学方法改造
冻结、电动硅化、灌浆(化学浆液)

?反滤层的设计与施工
在导渗沟、贴坡反滤、减压沟、减压井等的设计中均 有反滤层的设计问题,为此专门进行讨论。
(一)反滤层的用途
反滤层是排水设备的主要组成部分,其作用是滤土排 水,防止渗流逸出处遭受渗透破坏以及渗流造成的表面水 流冲刷。对有承压水的地层还起压重作用。
(二)对反滤层的要求
1.透水性应大于被保护土,并能将渗透水流通畅排出; 2.使被保护的土层不发生渗透变形; 3.不致被细颗粒淤塞失效;

(三) 反滤层的类型
划分反滤层类型的目的主要是为了合理地确定反 滤层数,因此只分两种类型。
1. Ⅰ型反滤:其特点是反滤层位于被保护土层的 下部,渗流方向主要由上向下(图A)。如褥垫排水。
2. Ⅱ型反滤:其特点是反滤层位于被保护土层的 上部,渗流方向主要由下向上(图B)。如减压沟的 反滤层。
渗流方向近乎水平或倾斜向,反滤层近乎垂直或 倾斜向的情况,属于过渡型,如减压井、贴坡反滤 等,可归为Ⅰ型。

图A Ⅰ型反滤

图B Ⅱ型反滤

(四) 反滤层的设计内容
反滤层的设计可分为保护无粘性土和保护粘性土两 大类,设计内容有:
1.确定反滤层的类型; 2.根据滤土准则,确定反滤层的级配或选择土工织 物产品。并据以选择宜于作反滤层的天然料场或确定 人工筛选的任务。 3.对砂砾反滤料确定反滤层的厚度和层数; 4.鉴定反滤料的透水性,对土工织物反滤层还应鉴 定淤堵性; 5.有纵向渗流时,鉴定沿反滤层和被保护土层接触 面的冲刷稳定性。

(五) 砂砾料反滤层的设计与施工
1.反滤料的选择 对于被保护土的第一层反滤料,建议用下列方法确定;
D15/d85≤4~5 D15/d15≥5
式中:D15为过筛重量占15%时的反滤料粒径,d85为过筛重量占85%时的 被保护土的颗粒直径;d15为过筛重量占15%时的被保护土的颗粒粒径。
当选择第二、三层反滤料时,可同样按以上方法确定。 但选择第二层反滤时第一层反滤为被保护土,选择第三层 反滤时第二层反滤为被保护土。

2.反滤层厚度的确定
反滤层的厚度应根据反滤料的级配、料源、用途、施工方法等情况综合 考虑确定。水平反滤层的最小厚度可采用30cm,垂直或倾斜反滤层的最小 厚度可采用50cm。采用推土机平料时,最小水平宽度宜不小于3.0m。
3.施工要求
反滤料应具有要求的级配,且小于0.1毫米的颗粒含量不大于5%,并有 要求的透水性。质地应致密坚硬,具有高度的抗水性和抗风化能力,风化 料一般不能用作反滤料,如必须应用时应进行充分论证。反滤料宜尽量利 用天然砂砾料筛选,在缺乏天然砂砾料时,也可以采用人工砂石料,但应 选用抗水性和抗风化能力强的母岩轧制。
铺反滤层前应采用挖除法将基面整平,对个别低洼处采用与基面相同的 土料或第一层反滤料进行填平。铺筑时应由底部向上逐层铺设,并保证层 次清楚,互不混杂,不得从高出顺坡倾倒,以免发生填筑分离。对反滤层 必须进行压实,在施工中应防止雨水冲泥等污染反滤料。

?堤身防治工程的设计与施工
堤身渗透破坏的除险加固措施主要有: 临水坡斜墙防渗、堤身垂直防渗、贴坡排水、 透水后戗(压浸台)、水平排水等,对堤身 缺陷可以采用回填或灌浆的办法进行处理。

(一)防渗斜墙
1.设计考虑
对临水侧有铺盖或地基有垂直防渗的情况,斜墙 应与其连成一体,构成完整的防渗体系,以提高防 渗效果。
斜墙的尺寸应根据散浸的范围、出渗点的高度和 渗水的严重程度经计算确定,长度至少超过渗水段 两端各5m,高度应超过设防水位0.5~1.0m。
对粘土斜墙,垂直于堤坡方向的厚度为1~2m, 坡度与原堤身相当或稍缓。为防止粘土斜墙干裂、 冻裂和其它侵害的影响,应设壤土保护层,一般情 况,保护层高于墙顶1.0~1.5m,垂直堤坡方向的 厚度为0.8m。

2.从施工考虑
施工时应首先清除边坡和坡脚附近的杂草、树木等杂物, 清除厚度10~20cm,并适当整平。
斜墙应选用粘性较大的土料且不得含植物根茎等杂质, 填筑压实度应不小于0.94,含水率与最优含水率的允许偏 差为±3%。
当用土工膜作隔渗层建造斜墙时,土工膜幅间的拼接应 采取焊接或粘接方式,确保施工质量,并注意施工中不要 损坏土工膜。另外还需保证土工膜与堤身牢固接合,并采 取防止生物破坏的措施。

(二)堤身垂直防渗
垂直防渗的位置宜布置在临水堤脚或堤顶尽量靠近临水侧, 并与堤身防渗体连成一体。根据近几年的实践,比较经济合理 有效的堤身垂直防渗技术有:锥探灌浆、劈裂灌浆、和垂直铺 塑等。
1.锥探灌浆 在堤顶采用梅花形方式布孔并进行充填灌浆。实践证明, 锥探灌浆是处理堤身隐患的一个比较有效的方法,但由于钻孔 数量多往往造价较高。

2.劈裂灌浆 沿堤顶轴线单排布孔,利用灌浆压力将堤身沿其走向劈
开并灌浆,从而在堤身内沿其走向形成一厚度10cm左右 的防渗幕。同时还具有压密堤身和充填洞穴的作用,可获 得事半功倍的效果。该方法已经在许多堤防和土坝中得到 应用,效果明显。
3.垂直铺塑 在堤顶沿大堤走向用开槽机在堤身内垂直成槽,然后铺 设土工膜并用粘土浆回填,从而达到降低堤身渗流量和浸 润线的目的。该方法已经在黄河大堤上采用并取得较好的 效果。

(三)贴坡排水
为避免渗水对堤坡的冲刷和渗流出口发生流土破坏,可以采 用贴坡反滤进行处理。施工时应清除堤坡表面的草皮、杂物, 清除深度10~20cm,贴坡反滤的高度应高出最高的渗流出逸 点0.5~1.0m,长度应超出散浸堤段两端至少3m。根据反滤 材料不同,有以下两种方法可供选用:
1.砂砾料贴坡排水: 砂砾料贴坡排水的各层厚度如图A所示。褥垫排水的设计、 材料的选用、反滤层铺设施工等的有关细节,请参见反滤层的 设计与施工。 2.土工织物贴坡排水(图B)

图A 砂砾料贴坡排水示意图 图B 土工织物反滤层贴坡排水示意图

(四)透水后戗
亦称透水压浸平台。它既能防止散浸造成的渗透破坏,又 能加大堤身断面从而达到稳定堤坡的目的。一般适用于散浸严 重、堤身断面单薄、背水坡较陡、外滩狭窄的情况。
透水后戗应采用比堤身透水性大的材料填筑,高度应高出 渗水的最高出逸点0.5~1.0m,顶宽2~4m,坡度1:3~1:5, 长度应超出散浸堤段两端各5m。戗体材料渗透性大断面可小 一些,相反则应大一些。当堤身较高时可采用两级或多级戗台。
施工时应清除堤坡上的草皮和杂物,清除深度10~20cm。 填筑戗体时应进行压实,相对密度不小于0.65。
透水后戗示意图

(五)水平排水
这种方法只有在堤坝加高培厚和增设压渗台时才 可能应用。水平排水不但可以降低堤身的浸润线,对 透水堤基还可以有效降低堤基的出逸比降,但会使堤 基的渗流量有所增加。采用水平排水可以减小压渗戗 台的工程量,如图所示。水平排水的长度、厚度应根 据渗流计算来确定。

?堤基防治工程的设计与施工
堤基除险加固的措施有:临水侧防渗铺盖、垂直防渗、背 水侧压渗盖重、排水减压沟和减压井等。
(一)临水侧防渗铺盖
如果封闭式垂直防渗幕墙不尽合理,背水侧又无条件做压 渗盖重,而临水侧有稳定的外滩时,可以采用临水侧防渗铺 盖来减小背水侧堤基的出逸比降和地基渗流量,但其效果有 一定限度。对近似均质透水堤基,临水侧铺盖的效果比较明 显,当表层地层的渗透系数小于深部地层较多时,临水侧铺 盖的效果将降低。

1.设计考虑
采用临水侧防渗铺盖时,一般应结合背水侧的渗流控制 措施,如压渗盖重和减压沟或减压井,以达到有效控制堤 基渗流、防止管涌破坏和经济合理的目的。
临水侧防渗铺盖的效果取决于其长度、厚度和垂直向的 渗透系数,并与堤基土体的分层性及渗透性有关,设计时 应通过计算确定,并应满足地基、铺盖以及铺盖与地基之 间的渗透稳定要求。
当利用天然弱透水层作为防渗铺盖时,应查明天然弱透 水层及下卧透水层的分布、厚度、级配、渗透系数和允许 渗透比降等情况,在天然铺盖不足的部位应采用人工铺盖 进行补强。
在缺乏防渗土料的地区可以用土工膜做防渗材料,但土 工膜的上部必须设置保护层。

铺盖土料应具有一定的防渗性能,通常其渗透系数 最好不大于1×10-5cm/s,如果渗透系数过大,即使 加长铺盖其防渗效果也不会有大的增加。铺盖应采用不 等厚形式,远离堤脚处应薄一些,但不应小于0.5~ 1.0m,近堤脚处应厚一些,并应考虑与堤身防渗连成 一体。
铺盖设计时,一般先根据净水头和堤基的允许水力 比降初步确定所需的等效长度,然后通过经济比较选择 铺盖的长度、厚度和铺盖的渗透系数,最后对铺盖本身 的渗透稳定性进行校核。对粉质壤土修筑的铺盖,其允 许水力比降为4~6。

2.施工考虑
当已经存在不透水的天然铺盖时,应对其进行仔 细检查,看是否存在缺失区、树根孔洞、塌坑等通 向透水地基的渗流通道,如果有,应采用不透水材 料进行充填或覆盖。外滩取土必须在铺盖长度范围 以外,以保证铺盖的整体防渗功能。铺盖施工应采 用分层铺筑的方法,依靠运输与摊铺机械的行使压 实。铺盖与堤身防渗斜墙连接处宜选用相同的材料。

(二)垂直防渗
垂直防渗特别适用于地基透水层较薄、隔水层较浅的情况, 此时可以做成封闭式防渗幕墙,堤基的渗流量和扬压力可以得 到有效控制,从而可以达到根治堤基渗透破坏的目的(图A)。 对双层或多层透水地基且透水层较深的情况,悬挂式垂直防渗 幕墙的效果很差(图B),封闭式垂直防渗难度大且造价太高, 不宜采用。对多层地基且存在浅层弱透水层的情况(图C), 可以考虑半封闭式垂直防渗,但必须在勘察资料充分并经渗流 计算充分论证后方可采用。垂直防渗应布置在临水堤脚或堤顶 靠临水侧。

图A: 封闭式垂直防渗墙的渗流控制效果 单位:m

图B: 悬挂式垂直防渗墙的渗流控制效果 单位:m

图C: 半封闭式垂直防渗墙的渗流控制效果 单位:m 实线:有防渗墙时的浸润线和10%水头间隔的等势线 虚线:无防渗墙时的浸润线和10%水头间隔的等势线

(三)背水侧压渗盖重
当没有必要采用封闭式垂直防渗幕墙或其造价太高 时,可以采用背水侧压渗盖重的方法,来防止堤基渗 流对表土层的渗透破坏。如果所需盖竽太长,应考虑 与减压沟井联合使用的方法。其他的背水侧渗流控制 措施,对堤身高度较大的情况,可以设置两层压渗盖 重平台。这种方法在堤防工程中广为应用,效果明显。
压渗盖重的形式很多,可以由不透水的变换到完全 自由排水的。其形式的选择,取决于材料的料源及每 种形式的费用大小。

98长江大洪水管涌研究实例:
1998年长江洪水险情以渗流险情最为普遍,沿长江 6000余处险情中就有400余处属渗流险情。其中管涌 被视为险中之险。如果冒砂管涌洞口出现在堤内脚附 近,外侧江水面有游涡迹象,自然以迅速在外侧堵漏 为上策。但如果管涌险情离堤很远,就只有在管涌出 口导滤压盖了。此时除压盖备料应符合拦砂不阻水的 原则外,还得设法判别管涌险情是否会继续发展影响 大堤的安全。我们可以从两个方面来研究这个问题: 一个是地层结构,一个是离开堤脚远近。

长江堤基的土层结构基本上是上层为弱透水复盖层,下 面是深厚的砂砾石强透水层,属二元双层地基。这是容易在 薄弱环节发生管涌的原因。但若复盖层主体下部相对于上部 浅层更为透水,即使表层土渗透坡降超过临界值发生浮动管 涌现象,也不危险。同马大堤汇口堤段一个小镇,在堤脚的 农田中普遍渗水冒泡形成沼泽地,而在其房后井水面却高出 农田地面很多,估计是属于这种地层结构。若复盖土层夹杂 薄沙层,通连江水,其表层土相对于下部又较不透水时,就 容易被承压水顶穿形成管涌通道,比较危险。南京江浦县林 山圩江堤的堤基就类似此种土层结构,去年洪水在堤脚附近 水塘边出现管涌洞,如不及时抢险,是很危险的。

管涌险情离开大堤多远就没有危险呢?我们可以用 井的影响半径这个概念来估算,例如取库沙金公式, 或席恰特公式来估算。此时地下水降深Se可考虑为承 压水头,取值5米,渗流深度H可考虑为基砂含水层厚 度,取为20米,基砂渗透系数k=10-2厘米/秒=8.64 米/日;代入,分别计算影响半径R=131米和147米。 若基砂A值小或基砂层薄时,及更小。由此,一般远离 堤脚150米左右发生管涌应不影响大堤安全。而且渗流 趋向管涌洞口是三维问题,在洞口处周边的水力坡降 急剧变陡,如图所示,扰动基砂范围,将不会很远。 同时在逐步扩大洞口或冲出基砂的过程中,水力坡线 就将变缓会自动使涌砂进程趋于平衡,不大容易延伸 到很远的堤基。



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