渗透变形工程地质研究渗透变形工程地质研究v 概概 述述v 渗透变形产生的条件渗透变形产生的条件v 渗透变形的预测渗透变形的预测v 渗透变形的防治渗透变形的防治提提要要第一节第一节 概概 述述 一、概念一、概念 渗透变形渗透变形：岩土体在地下水渗透力：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（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、泉用和现象。表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等。眼、沙浮、土体翻动等。 二、研究意义二、研究意义堤堤岸岸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。 20032003年年7 7月月1 1日凌晨日凌晨4 4时，正在施工中的上海轨道交通时，正在施工中的上海轨道交通4 4号号线（浦东南路至南浦大桥）区间隧道浦西联络通道发生渗水，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。上午随后大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。上午9 9时左右，地面时左右，地面建筑物中山南路建筑物中山南路847847号一幢八层楼房发生倾斜，其裙房部分倒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。塌。由于报警及时，所有人员提前撤出，无人员伤亡。 三、渗透变形的类型三、渗透变形的类型1.1.管涌管涌：在渗流作用下，细在渗流作用下，细颗粒沿土体骨架中的孔道发颗粒沿土体骨架中的孔道发生移动带走的现象，又称潜生移动带走的现象，又称潜蚀。蚀。根据渗透方向与重力方向的根据渗透方向与重力方向的关系：关系： 垂直管涌垂直管涌 水平管涌水平管涌2.2.流土流土：在渗透作用下，土体：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。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。常发生于均质砂土层和亚砂土层中。第二节第二节 渗透变形产生的条件渗透变形产生的条件一、渗流的动水压力及一、渗流的动水压力及临界水力梯度临界水力梯度流入：pA= h1 wg dw 流出：pB= h2 wg dw 渗透压力：dP=pA-pB=dww dh g水下重量水下重量dQ=dW-dF=(dQ=dW-dF=( satsat- - ) ) g gdldl d dw =w = g gdldl d dw w动水压力（D）：单位体积土层所受的渗透压力当当dp=dQdp=dQ时，单元体处于临界悬浮状态，即将时，单元体处于临界悬浮状态，即将发生流土。发生流土。此时渗流的水力梯度为此时渗流的水力梯度为临界水力梯度临界水力梯度IcrIcr 土的抗渗强度。土的抗渗强度。则有：则有： d dw w dh dh g= g= g gdldl d dw w dh/dl= dh/dl= / / Icr=dh/dl= Icr=dh/dl= / / Icr= Icr= =( =( s s-1)(1-n)-1)(1-n) 太沙基公式太沙基公式土粒越密实，土粒越密实， n n 越小，越小， Icr Icr 越大，土体越不容越大，土体越不容易发生渗透变形。易发生渗透变形。管涌的管涌的IcrIcr的求取较为复杂的求取较为复杂，通过，通过试验测定试验测定。二、土体性质与渗透变形类型二、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。1.1.粗细颗粒直径比例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 =2.5D/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土体的排列方式决定着D / dD / d0 0 的值：的值： 当排列疏松时，当排列疏松时， D / dD / d0 0 减小，减小， D/d D/d 减小，有利于渗透变形减小，有利于渗透变形 当排列密实时，当排列密实时， D / dD / d0 0 增大，增大， D/d D/d 增大，不利于渗透变形增大，不利于渗透变形2.2.细颗粒的含量细颗粒的含量用细颗粒含量用细颗粒含量 来判别双峰型砾土的渗透变形型式：来判别双峰型砾土的渗透变形型式： 35% 35% 流土流土 25% 25% 管涌管涌 =25%35% =25%35% 流土或管涌，取决于砾土的密实度及细颗粒的组成流土或管涌，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。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，不易抗渗强度增加，不易 发生渗透变形。发生渗透变形。3.3.3.3.土的级配特征：不均匀系数土的级配特征：不均匀系数土的级配特征：不均匀系数土的级配特征：不均匀系数Cu=dCu=dCu=dCu=d60606060/d/d/d/d10101010Cu10 Cu20 Cu20 管涌管涌CuCu10-20 10-20 流土或管涌流土或管涌三、地层组合关系三、地层组合关系单一型单一型：多位于河流的上游，一般为砂卵（砾）：多位于河流的上游，一般为砂卵（砾）石层，一般发生管涌，随着细粒成分的石层，一般发生管涌，随着细粒成分的增多，可能流土。增多，可能流土。双层型双层型：主要考虑表层粘性土的性质、厚度、完：主要考虑表层粘性土的性质、厚度、完整程度整程度多层型多层型：除考虑表层粘性土层外，还考虑砂层透：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镜体或粘性土层透镜体或相变等造成水力梯度力梯度的突变等原因的突变等原因四、四、 地形地貌条件地形地貌条件 沟谷切割等改变了渗流的补给、渗流的长度、出口条件等五、五、 工程因素工程因素 施工等破坏了表层具有防渗作用的弱透水层。第三节第三节 渗透变形的预测渗透变形的预测一、预测步骤一、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三、实际水力梯度的确定 常用方法有：常用方法有：v 水力学方法：计算及图解水力学方法：计算及图解v 模型模拟法模型模拟法v 数值计算法数值计算法理论计算法：理论计算法：四、临界水力梯度与允许水力梯度的确定四、临界水力梯度与允许水力梯度的确定允许水力梯度允许水力梯度：m m与地质条件和工程重要性有关：与地质条件和工程重要性有关： 砂土：砂土：m m1.5-3.0 1.5-3.0 粘性土：粘性土：m m2.5-4.0m2.5-4.0m五、渗透变形可能性判定五、渗透变形可能性判定I I实实 I I允允 发生渗透变形发生渗透变形I I实实 I I允允 不发生渗透变形不发生渗透变形第四节第四节 渗透变形的防治渗透变形的防治一、防治原则一、防治原则1.1.改变渗流的水动力条件，减少动水压改变渗流的水动力条件，减少动水压力即降低水力梯度力即降低水力梯度2.2.改变土体结构，提高抗渗能力改变土体结构，提高抗渗能力二、防治措施二、防治措施1 1. .垂直截渗：防渗帷幕垂直截渗：防渗帷幕2.2.铺盖铺盖3.3.人工降低地下水位人工降低地下水位4.4.反滤盖重反滤盖重5.5.物理、化学方法改造物理、化学方法改造 冻结、电动硅化、灌浆（化学浆液）冻结、电动硅化、灌浆（化学浆液）反滤层的设计与施工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。有反滤层的设计问题，为此专门进行讨论。 （一）反滤层的用途（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（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）（三） 反滤层的类型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. 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. 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，可归为型。图图A A 型反滤型反滤图图B B 型反滤型反滤（四）（四） 反滤层的设计内容反滤层的设计内容 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）（五） 砂砾料反滤层的设计与施工砂砾料反滤层的设计与施工 1.1.反滤料的选择反滤料的选择 对于被保护土的第一层反滤料，建议用下列方法确定； D15/d854D15/d8545 5 D15/d155 D15/d155 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. 2.反滤层厚度的确定反滤层厚度的确定 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。 3.3.施工要求施工要求 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：堤身渗透破坏的除险加固措施主要有：临水坡临水坡斜墙斜墙防渗、堤身垂直防渗、贴坡防渗、堤身垂直防渗、贴坡排水排水、透水透水后戗后戗（压浸台）、水平排水等，对堤身（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。缺陷可以采用回填或灌浆的办法进行处理。（一）防渗斜墙（一）防渗斜墙 1.1.设计考虑设计考虑 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0.51.0m。 对粘土斜墙，垂直于堤坡方向的厚度为12m，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1.01.5m，垂直堤坡方向的厚度为0.8m。2.2.从施工考虑从施工考虑 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1020cm，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（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。 1.1.锥探灌浆锥探灌浆 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. 2.劈裂灌浆劈裂灌浆 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（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1020cm，贴坡反滤的高度应高出最高的渗流出逸点0.51.0m，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： 1.1.砂砾料贴坡排水砂砾料贴坡排水: 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。 2.2.土工织物贴坡排水（图土工织物贴坡排水（图B B）图图B B 土工织物反滤层贴坡排水示意图土工织物反滤层贴坡排水示意图 图图A A 砂砾料贴坡排水示意图砂砾料贴坡排水示意图（四）透水后戗（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0.51.0m，顶宽24m，坡度1:31:5，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1020cm。填筑戗体时应进行压实，相对密度不小于0.65。 透水后戗示意图透水后戗示意图（五）水平排水（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（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。 1.1.设计考虑设计考虑 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1105cm/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0.51.0m，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46。2.2.施工考虑施工考虑 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（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。 图图A: A: 封闭式垂直防渗墙的渗流控制效果封闭式垂直防渗墙的渗流控制效果 单位：单位：m m 图图B: B: 悬挂式垂直防渗墙的渗流控制效果悬挂式垂直防渗墙的渗流控制效果 单位：单位：m 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（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。9898长江大洪水管涌研究实例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。 56以上有不当之处，请大家给与批评指正，以上有不当之处，请大家给与批评指正，谢谢大家！谢谢大家！