第八章 渗透变形工程地质研究

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，单个颗粒发生独立移动的 现象，又称为潜蚀。 根据渗透方向与重力方向的关系： 垂直管涌 水平管涌
二、防治措施
1、垂直截渗：防渗帷幕、截水槽、混凝土防渗墙 、垂直截渗：防渗帷幕、截水槽、 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 、物理、 冻结、电动硅化、灌浆（化学浆液） 冻结、电动硅化、灌浆（化学浆液）
水下重量dQ=dW-dF=(ρ dl· =ρ g dl dl· 水下重量dQ=dW-dF=(ρsat- ρω )· g·dl dw =ρ’ ·g·dl dw dQ=dW dl
当dp=dQ时，单元体处于临界悬浮状态，即将发生流土。 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 此时渗流的水力梯度为临界水力梯度Icr 土的抗渗 临界水力梯度 强度。 强度。 则有： dwρω ·dh · g= ρ’ ·g·dl dw 则有： dh g dl· dl dh/dl= ρ’ / ρω Icr=dh/dl= ρ’ / ρω
实例
图7－3 东榆林水库副坝溃决段地质割面图(单位：m)
①－砂琅土(亚砂土)，厚l.3－1.5m；②－粉质亚砂土，厚2.5－3.0m； ③－砾状粘土，厚0，l－0，8m；④－龟裂土(亚砂土)，厚2.5m；⑤－砂质粘土，厚5m； ⑥－粉砂土 (据张致仁，1982)
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
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二、渗透类型的确定
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
实际水力梯度的确定比较复杂，目前的方法有： 实际水力梯度的确定比较复杂，目前的方法有： 理论计算法 流网图解法 水电比拟法 地下水动力学
三、实际水力梯度的确定（续） 实际水力梯度的确定（
理论计算法： 理论计算法：
三、渗透变形的类型（续1） 渗透变形的类型（
接触管涌：当粗细粒土相互叠置时，接触面上发生的管涌。 接触管涌 按渗流方向与土层接触面的关系： 垂直接触管涌：在垂直于土层接触面的渗流作用下，细粒 垂直接触管涌 土层的单个颗粒向粗粒土层孔隙移动的现象。 平行接触管涌：在平行于粗、细粒土层接触面的渗流作用 平行接触管涌 下，由于粗粒土层的渗透速度较细粒土层大 得多，而使接触面附近的细粒土层中的颗粒 被携走的现象。
当地下水在松散土体的孔隙中渗流时， 当地下水在松散土体的孔隙中渗流时，土颗粒与水流围绕接 触(图7－4)。由于水流流线之间以及水流与土粒接触面上摩擦脚 图 － 。 阻力的作用，使得水流产生水头损失(图 － ， 阻力的作用，使得水流产生水头损失 图7－5)，因而渗流的水压 力下降。此时每一个土颗粒在水头差作用下，承受了来自水流的 力下降。此时每一个土颗粒在水头差作用下， 渗透力。 渗透力。
二、土体结构特征－抗渗强度（续2） 土体结构特征－抗渗强度（
3、土的级配特征：不均匀系数Cu=d60/d10 、土的级配特征：不均匀系数 Cu<10 Cu>20 Cu:10~20 流土 管涌 流土或管涌 砾质土
三、宏观地质因素
1、地层组合关系：（单一型、双层型、多层型） 、地层组合关系：（单一型、双层型、多层型） ：（单一型 单一型：多位于河流的上游，一般为砂卵（ 石层， 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。 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、 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， 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。 或粘性土层透镜体或相变等造成水力梯度的突变等原因。 2、地形地貌条件 、 沟谷切割等改变了渗流的补给、渗流的长度、 沟谷切割等改变了渗流的补给、渗流的长度、出口条 件等。 件等。
H −H2 1 I逸平 ＝ K T 2 1 +2b 1 ⋅ 1 T K2 T 2 H3 −H4 2b 2b 式 ： 3、 4为 、 游 脚 下 土 测 水 中 H H 上 下 坝 处 层 的 压 位 I水平 =
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：
Icr I允 ＝ m
m>1
土体的排列方式决定着D 的值： 土体的排列方式决定着 / d0 的值： 当排列疏松时， 减小， 减小， 当排列疏松时， D / d0 减小， D/d减小，渗透变形广泛 减小 当排列密实时， 增大， 增大， 当排列密实时， D / d0 增大， D/d增大，渗透变形不广泛 增大
二、土体结构特征－抗渗强度（续1） 土体结构特征－抗渗强度（
=(ρ 1)(1-n) Icr= ρ’ =(ρs-1)(1-n)…… 太沙基公式
土粒越密实， n 越小， Icr 土粒越密实， 越小， 易发生渗透变形。 易发生渗透变形。
越大，土体越不容 越大，
扎 林 Icr =(ρs −1 1−n) +0.5n 马 ： )(
ρ, c 我 水 部 ： = (1+ 1 ξ ⋅tgφ) + 国 利 门 Icr 2 ρω ρω ⋅ g 式 ：－ 的 压 系 中 ξ 土 侧 力 数
三、渗透变形的类型（续2） 渗透变形的类型（
2、流土：在渗透作用下，一定体积的土体同时发 、流土：在渗透作用下， 生移动的现象。 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。
据美国的有关统计资料，在破坏的土石坝 中，有40％是坝基或坝体渗透变形造成的。我 国水利水电科学研究院于l974年调查了33座坝 身有缺陷的土石坝，其中属渗透变形的约占60％。
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 渗流的动水压力及临界水力梯度
流入：pA= h1 ρwg dw 流出：pB= h2 ρwg dw 渗透压力：dP=pA-pB=dwρw ·dh ·g
动水压力（D）：单位体积土层所受的渗透压力
dP dh D ＝ = ρ ⋅ g⋅ = ρ ⋅ g⋅ I ϖ ϖ dw⋅ dl dl dW = ρsat ⋅ g⋅ dl ⋅ dw dF = ρ ⋅ g⋅ dl ⋅ dw ϖ
管涌的Icr的求取较为复杂，通过试验测定。 管涌的Icr的求取较为复杂，通过试验测定。 Icr的求取较为复杂
二、土体结构特征－抗渗强度 土体结构特征－
土体结构包括了土中粗细颗粒直径比例、 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。 含量、土的级配等。 1、粗细颗粒直径比例 、 最优比例： 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 ：
四、工程因素
施工等破坏了表层具有防渗作用的弱透水层。 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 、根据土体类型和性质， 变形及变形的类型 2、确定土体中各点的实际水力梯度，尤其是最大 、确定土体中各点的实际水力梯度， 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 、
2、细颗粒的含量 、 用细颗粒含量η来判别双峰型砾土的渗透变形型式： 用细颗粒含量η来判别双峰型砾土的渗透变形型式： η>35% 流土 η<25% 管涌 流土或管涌， η=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、 中等以上密实度、细颗粒的不均匀系数较小的砾 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， 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。 土的抗渗强度增加，不易发生渗透变形。
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： 与地质条件和工程重要性有关 一般砂土： ＝ 一般砂土：m＝1.5~3.0 粘性土： ＝ 粘性土：m＝2.5~4.0
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 、改变渗流的水动力条件， 降低水力梯度 2、改变土体结构，提高抗渗能力 、改变土体结构，
工程地质学
资环学院 吴道祥
第八章 渗透变形工程地质研究
第一节 概述
一、概念
渗透力或动 地下水在渗流过程中对岩土体作用的力，称渗透力 动 渗透力 水压力。当此力达到一定值时，岩土中一些颗粒、甚至整体 水压力 就发生移动，从而引起岩土体的变形和破坏。这种作用或现 象，称之为渗透变形 渗透破坏。由此产生的工程地质问题， 渗透变形或渗透破坏 渗透变形 渗透破坏 就是渗透稳定性问题 渗透稳定性问题。 渗透稳定性问题 引起渗透变形的驱动力是动水压力；动水压力的大小主 要取决于地下水的水力梯度。土体抵抗渗透变形的能力叫抗 抗 渗强度，其大小取决于土的颗粒组成 排列方式 物理力学 土的颗粒组成、排列方式 渗强度 土的颗粒组成 排列方式、物理力学 性质及地下水流向 地下水流向等。在渗流作用下，土体的渗透稳定性决 性质 地下水流向 定于动水压力与抗渗强度之间矛盾的发展演化过程。
二、研究意义
堤 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。