工程地质学 06渗透变形工程地质研究
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第六章渗透变形
原地下水
降水后 水位线
§2
渗透变形产生的条件
1. 渗透变形的动力----动水压力 当动水压力>岩土抗渗强度（岩土抵抗 渗透水流作用的能力），产生渗透变形。 一、渗流的动水压力及临界水力梯度 渗透压力：dP=dw· w· 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 dw dl dl 饱水土体重量：dW ρ sat g dl dw 水的重量：dF ρ g dl dw
多薄层型:多位于河流下游 ，由细砂土、粉土和粘性土互相叠置组 成，主要取决于表层是否存在粘性土，其性质、厚度和完整程度如 何。如含粘性土夹层和透镜体，对土层渗透性和动水压力有一定影 响，可使局部地段水利梯度较大，而引起渗透变形。
• 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、出口条件等 四、工程因素 • 渗流出口的保护 • 施工等破坏了表层具有防渗作用的弱透 水层
水下土体重量：dQ=dW-dF=(sat- )· g· dl· dw =’ ·g·dl· dw
当dP=dQ时，土颗粒处于平衡状态
当dp=dQ时，单元土体处于悬浮状态，发生流土。
此时渗流的水力梯度为临界水力梯度Icr 。 即有：w· g· dw · dh = ’ ·g·dl· dw Icr = dh/dl = ’ / Icr= ’ =(s-1)(1-n)…… 太沙基公式 dh/dl= ’ /
四、确定临界水力梯度与允许水力梯度 I cr I 允＝ m 1 允许水力梯度： m m与地质条件和工程重要性有关：
一般砂土：m＝1.5~3.0
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
工程地质学 第六章 渗透变形工程地质研究
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
’——浮密度
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 —— (critical hydraulic gradient)土的抗渗强度。 则有： dw ·dh ·g= ’ ·g·dl·dw
❖ 渗透变形也给地下巷道掘进和矿山作业带来很大 危害，同时影响到地面建筑物的安全。
❖ 1974年苏联列宁格勒市兴建地下铁道时，在地下 80m深处于冻结的流砂层掘进巷道，但由于某一 地段上的流砂未完全冻结而造成破裂，数千方流 砂快速涌进已掘进好的巷道，同时在地面形成了 塌陷漏斗。
❖ 我国淮南煤矿一竖井，位于淮河泛滥淤积的粉、 细砂土中，1960年代施工时亦遇流砂涌入，引起 四周地面下陷达l.4m，井筒四周的板桩沉陷变形。 后来采用电动硅化法改良土质，才得以继续掘进。
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。(seepage deformation)或渗透破坏(seepage failure)。 表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等。
由此产生的工程地质问题，就是渗透稳定性问题。
❖ 河流阶地上的“碟形洼地”和覆盖岩溶区的“土 洞”等现象均属之。
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。(piping)
根据渗透方向与重力方向的 关系：
垂直管涌 水平管涌
工程地质学课件 第四章 渗透变形工程地质研究
一、管涌(piping)或潜蚀
4.接触管涌
定义：粗、细颗粒土层互相叠置时，在它们接触面 上的渗流作用下所发生的管涌 分类：按渗流方向与接触面的关系 垂直接触管涌：在垂直于土层接触面的渗流作用下， 细粒土层的大颗粒向粗颗粒土层孔隙移动的现象。 平行接触管涌 ：在平行于粗粒、细粒土层接触面的 渗流作用下，由于粗粒土层的渗透速度比细粒土层 的渗透速度大得多，而使接触面附近的细粒土层中 的颗粒被携走的现象。
9
一、管涌(piping)或潜蚀
3.分类
根据渗透方向与重力方向的关系，将管涌分 为： 垂直管涌 水平管涌
10
土石坝坝基渗流示意图
渗流方向：在坝前(上游)由上向下，与重力方向一致；在坝底为 水平方向；渗流方向在坝后(下游)由上向下，与重力方向相反 坝前的渗流对土层起压密作用，不致于发生渗透变形。坝后 的渗流对土颗粒起上托作用，使之易于松动、悬浮、被携出 地表，为垂直管涌。坝底下的细粒物质从粗颗粒骨架孔隙中 被渗流携走，为水平管涌。
29
(3)土的级配特征
土的级配特征用土的不均粒系数Cu表示， Cu值愈大，说明土愈不均匀，级配愈好 Cu <10时，主要型式是流土； Cu >20时，主要型式是潜蚀； Cu在10-20之间时，流土和潜蚀均可能发 生
30
临界水力梯度与土不均粒系数曲线
§3 渗透变形产生的条件
二.充分条件 在具备渗透变形产生的必要条件前提下， 渗透变形现象是否会产生，由宏观地质 因素和工程因素来决定。
渗透破坏梯度与细粒含量关系图
当细粒含量 达20％-30％ 时，产生渗 透变形所需 的水力梯度 值急剧增大。 但当细粒含 量小于20％ 时，临界梯 度小于0.5， 较公式计算 值0.8-1.2小 得多。可能 是由于土的 结构和孔隙 不均一的缘 故。
第7章 渗透变形工程地质研究
《工程地质学概论》
第七章 渗透变形工程地质研究
渗透变形破坏方式
渗透变形破坏的形成条件
渗透变形的预测 渗透变形破坏的防治措施
渗透变形破坏方式
渗透变形：在渗透水流作用下，土体颗粒发生移动，
引起土体结构变松，强度降低的现象。
渗透变形破坏方式
潜蚀：渗流作用下，土体中较细颗粒被水流移动或挟
走，较普遍发生在不均质砂层中
流土：渗流将土体所有的颗粒全部浮动、流动或整块移
动，常发生在大坝下游坡脚有渗透水流逸出的土层中。
接触流土：渗透水近于垂直土层运动，当水流由颗粒
粗细相差悬殊的细粒土进入粗粒土中时，细粒土被水流 带进粗粒土中。
接触冲刷：粗细粒土层接触时，在平行于土层的渗流
作用下，接触面上的细粒土被水流携走。
渗透变形破坏的形成条件
D.压密固结程度：经过压密固结的土不仅孔隙度有所 降低，粒间嵌合力也有所增强，必然要经过渗流力浮动 以后才能悬浮。其临界梯度和允许梯度显著高于颗粒成 分相近但未经固结的土。
渗透变形破坏的形成条件
E.粘粒含量：粘粒含量增多的结果使土的内聚力增加， 进而增加土的抗潜蚀能力。
允许
粒的骨架孔隙直径d0时，才能发生潜蚀。据研究其最优 比为d0/d=8。一般天然无粘性土均为混粒结构，其孔隙 率多为n=39.59%，大颗粒粒径D与其孔隙d0比为D/d0=2.5。 所以有利于发生潜蚀的粗细粒径比为D/d=20。
渗透变形破坏的形成条件
B.细颗粒含量：只有较多量的粗大颗粒构成骨架，才 能形成直径较大的孔隙，易于产生潜蚀。如细颗粒达到 一定含量致使颗粒间不能相互接触，不能由它构成骨架， 则孔隙大小取决于细颗粒，则比较难以潜蚀。实验资料 证实：当细粒含量达20%~30%时，产生渗透变形所需的 水力梯度值急剧增大。当 细粒含量<20%，破坏梯度 <0.5，较计算值(0.8~1.2)小 得多，这可能是由于土的 结构和孔隙不均一的缘故。 细粒含量（％）
第七章 渗透变形工程地质研究
渗透变形破坏方式
渗透变形破坏的形成条件
渗透变形的预测 渗透变形破坏的防治措施
渗透变形破坏方式
渗透变形：在渗透水流作用下，土体颗粒发生移动，
引起土体结构变松，强度降低的现象。
渗透变形破坏方式
潜蚀：渗流作用下，土体中较细颗粒被水流移动或挟
走，较普遍发生在不均质砂层中
流土：渗流将土体所有的颗粒全部浮动、流动或整块移
动，常发生在大坝下游坡脚有渗透水流逸出的土层中。
接触流土：渗透水近于垂直土层运动，当水流由颗粒
粗细相差悬殊的细粒土进入粗粒土中时，细粒土被水流 带进粗粒土中。
接触冲刷：粗细粒土层接触时，在平行于土层的渗流
作用下，接触面上的细粒土被水流携走。
渗透变形破坏的形成条件
D.压密固结程度：经过压密固结的土不仅孔隙度有所 降低，粒间嵌合力也有所增强，必然要经过渗流力浮动 以后才能悬浮。其临界梯度和允许梯度显著高于颗粒成 分相近但未经固结的土。
渗透变形破坏的形成条件
E.粘粒含量：粘粒含量增多的结果使土的内聚力增加， 进而增加土的抗潜蚀能力。
允许
粒的骨架孔隙直径d0时，才能发生潜蚀。据研究其最优 比为d0/d=8。一般天然无粘性土均为混粒结构，其孔隙 率多为n=39.59%，大颗粒粒径D与其孔隙d0比为D/d0=2.5。 所以有利于发生潜蚀的粗细粒径比为D/d=20。
渗透变形破坏的形成条件
B.细颗粒含量：只有较多量的粗大颗粒构成骨架，才 能形成直径较大的孔隙，易于产生潜蚀。如细颗粒达到 一定含量致使颗粒间不能相互接触，不能由它构成骨架， 则孔隙大小取决于细颗粒，则比较难以潜蚀。实验资料 证实：当细粒含量达20%~30%时，产生渗透变形所需的 水力梯度值急剧增大。当 细粒含量<20%，破坏梯度 <0.5，较计算值(0.8~1.2)小 得多，这可能是由于土的 结构和孔隙不均一的缘故。 细粒含量（％）
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渗透变形工程地质研究
16、人民应该为法律而战斗，就像为 于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
16、人民应该为法律而战斗，就像为 于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
工程地质学 06渗透变形工程地质研究
第七章 渗透变形的工程地质研究
• 2．流土 – 流土是在渗流作用下一定体积的土体同时发 生移动的现象。流土一般发生于均质砂土层和 粘质砂土中。它可使土体完全丧失强度，而危 及建筑物的安全，因此危害性较管涌大。如建 筑物基坑开挖或地下巷道掘进时发生的流沙现 象。
– 管涌和流土虽为两种不同的渗透变形形式， 但管涌的发展、演化往往会转化为流土。
第七章 渗透变形的工程地质研究
• （2）地形地貌条件
– 地形地貌条件对渗透变形的影响，主要表现在 沟谷切割影响渗流的补给、渗径长度和渗流出口 条件等方面。若坝体上下游的沟谷将弱透水的表 土层切穿，则有利于渗流的补给，并使渗径缩短 而加大水力梯度。如果下游地下水溢出地段的渗 流出口临空，则极有利于渗透变形的产生。
– 所以岩土体的渗透稳定性取决于渗流的动水压 力与抗渗强度这一对矛盾相互作用的发展演化过 程。这也就是渗透变形产生的基本条件。
第七章 渗透变形的工程地质研究
• 1．渗流的动水压力和临界水力梯度
• （1）动水压力
– 当地下水在松散土体的孔隙中渗流时，土颗粒于水流围 绕接触。由于水流流线之间以及水流与土粒接触面上摩擦 阻力的作用，使得水流产生水头损失，因而渗流的水压力 将下降。此时，每一个土颗粒在水头差的作用下，承受来 自水流的渗透力。 – 为了推导出动水压力的数学表达式，假设渗透水流自下 而上流经一个单元土体（右下图），其长度为dl、断面面
积为d，上下界面的水头差为dh。
则此单元土体承受的总渗透压力dP为：
dP=wgdhd
其中，w为水的密度。
第七章 渗透变形的工程地质研究
– 习惯上将渗透压力分解作用在土体的单位体 积上，称为动水压力D：
D
dP
d dl
6+渗透变形工程地质
ρ ρs 1(1 n) 故 Icr ρ
ρs为土的密度；n为土的孔隙度。这就是著名的太 沙基公式。土粒的密度愈大，孔隙愈小，则临界水 力梯度愈大，土体愈不会发生渗透变形。
一般土体的ρs=2.65g/cm3，n=0.3—0.5，因而Icr均在 0.8—1.2之间．. 这就是一般采用的产生流土的临界水力梯度计算公式．但
σ ρω g l 1 ρm g l 2
式中：ρω、ρm分别为水及饱和砂土的密度；g为重力加速 度。 该断面上的孔隙水压力Pw为：
Pw ρω g l 1 ρm g l 2
根据有效应力原理，1一1断面上的有效应力为：
σ σ Pw ρ g(l1，因此危害性较管涌 大．
如建筑物基坑开挖或地下巷道掘进时发生的流砂现象即是
三、渗透变形问题研究的意义
管涌和流土虽为两种不同的渗透变形型式，但是管涌的发 展、演化，往往会转化为流土． 渗透变形问题在坝工建设中尤为引人关注，这是因为在厚
度很大的松散河流堆积层上仅适宜于兴建土石坝，因而渗 透稳定性问题是土石坝的主要工程地质问题之一．
是需要指出的是，太沙基公式并未考虑到土体本身强度 (内摩擦力和内聚力)的影响。所以实测的Icr，值往往较公 式计算的大些；尤其当土的结构较紧密和粘粒含量较多时 则更是如此。
札马林建议给予修正，
Icr ρ s 1(1 n) 0.5n
我国某些水利部门考虑到土的抗剪强度，建议对 坝(闸)后地下水逸出段发生流土的临界水力梯度 计算公式为：
(3)土的级配特征 土的级配特征可以它的不均粒系数 (η=d60/d10)表示。伊斯托米娜通过模型试验发现，在自 下而上渗流出口处，并无盖重的条件下，砂土的渗透变形 类型及临界水力梯度值都与土的不均粒系数有关。 当η<10时，主要类型是流土； 当η>10时，主要类型是管涌；
渗透变形工程地质研究
管涌可以多种方式出现，如涌、土裂隙管涌和虫(兽)穴管 涌等。历史上很多决堤事件，也是管涌而产生的，所以管涌
如猛兽。1998年，九江大堤是因为管涌而缺口的。
第一节 基本概念及研究意义
由于工程活动所引起起的潜蚀和管涌更为常见。如开挖 深基坑或采矿竖井穿过饱水粉细砂层，在基坑或竖井中大 量排除地下水，造成坑(井)内与边壁之间的大水头差，地 下水层便会携带大量砂土由边壁涌入坑(井)之中，这就是 工程中通称的流砂(quick sand)。
一、渗透变形的水动力条件
地下水在松散土体中渗流时，土颗粒在水头差作用下承受了来自
水流的渗透力即动水压力。
j wi
单位土体承 受的土压力
水流由下往上渗透时一旦当动水 压力与土体的水下重量相等时，土体 将处于悬浮状态而发生流土。
第二节 渗透变形产生的条件
土体的水下重量： 若dp＝dq：
临界水力梯度Jcr
三、确定临界水力梯度和允许水力梯度
确定临界水力梯度的方法也较 多，有理论计算法、图表法及试验 测定法等，可根据渗透变形的类型 、工程重要性和不同勘察阶段等采 用。
1、工程等级较低或初期勘察 阶段，可采用图表法估计临界水力 梯度；
1）砂土和砂砾土管涌临界水 力梯度，可采用细颗粒含量与渗透 破坏坡降关系曲线求得临界水力梯 度
渗流面蚀
饱水敏感土于斜坡面出露，集中渗流可携带其出口处的土 粒顺流而下将之搬运走，于是出口处首先形成一凹入龛并累 进性切入坡内，逐步发展为一个地下管道。使渗流流线聚敛 的因素有地形、岩性或细微裂隙等。
孔道冲刷 土或易蚀基岩中的孔洞或管道开始形成之后，通过这类孔
道流动的集中水流即可冲刷孔道壁、冲走可由壁上脱落下来 的颗粒而使孔道不断扩大。
即：
如猛兽。1998年，九江大堤是因为管涌而缺口的。
第一节 基本概念及研究意义
由于工程活动所引起起的潜蚀和管涌更为常见。如开挖 深基坑或采矿竖井穿过饱水粉细砂层，在基坑或竖井中大 量排除地下水，造成坑(井)内与边壁之间的大水头差，地 下水层便会携带大量砂土由边壁涌入坑(井)之中，这就是 工程中通称的流砂(quick sand)。
一、渗透变形的水动力条件
地下水在松散土体中渗流时，土颗粒在水头差作用下承受了来自
水流的渗透力即动水压力。
j wi
单位土体承 受的土压力
水流由下往上渗透时一旦当动水 压力与土体的水下重量相等时，土体 将处于悬浮状态而发生流土。
第二节 渗透变形产生的条件
土体的水下重量： 若dp＝dq：
临界水力梯度Jcr
三、确定临界水力梯度和允许水力梯度
确定临界水力梯度的方法也较 多，有理论计算法、图表法及试验 测定法等，可根据渗透变形的类型 、工程重要性和不同勘察阶段等采 用。
1、工程等级较低或初期勘察 阶段，可采用图表法估计临界水力 梯度；
1）砂土和砂砾土管涌临界水 力梯度，可采用细颗粒含量与渗透 破坏坡降关系曲线求得临界水力梯 度
渗流面蚀
饱水敏感土于斜坡面出露，集中渗流可携带其出口处的土 粒顺流而下将之搬运走，于是出口处首先形成一凹入龛并累 进性切入坡内，逐步发展为一个地下管道。使渗流流线聚敛 的因素有地形、岩性或细微裂隙等。
孔道冲刷 土或易蚀基岩中的孔洞或管道开始形成之后，通过这类孔
道流动的集中水流即可冲刷孔道壁、冲走可由壁上脱落下来 的颗粒而使孔道不断扩大。
即：
渗透变形工程地质分析
由于工程活动所引起的潜蚀和管涌更为常见。如开挖
深基坑或采矿竖井穿过饱水粉细砂层，在基坑或竖井中大量 排除地下水，造成坑(井)内与边壁之间的大水头差，地下水 层便会携带大量砂土由边壁涌入坑(井)之中，这就是工程中 通称的流砂(quick sand)，有时也会在坑底出现喷砂或砂沸 (sand boil) ；钻井快速抽取地下水，含水层中的水即向集水 井流动，由于愈接近井筒水力梯度愈大，高水力梯度地下水 流的潜蚀可将细小砂粒携入井中，使井筒逐渐被砂淤满，抽 水机具被埋。 管涌更多的与修建堤坝相联系。大河两岸修建防洪堤后， 洪水期间堤内外之间有一定的水头差，而建坝壅水之后坝上、 下游之间的水头差更会显著增大，渗流力或水动压力与水力 梯度呈正比增大，所以产生潜蚀的水动力条件就形成了。如 果坝为土石坝、坝基土石为透水的砂质土且具有产生强烈潜 蚀的颗粒成分及结构条件，而防渗措施又不得当，往往会造 成管涌甚至造成溃坝、溃堤。
管涌可以多种方式出现，如渗流面管涌、土裂隙管 涌和虫(兽)穴管涌等。在自然条件下，潜蚀和管涌可以 在干旱区黄土中形成地下洞穴，也可在红层中形成洞穴。 洞穴末端陷落即形成落水洞，而当大部分顶拱塌落即形 成残留有“天生桥’’的深冲沟等。这些地貌形态组合 由于类似于喀斯特故一般称为假喀斯特(pseudokarst)。 在温湿区在洪泛平原被河流下切形成的岸坡上，可形成 渗流—面蚀管涌，管涌发展使地下汇水区内部分被掏空 引起地表下陷而出现潜蚀洼地；或在较陡斜坡上由于潜 蚀而引起滑坡。
图 13-1 由渗流出口潜蚀发展为管涌的过程中流网的变化和管道集水区的扩大 （a）初始状态（b）管涌向源发展
1-管道集水区宽度；2-等压线；3-流线
渗透水流导致孔洞通道不断向源延伸和扩大的作用：
(1) 淋蚀(eluviation)或渗流侵蚀(seepage erosion) 当土层中细小颗粒小于与之呈互层状产出的砂、砾层中的
工程地质学——渗透变形工程地质研究(精选)PPT26页
工程地质学——渗透变形工程 地质研究（精选）
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪Leabharlann 29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
▪
谢谢！
26
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪Leabharlann 29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
▪
谢谢！
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工程地质学基础 第六章 渗透变形工程地质研究
第六章 渗透变形工程地质研究
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、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。
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）
整理课件
整理课件
5 工程因素
施工等破坏了表层具有防渗作用的弱透水层。
整理课件
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
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。 整理课件
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
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。
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、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。
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）
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5 工程因素
施工等破坏了表层具有防渗作用的弱透水层。
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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
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。 整理课件
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
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。
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– 当向上渗流的水头差h不断增大，直至a—a断面上的孔 隙水压力与该面上的总应力相等时，有效应力将减小为零， 即
– 由此得
’=-pw=’gl2-wgh=0
Icr=’/w
– 由于水的密度为1t/m3，所以临界水力梯度Icr在数值上 等于土的浮密度。根据土物理性质指标间的关系
’=(s-1)(1-n)
–故
– 渗透变形一般发生于无粘性土和粉土中。如“黄土喀斯特” 现象、河流阶地上的“碟形洼地”和覆盖岩溶区的“土洞” 等现象均属渗透变形。
– 常见的渗透变形问题：基坑开挖时的流沙现象、因矿山排 水或抽取地下水在覆盖岩溶区产生的地面塌陷、土石坝坝基 的渗透稳定性问题。渗透变形除在松散土体中发生外，还可 在基岩的断裂破碎带和风化壳中发生。
– 所以岩土体的渗透稳定性取决于渗流的动水压 力与抗渗强度这一对矛盾相互作用的发展演化过 程。这也就是渗透变形产生的基本条件。
第七章 渗透变形的工程地质研究
• 1．渗流的动水压力和临界水力梯度
• （1）动水压力
– 当地下水在松散土体的孔隙中渗流时，土颗粒于水流围 绕接触。由于水流流线之间以及水流与土粒接触面上摩擦 阻力的作用，使得水流产生水头损失，因而渗流的水压力 将下降。此时，每一个土颗粒在水头差的作用下，承受来 自水流的渗透力。 – 为了推导出动水压力的数学表达式，假设渗透水流自下 而上流经一个单元土体（右下图），其长度为dl、断面面
=wgl1+mgl2
其中，m为饱和砂土的密度。 – 该断面上的孔隙水压力pw为：
pw=wg(l1+l2+h)
第七章 渗透变形的工程地质研究
– 根据有效应力原理，a—a断面上的有效应力’ 为：
’=-pw=’gl2-wgh
– 其孔隙水压力、总压力及有效应力分布见右 图中的b和c。
第七章 渗透变形的工程地质研究
第七章 渗透变形的工程地质研究
• （2）临界水力梯度 – 设单元土体的水下密度（浮密度）为’，则 其水下重量dQ为：
dQ=’dld
– 当Dp=dQ时，单元土体呈悬浮状态，发生流 土。此时，渗流的水力梯度即为临界水力梯度 Icr：
Icr=’/wLeabharlann 第七章 渗透变形的工程地质研究
– 土的临界水力梯度概念，还 可用有效应力原理来解释。 – 在水头差作用下，水下饱和 砂土发生自下而上的渗流时 （右图），在a—a断面上的垂 向总应力为：
第七章 渗透变形的工程地质研究
• 2．流土 – 流土是在渗流作用下一定体积的土体同时发 生移动的现象。流土一般发生于均质砂土层和 粘质砂土中。它可使土体完全丧失强度，而危 及建筑物的安全，因此危害性较管涌大。如建 筑物基坑开挖或地下巷道掘进时发生的流沙现 象。
– 管涌和流土虽为两种不同的渗透变形形式， 但管涌的发展、演化往往会转化为流土。
– 在垂直土层接触面的渗 流作用下，细粒土层的单 个颗粒向粗粒土层的孔隙 移动的现象为垂直接触管 涌，如抽水井附近砂土层 颗粒向过滤管外反滤料的 管涌（右图）。
第七章 渗透变形的工程地质研究
– 在平行于粗、细粒土层的接触面的渗流作 用下，由于粗粒土层的渗透速度比细粒土层 的大得多，而使基础面附近的细粒土层中的 颗粒被带走的现象，称为水平接触管涌，如 双层结构坝基水平渗流段的管涌。
第七章 渗透变形的工程地质研究
– 根据渗流方向与重力方向的关系，可将管涌分 为垂直管涌和水平管涌。下图是土石坝坝基渗流 示意图。
水平管涌段
垂直管涌
第七章 渗透变形的工程地质研究
– 在透水性相差较大的两 种土层接触面上，在渗流 作用下会发生接触管涌。 根据渗流方向与土层接触 面的关系，接触管涌可分 为垂直接触管涌和平行接 触管涌。
–渗透变形也给地下巷道掘进和矿山作业带来很 大的危害，同时影响到地面建筑物的安全。
第七章 渗透变形的工程地质研究
• 二、土石渗透变形类型 • 1．管涌（潜蚀）
– 管涌（潜蚀）是在渗流作用下单个土颗粒发 生独立移动的现象。较普遍发生在不均匀的砂 层或砂卵（砾）石层中，细粒物质从粗骨架孔 隙中被渗流带走，使土体的孔隙和孔隙度都增 大，强度较低，发展下去会使土体呈现“架空 结构”，甚至导致地面塌陷。
Icr=(s-1)(1-n)——太沙基公式
– 由公式可知，土粒密度愈大，孔隙度愈小，临界水力梯 度愈大，土体愈不容易发生渗透变形。一般土的 s=2.65g/cm3，n=0.3-0.5，因而Icr在0.8-1.2之间。
第七章 渗透变形的工程地质研究
–渗透变形问题在坝工建设中尤为重要，这是因 为在厚度很大的松散河流堆积层上仅适宜兴建土 石坝，因而渗透稳定性问题是土石坝的主要工程 地质问题之一。据美国的有关资料，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1974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%。
第七章 渗透变形的工程地质研究
• 主要内容： – 一、基本概念及研究意义 – 二、土石渗透变形类型 – 三、土石渗透变形的产生条件 – 四、 渗透变形可能性判别 – 五、渗透变形的防治措施
第七章 渗透变形的工程地质研究
• 一、基本概念及研究意义
– 渗透的水流对岩土产生作用力,当此力达到一定值时，岩土 中的一些颗粒甚至整体就会发生移动而被渗流带走，从而引 起岩土的结构变松，强度降低，甚至整体发生破坏。这种作 用或现象称为渗透变形或渗透破坏。
积为d，上下界面的水头差为dh。
则此单元土体承受的总渗透压力dP为：
dP=wgdhd
其中，w为水的密度。
第七章 渗透变形的工程地质研究
– 习惯上将渗透压力分解作用在土体的单位体 积上，称为动水压力D：
D
dP
d dl
w
g
I
– 动水压力的作用方向与渗流方向一致。一般 w=1t/m3，因此，D=Ig（KN/m3）。
第七章 渗透变形的工程地质研究
• 三、土石渗透变形的产生条件
– 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称为抗渗强度，其大 小取决于土的颗粒组成、排列方式、物理力学性 质及地下水流向等。
– 一旦当渗流的动水压力达到岩土体的抗渗强度 时，就会产生渗透变形。