渗透变形工程地质研究

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。
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。
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 D/d >= 20 n=0.395 D/ d0 =2.5 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
四、临界水力梯度与允许水力梯度的确定
允许水力梯度：
I cr I 允＝ m
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 I实<I允 发生渗透变形 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
（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。
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 · ·g= ’ · dl·dw dh g·
dh/dl= ’ /
Icr=dh/dl= ’ /
Icr= ’ =(s-1)(1-n)…… 太沙基公式
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。
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：
H1 H 2 I 逸平＝ K1 T1 2T1 2b K 2 T2 H3 H 4 I 水平 2b 式中：H 3、H 4为上、下游坝脚处下层的测压水位
Cu<10 Cu>20 Cu＝10-20 流土 管涌 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
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%
<25% =25%~35%
流土
管涌 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
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Fra Baidu bibliotek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。
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。
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。
•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。
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
一、概念
概
述
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
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
一、预测步骤
渗透变形的预测
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
（二）堤身垂直防渗
垂直防渗的位臵宜布臵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。
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
（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）
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 dW ρsat g dl dw dF ρ g dl dw
水下重量dQ=dW-dF=(sat- )·g· dl·dw =’ · dl·dw g·
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。
土粒越密实， n 越小， Icr 易发生渗透变形。
越大，土体越不容
扎马林：Icr (ρs 1)(1 n) 0.5n
, c 1 我国水利部门：Icr (1 2 tg ) 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
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。