第八章　渗透变形工程地质研究.ppt

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 地下水在渗流过程中对岩土体作用的力 称渗透力或动水压力 当此力达到一定值时 岩土中一些颗粒 甚至整体就发生移动 从而引起岩土体的变形和破坏 这种作用或现象 称之为渗透变形或渗透破坏 由此产生的工程地质问题 就是渗透稳定性问题 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 在渗流作用下 土体的渗透稳定性决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 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 三 渗透变形的类型 续1 三 渗透变形的类型 续2 2 流土 在渗透作用下 一定体积的土体同时发生移动的现象 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 实例 图7 3东榆林水库副坝溃决段地质割面图 单位 m 砂琅土 亚砂土 厚l 3 1 5m 粉质亚砂土 厚2 5 3 0m 砾状粘土 厚0 l 0 8m 龟裂土 亚砂土 厚2 5m 砂质粘土 厚5m 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 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 承受了来自水流的渗透力 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 wgdw流出 pB h2 wgdw渗透压力 dP pA pB dw w dh g 水下重量dQ dW dF sat g dl dw g dl dw 动水压力 D 单位体积土层所受的渗透压力 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 dwdh 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 管涌的Icr的求取较为复杂 通过试验测定 二 土体结构特征 抗渗强度 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 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 土的抗渗强度增加 不易发生渗透变形 二 土体结构特征 抗渗强度 续1 3 土的级配特征 不均匀系数Cu d60 d10Cu20管涌砾质土Cu 10 20流土或管涌 二 土体结构特征 抗渗强度 续2 1 地层组合关系 单一型 双层型 多层型 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 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 三 宏观地质因素 四 工程因素 施工等破坏了表层具有防渗作用的弱透水层 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 尤其是最大水力梯度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 第三节渗透变形的预测一 预测步骤 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 三 实际水力梯度的确定 续 理论计算法 允许水力梯度 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 四 临界水力梯度与允许水力梯度的确定 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 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