1、6 滲透變形工程地質滲透變形工程地質6.1概述概述6.2滲透變形產生的條件滲透變形產生的條件6.3滲透變形的預測滲透變形的預測6.4滲透變形的防治滲透變形的防治6.1概述概述l 一、滲透變形的定義一、滲透變形的定義l 地下水在滲流過程中對巖土體作用的力，稱地下水在滲流過程中對巖土體作用的力，稱滲透力滲透力(seepage force)或或動水壓力動水壓力(hydrodynamic force)。l 當此力達到一定值時，巖土中一些顆粒，甚至整體就發生當此力達到一定值時，巖土中一些顆粒，甚至整體就發生移動，從而引起卷土體的變形和破壞，這種作用或現象，移動，從而引起卷土體的變形和破壞，這種作用或現象

2、，稱之為稱之為滲透變形滲透變形(seepege deformstion)或或滲透破壞滲透破壞(seepage failure)。l 由此產生的工程地質問題，就是滲透穩定性問題。由此產生的工程地質問題，就是滲透穩定性問題。l 在自然界中，滲透變形現象一般發生在無粘性土和亞砂土在自然界中，滲透變形現象一般發生在無粘性土和亞砂土中，象中，象“黃土喀斯特現象黃土喀斯特現象”，河流階地上的，河流階地上的“碟形洼地碟形洼地”和覆蓋巖溶區的和覆蓋巖溶區的“土洞土洞”等現象均屬之。等現象均屬之。l 由于人類工程由于人類工程經濟活動使滲流加強，從而產生的滲透變經濟活動使滲流加強，從而產生的滲透變形問題較多。如基

3、坑開挖時的流砂現象，因礦山排水或汲形問題較多。如基坑開挖時的流砂現象，因礦山排水或汲取地下水在覆蓋巖溶區產生的地面塌陷。土石壩壩基的滲取地下水在覆蓋巖溶區產生的地面塌陷。土石壩壩基的滲透穩定性問題等這種現象不但在松散土體中發生，而且透穩定性問題等這種現象不但在松散土體中發生，而且在基巖的斷裂破碎帶和風化殼中也可能發生。在基巖的斷裂破碎帶和風化殼中也可能發生。l 引起滲透變形的驅動力是動水壓力；動水壓力的大小主要引起滲透變形的驅動力是動水壓力；動水壓力的大小主要取決于地下水的水力梯度土體抵抗滲透變形的能力叫取決于地下水的水力梯度土體抵抗滲透變形的能力叫抗抗滲強度滲強度，其大小取決于土的顆粒組成、

4、排列方式、物理力，其大小取決于土的顆粒組成、排列方式、物理力學性質及地下水流向等在滲流作用下，土體的滲透穩定學性質及地下水流向等在滲流作用下，土體的滲透穩定性決定于動水壓力與抗滲強度之間矛盾的發展演化過程。性決定于動水壓力與抗滲強度之間矛盾的發展演化過程。二、滲透變形型式二、滲透變形型式l 目前國內外對滲透變形型式的認識和劃分尚未統一，但一目前國內外對滲透變形型式的認識和劃分尚未統一，但一般說來應分為管涌和流土兩種基本型式。般說來應分為管涌和流土兩種基本型式。l 在滲流作用下單個生顆粒發生獨立移動的現象，叫在滲流作用下單個生顆粒發生獨立移動的現象，叫管涌管涌(piping)或或潛蝕潛蝕管涌較普

5、遍地發生在不均勻的砂層或砂管涌較普遍地發生在不均勻的砂層或砂卵卵(礫礫)石層中，細粒物質從粗粒骨架孔隙中被滲流攜走，石層中，細粒物質從粗粒骨架孔隙中被滲流攜走，使土體的孔隙和孔隙度都增大，強度降低，發展下去，會使土體的孔隙和孔隙度都增大，強度降低，發展下去，會使土體呈現使土體呈現“架空結構架空結構”，甚至導致地面塌陷。，甚至導致地面塌陷。 l 根據滲流方向與重力方向的關系，可將管涌分為垂直管涌根據滲流方向與重力方向的關系，可將管涌分為垂直管涌和水平管涌土石壩壩基滲流圖形，其滲流方向在壩前和水平管涌土石壩壩基滲流圖形，其滲流方向在壩前(上游上游)由上向下，與重力方向一致；在壩底下為水平方向，由上

6、向下，與重力方向一致；在壩底下為水平方向，在壩后在壩后(下游下游)由下向上，與重力方向相反由于壩前的滲由下向上，與重力方向相反由于壩前的滲流對土層起壓密作用，不至于發生滲透變形現象。但是，流對土層起壓密作用，不至于發生滲透變形現象。但是，在壩底下和壩眉地段則可能發生滲透變形，尤其是壩后的在壩底下和壩眉地段則可能發生滲透變形，尤其是壩后的滲流對土顆粒起上托作用，使之易于松動、懸浮、被攜出滲流對土顆粒起上托作用，使之易于松動、懸浮、被攜出地表，即為垂直管涌而壩底下的細粒物質從粗粒骨架孔地表，即為垂直管涌而壩底下的細粒物質從粗粒骨架孔隙中被滲流攜走的現象，即為水平管涌。隙中被滲流攜走的現象，即為水平

7、管涌。l 在透水性相差較大的兩種土層接觸而上，在滲流作用下還在透水性相差較大的兩種土層接觸而上，在滲流作用下還會發生接觸管涌，根據滲流方向與土層接觸面的關系，接會發生接觸管涌，根據滲流方向與土層接觸面的關系，接觸管涌又可分為觸管涌又可分為垂直接觸管涌垂直接觸管涌和和平行接觸管涌平行接觸管涌在垂直于在垂直于土層接觸面的滲流作用下，細粒土層的單個顆粒向粗粒土土層接觸面的滲流作用下，細粒土層的單個顆粒向粗粒土層孔隙移動的現象，稱為層孔隙移動的現象，稱為垂直接觸管涌垂直接觸管涌；如汲水井孔四周；如汲水井孔四周的砂土層顆粒向過濾管外反濾料的管涌即是的砂土層顆粒向過濾管外反濾料的管涌即是 l 在平行于粗、

8、細粒土層接觸面的滲流作用下，由于粗粒土在平行于粗、細粒土層接觸面的滲流作用下，由于粗粒土層的滲透速度較細粒土層大得多，而使接觸面附近的細粒層的滲透速度較細粒土層大得多，而使接觸面附近的細粒土層中的顆粒被攜走的現象，稱之為土層中的顆粒被攜走的現象，稱之為平行接觸管涌平行接觸管涌，如雙，如雙層結構壩基水平滲流段的管涌即是。層結構壩基水平滲流段的管涌即是。l 在滲流作用下一定體積的土體同時發生移動的現象，叫在滲流作用下一定體積的土體同時發生移動的現象，叫流流土土(quicksoil)或或硫砂硫砂(quick sand)。l 流土一般發生在均質砂土層和亞砂土層中。它可使土體完流土一般發生在均質砂土層和

9、亞砂土層中。它可使土體完全喪失強度，而危及建筑物的安全，因此危害性較管涌全喪失強度，而危及建筑物的安全，因此危害性較管涌大大l 如建筑物基坑開挖或地下巷道掘進時發生的流砂現象即是如建筑物基坑開挖或地下巷道掘進時發生的流砂現象即是 三、滲透變形問題研究的意義三、滲透變形問題研究的意義l 管涌和流土雖為兩種不同的滲透變形型式，但是管涌的發管涌和流土雖為兩種不同的滲透變形型式，但是管涌的發展、演化，往往會轉化為流土展、演化，往往會轉化為流土l 滲透變形問題在壩工建設中尤為引人關注，這是因為在厚滲透變形問題在壩工建設中尤為引人關注，這是因為在厚度很大的松散河流堆積層上僅適宜于興建土石壩，因而滲度很大的

10、松散河流堆積層上僅適宜于興建土石壩，因而滲透穩定性問題是土石壩的主要工程地質問題之一透穩定性問題是土石壩的主要工程地質問題之一l 據美國的有關統計資料，在破壞的土石壩中，有據美國的有關統計資料，在破壞的土石壩中，有40%是壩是壩基或壩體滲透變形造成的我國水利水電科學研究院干基或壩體滲透變形造成的我國水利水電科學研究院干1974年調查了年調查了33座壩身有缺陷的土石壩，其中屬滲透變座壩身有缺陷的土石壩，其中屬滲透變形的約占形的約占60%。 四、實例四、實例l 我國山西省東榆林水庫副壩潰決事故，就是由于壩基滲透我國山西省東榆林水庫副壩潰決事故，就是由于壩基滲透變形造成的該副壩系均質土壩，最大壩高變

11、形造成的該副壩系均質土壩，最大壩高8.5m，壩基，壩基為由亞砂土和粉砂土等組合的多薄層結構。潰決段上游未為由亞砂土和粉砂土等組合的多薄層結構。潰決段上游未作防滲措施，壩下游排水溝也無反濾層保護作防滲措施，壩下游排水溝也無反濾層保護1979年年2月月中旬蓄水位達中旬蓄水位達1038.77m，副壩下游排水溝滲水增加，溝，副壩下游排水溝滲水增加，溝坡流泥。坡流泥。4月上旬蓄水位月上旬蓄水位1039.25m，副壩下游壩腳普遍滲，副壩下游壩腳普遍滲水，排水溝流泥、塌坡，平臺泥濘不能行駛車倆，水，排水溝流泥、塌坡，平臺泥濘不能行駛車倆，5月月25日早晨，排水溝底部邊坡集中滲出成股渾水，出水口直徑日早晨，排

12、水溝底部邊坡集中滲出成股渾水，出水口直徑有有1015cm左右，當天晚上蓄水位左右，當天晚上蓄水位1039.8m(水深水深4.18m)時壩體潰決，決口底寬時壩體潰決，決口底寬105ml 潰壩的原因是第二層透水性較強的粉質亞砂土出露于壩下潰壩的原因是第二層透水性較強的粉質亞砂土出露于壩下游排水溝邊坡，大部分滲水均從該排水溝邊坡逸出；施工游排水溝邊坡，大部分滲水均從該排水溝邊坡逸出；施工時庫內取土，破壞了表土層時庫內取土，破壞了表土層(亞砂土亞砂土)，使庫水沿上游的取，使庫水沿上游的取土槽及壩踵附近以最短滲徑向下游滲透由于排水溝又無土槽及壩踵附近以最短滲徑向下游滲透由于排水溝又無反濾層保護，破壞了滲

13、流出口，粉質亞砂土在沙透力作用反濾層保護，破壞了滲流出口，粉質亞砂土在沙透力作用下被水流攜出，并不斷向上游發展，最終沿該以底部與龜下被水流攜出，并不斷向上游發展，最終沿該以底部與龜裂土的頂部形成集中滲流通道，嚴重的流土而招致潰壩。裂土的頂部形成集中滲流通道，嚴重的流土而招致潰壩。l 滲透變形也給地下巷道掘進和礦山作業帶來很大危害，同滲透變形也給地下巷道掘進和礦山作業帶來很大危害，同時影響到地面建筑物的安全。時影響到地面建筑物的安全。1074年蘇聯列寧格勒市興年蘇聯列寧格勒市興建地下鐵道時，在地下建地下鐵道時，在地下80m深處于人工凍結的流砂層掘進深處于人工凍結的流砂層掘進巷道，但由于某一地段上

14、的流砂未完全凍結而造成破裂，巷道，但由于某一地段上的流砂未完全凍結而造成破裂，數千方流砂快速涌進，已掘進好的巷道，同時在地面形成數千方流砂快速涌進，已掘進好的巷道，同時在地面形成了塌陷漏斗我國淮南煤礦一豎井，位于淮河泛濫淤積的了塌陷漏斗我國淮南煤礦一豎井，位于淮河泛濫淤積的粉細砂土中，粉細砂土中，60年代施工時亦遇流砂涌入，引起四周地面年代施工時亦遇流砂涌入，引起四周地面下陷達下陷達1.4m。井筒四周的板樁沉陷變形，后來采用電動。井筒四周的板樁沉陷變形，后來采用電動硅化法改良土質，才得以繼續掘進。硅化法改良土質，才得以繼續掘進。l 滲透變形是十種可以影響建筑物和人民生命財產安全的工滲透變形是十

15、種可以影響建筑物和人民生命財產安全的工程動力地拉作用。程動力地拉作用。l 滲透變形產生的條件，滲透變形的預測和防治措施等問題。滲透變形產生的條件，滲透變形的預測和防治措施等問題。6.2滲透變形產生的條件滲透變形產生的條件l 滲透變形產生的條件可從必要條件和充分條件兩個方面來滲透變形產生的條件可從必要條件和充分條件兩個方面來研究。研究。l 一、滲舉變形產生的必要條件一、滲舉變形產生的必要條件l 由上一節討論可知，當滲流的動水壓力達到土的抗滲強度由上一節討論可知，當滲流的動水壓力達到土的抗滲強度時；土顆粒才開始移動，所以，滲透變形產生的必要條件時；土顆粒才開始移動，所以，滲透變形產生的必要條件是：

16、滲透水流有足夠大的動水壓力和土體具有一定的結構是：滲透水流有足夠大的動水壓力和土體具有一定的結構特性。特性。l 1、滲流的動水壓力及臨界水力梯度、滲流的動水壓力及臨界水力梯度l 當地下水在松散土體的孔隙矽滲流時，土顆粒與水沉圍繞當地下水在松散土體的孔隙矽滲流時，土顆粒與水沉圍繞接觸。由于水流流線之間以及水流與土粒接觸面上摩擦阻接觸。由于水流流線之間以及水流與土粒接觸面上摩擦阻力的作用，使得水流產生水頭損失。因而滲流的水壓力將力的作用，使得水流產生水頭損失。因而滲流的水壓力將下降此時每一個上顆粒在水頭差作用下，承受了來自水下降此時每一個上顆粒在水頭差作用下，承受了來自水流的滲透力。流的滲透力。l

17、 為了推導出動水壓力的數學表達式，假設滲透水由下往上為了推導出動水壓力的數學表達式，假設滲透水由下往上流經一單元土體，其長度和斷面積各為流經一單元土體，其長度和斷面積各為dl和和d。上下界。上下界面的水頭差為面的水頭差為dh(圖圖6-6)剛此單元土體承受的總滲透壓剛此單元土體承受的總滲透壓力力dP為為:l 式中：式中：為水的密度：為水的密度：g為重力加速度為重力加速度ddhgdPl 習慣上將滲透壓力分解作用在上體的單位體積上，稱之為習慣上將滲透壓力分解作用在上體的單位體積上，稱之為動水壓力動水壓力（D）：）：IgdlddpD動水壓力的作用方向與滲流方向一致。一般=1tm3，因此D=Ig（KN/

18、m3）。單元土體的水下密度(濕密度)為，則其水下重量dQ為：gddldQ l 當當dP=dQ時，單元土體呈懸浮狀態，發生流土此時滲時，單元土體呈懸浮狀態，發生流土此時滲流的水力梯度即為流的水力梯度即為臨界水力梯度臨界水力梯度Icr (cfiticaL hydraUslic gradient)：Icr土的臨界水力梯度概念，還可用有效應力原理來解釋。土的臨界水力梯度概念，還可用有效應力原理來解釋。在水頭差作用下，水下飽和砂土發生自下而上的滲流時在水頭差作用下，水下飽和砂土發生自下而上的滲流時( (圖圖6-6-7a)7a)，在斷面上的垂向總應力，在斷面上的垂向總應力為：為：l 式中：式中：、m分別為

19、水及飽和砂土的密度；分別為水及飽和砂土的密度；g為重力加速為重力加速度。度。l 該斷面上的孔隙水壓力該斷面上的孔隙水壓力Pw為：為：2m1lglg2m1lglgPw根據有效應力原理，根據有效應力原理，1 1一一1 1斷面上的有效應力為：斷面上的有效應力為：h)lg(lPw21 l 其孔隙水壓力，總應力及有效應力分布如圖其孔隙水壓力，總應力及有效應力分布如圖l 當滲流的水頭差當滲流的水頭差h不斷增大，直到不斷增大，直到11斷面上的空隙水壓斷面上的空隙水壓力與該面上的總應力相等時，有效應力將減小為零。即：力與該面上的總應力相等時，有效應力將減小為零。即：0hglg2 l 由于，由于， Icr因為=

20、1tm3，所以Icr在數值上等于土的浮密度， n)(11s故 Icrs為土的密度；n為土的孔隙度。這就是著名的太沙基公式。土粒的密度愈大，孔隙愈小，則臨界水力梯度愈大，土體愈不會發生滲透變形。 l 一般土體的一般土體的s=2.65g/cm3，n=0.30.5，因而，因而Icr均在均在0.81.2之間之間.l 這就是一般采用的產生流土的臨界水力梯度計算公式但這就是一般采用的產生流土的臨界水力梯度計算公式但是需要指出的是，太沙基公式并未考慮到土體本身強度是需要指出的是，太沙基公式并未考慮到土體本身強度(內摩擦力和內聚力內摩擦力和內聚力)的影響。所以實測的的影響。所以實測的Icr，值往往較公，值往往

21、較公式計算的大些；尤其當土的結構較緊密和粘粒含量較多時式計算的大些；尤其當土的結構較緊密和粘粒含量較多時則更是如此。則更是如此。 l 札馬林建議給予修正，札馬林建議給予修正， 0.5nn)(11Icrs我國某些水利部門考慮到土的抗剪強度，建議對壩(閘)后地下水逸出段發生流土的臨界水力梯度計算公式為：gctg)(1Icrl 式中，式中，c、分別為土的內聚力和內摩擦角：分別為土的內聚力和內摩擦角：為側壓力系為側壓力系數；其它符號意義同上。數；其它符號意義同上。l 對于砂土來說，因無內聚力，故對于砂土來說，因無內聚力，故c=0。l 管涌土的水動力條件比較復雜，一般不采用公式計算其臨管涌土的水動力條件

22、比較復雜，一般不采用公式計算其臨界水力梯度。界水力梯度。l 普遍采用的是圖表法和直接試驗法。普遍采用的是圖表法和直接試驗法。l 2、影響土的抗滲強度因素、影響土的抗滲強度因素結構特性結構特性l 滲透變形的實質就是土顆粒或一定體積的土體被滲流攜走。滲透變形的實質就是土顆粒或一定體積的土體被滲流攜走。在一定的動水壓力作用下，土體是否會發生滲透變形，則在一定的動水壓力作用下，土體是否會發生滲透變形，則取決于它的抗滲強度如何。土的抗滲強度大小，是受其結取決于它的抗滲強度如何。土的抗滲強度大小，是受其結構特性制約的，它包括土中粗細顆粒直徑比例、細粒物質構特性制約的，它包括土中粗細顆粒直徑比例、細粒物質釣

23、含量和土的級配特征等方面。釣含量和土的級配特征等方面。l (1)粗細粒徑的比例粗細粒徑的比例 只有當細顆粒的粒徑只有當細顆粒的粒徑d小于粗顆粒的小于粗顆粒的骨架孔隙直徑骨架孔隙直徑d0時，才能發生管涌。據研究其最優比值為：時，才能發生管涌。據研究其最優比值為：d0/dc=8一般天然無粘性土均為混粒結構，其孔隙度多一般天然無粘性土均為混粒結構，其孔隙度多為為n=0.395，大顆粒粒徑，大顆粒粒徑D與其孔隙與其孔隙d0的比值：的比值：D/d0=2.5。所以有利于發生管涌的粗細粒徑比例所以有利于發生管涌的粗細粒徑比例D/d0應大于應大于20。l 砂土顆粒粒徑與其孔隙直徑比值的大小，與土顆粒排列方砂土

24、顆粒粒徑與其孔隙直徑比值的大小，與土顆粒排列方式關系極大。假定：土粒為等粒球體，若按立方體排列時式關系極大。假定：土粒為等粒球體，若按立方體排列時最疏松，其孔隙度最疏松，其孔隙度n=47.6%，D/d0=2.4；若按四面體排列；若按四面體排列時最緊密，時最緊密，n=25.9%，D/d0=6.4。顯然，土愈疏松，則細。顯然，土愈疏松，則細顆粒物質在孔隙中隨滲流運動愈順暢，粗細粒徑比值就愈顆粒物質在孔隙中隨滲流運動愈順暢，粗細粒徑比值就愈小如果土愈緊密，只有更細小的顆粒才能通過，因此粗小如果土愈緊密，只有更細小的顆粒才能通過，因此粗細粒徑的比值也就更大了此外，土愈緊密它的抗剪強度細粒徑的比值也就更

25、大了此外，土愈緊密它的抗剪強度也愈大，抵抗滲透變形的能力就愈強。也愈大，抵抗滲透變形的能力就愈強。l (2)細顆粒的含量細顆粒的含量 天然無帖性土的顆粒組成十分復雜，其天然無帖性土的顆粒組成十分復雜，其分癤曲線有單峰型、雙峰型和多峰型。而研究滲透變形意分癤曲線有單峰型、雙峰型和多峰型。而研究滲透變形意義較大的是曲線為義較大的是曲線為雙峰型土雙峰型土(圖圖69)，目前對這類土作了，目前對這類土作了不少研究工作。這種土的特點是顆粒組成分布曲線具有兩不少研究工作。這種土的特點是顆粒組成分布曲線具有兩個峰點，并在峰點之間有一明顯的個峰點，并在峰點之間有一明顯的“斷裂點斷裂點”。因此可以。因此可以認為，

26、這種土是由粗、細兩組顆粒構成的。認為，這種土是由粗、細兩組顆粒構成的。 l 我國水利水電科學研究院通過大量室內試驗研究，提出用我國水利水電科學研究院通過大量室內試驗研究，提出用細顆粒含量百分數來判別雙峰型礫土的滲透變形，其型式細顆粒含量百分數來判別雙峰型礫土的滲透變形，其型式為：為：l 當細顆粒含量當細顆粒含量35%時，為流土；時，為流土；l 當細顆粒含量當細顆粒含量0.33)，細顆粒成分不均粒系數較小的礫，細顆粒成分不均粒系數較小的礫土，二般發生流土；反之則為管涌。土，二般發生流土；反之則為管涌。l 細顆粒成分中粘粒含量增加可增大土的內聚力，因而增大細顆粒成分中粘粒含量增加可增大土的內聚力，

27、因而增大了土體的抗滲強度。根據云南某水庫的試驗資料說明，新了土體的抗滲強度。根據云南某水庫的試驗資料說明，新第三紀砂土粘粒含量第三紀砂土粘粒含量4%時，其含量變化對允許梯度的影時，其含量變化對允許梯度的影響不明顯，超過響不明顯，超過4%之后允許梯度急劇增大，達之后允許梯度急劇增大，達6%時時I允允=1。 l (3)土的級配特征土的級配特征 土的級配特征可以它的不均粒系數土的級配特征可以它的不均粒系數(=d60/d10)表示。伊斯托米娜通過模型試驗發現，在自表示。伊斯托米娜通過模型試驗發現，在自下而上滲流出口處，并無蓋重的條件下，砂土的滲透變形下而上滲流出口處，并無蓋重的條件下，砂土的滲透變形類

28、型及臨界水力梯度值都與土的不均粒系數有關。類型及臨界水力梯度值都與土的不均粒系數有關。l 當當10時，主要類型是管涌；時，主要類型是管涌；l 當當在在10-20之間時，流土和管涌均有可能發生。但它對礫之間時，流土和管涌均有可能發生。但它對礫質土不適用。質土不適用。l 在滲流作用下，由于無粘性土的結構特性不同，有的首先在滲流作用下，由于無粘性土的結構特性不同，有的首先表現為管涌，爾后在更強的水動力條件下轉化為流土。產表現為管涌，爾后在更強的水動力條件下轉化為流土。產生流土的水力梯度往往較管涌的水力梯度要大。而有的無生流土的水力梯度往往較管涌的水力梯度要大。而有的無粘性土在足夠的水動力條件下，便直

29、接產生流土。它們主粘性土在足夠的水動力條件下，便直接產生流土。它們主要受控于土的結構特征。要受控于土的結構特征。二、滲透變形產生的充分條件二、滲透變形產生的充分條件l 上面所討論的滲透變形產生的必要條件，是根據理論公式上面所討論的滲透變形產生的必要條件，是根據理論公式推導和實驗室研究獲得的。從一些工程場地滲透穩定性研推導和實驗室研究獲得的。從一些工程場地滲透穩定性研究的資料表明，在具備滲透變形產生的必要條件前提下，究的資料表明，在具備滲透變形產生的必要條件前提下，是否確實出現此間題，還必須由宏觀地質因素和工程因素是否確實出現此間題，還必須由宏觀地質因素和工程因素來決定。來決定。l 1、宏觀地質

30、因素、宏觀地質因素l 對滲透變形產生有意義的宏觀地質因索主要是地層組合關系和地形地對滲透變形產生有意義的宏觀地質因索主要是地層組合關系和地形地貌條付。貌條付。l (1)地層組合關系地層組合關系 地層組合關系對滲透變形的影響，在壩基地層組合關系對滲透變形的影響，在壩基卜表現卜表現最為明顯松散土體壩基的地層結構，有單一型、雙層型、多厚層型最為明顯松散土體壩基的地層結構，有單一型、雙層型、多厚層型和多薄層型等，它們對滲透變形的影響各具特點在單一結構的情況和多薄層型等，它們對滲透變形的影響各具特點在單一結構的情況下；大多為砂卵下；大多為砂卵(礫礫)石層。所以一般發生管涌型滲透變形，其強烈程石層。所以一

31、般發生管涌型滲透變形，其強烈程度則取決于其中細顆粒成分的含量。若粗粒骨架孔隙中細粒成分較多，度則取決于其中細顆粒成分的含量。若粗粒骨架孔隙中細粒成分較多，且被滲流不斷攜走時，往往會發生強烈管涌，甚至轉化為流土。且被滲流不斷攜走時，往往會發生強烈管涌，甚至轉化為流土。l 在雙層、多厚層和多薄層結構的情況下，是否會發生滲透變形，主要在雙層、多厚層和多薄層結構的情況下，是否會發生滲透變形，主要取決于表層粘性土的性質，厚度和完整程度。如果粘性上較厚而完整。取決于表層粘性土的性質，厚度和完整程度。如果粘性上較厚而完整。且抗剪強度較大時，即使下層砂礫石的水力梯度較大，也不易發生滲且抗剪強度較大時，即使下層

32、砂礫石的水力梯度較大，也不易發生滲透變形如果粘性土較薄或不完整時，則在壩下游：土層的某些部位透變形如果粘性土較薄或不完整時，則在壩下游：土層的某些部位會被頂鼓，產生裂縫，以至沖潰、浮動，發生流土而形成破壞區。下會被頂鼓，產生裂縫，以至沖潰、浮動，發生流土而形成破壞區。下層的管涌或流土可相繼發生。如果下層砂礫石層由壩上游向下游逐漸層的管涌或流土可相繼發生。如果下層砂礫石層由壩上游向下游逐漸變厚，由于過水斷面的增大而削減了動水壓力，不易滲透變形，反之，變厚，由于過水斷面的增大而削減了動水壓力，不易滲透變形，反之，如果砂礫石層向下游逐漸變薄，甚至尖滅，則由于動水壓力逐漸增大如果砂礫石層向下游逐漸變薄

33、，甚至尖滅，則由于動水壓力逐漸增大而易于產生透滲變形。而易于產生透滲變形。l 透水層中的粘性土夾層，透鏡體對土層的滲透性和動水壓透水層中的粘性土夾層，透鏡體對土層的滲透性和動水壓力也有影響。它主要表現出非均一性，可使局部地段水力力也有影響。它主要表現出非均一性，可使局部地段水力梯度較大，而引起滲透變形。所以在復雜地層結構條件下，梯度較大，而引起滲透變形。所以在復雜地層結構條件下，即使平均水力梯度很小，局部地段也可能出現較大的水力即使平均水力梯度很小，局部地段也可能出現較大的水力梯度。在分析滲透變形可能性及其特征時，應充分估計到梯度。在分析滲透變形可能性及其特征時，應充分估計到這種情況，總之，地

34、層結構和巖性變化是分析滲透變形的這種情況，總之，地層結構和巖性變化是分析滲透變形的重要宏觀地質因素重要宏觀地質因素l (2)地形地貌條件，地形地貌條件對滲透變形有一定的影地形地貌條件，地形地貌條件對滲透變形有一定的影響例如溝谷切割會影響滲流的補給、滲徑長度和出口條響例如溝谷切割會影響滲流的補給、滲徑長度和出口條件。若壩體上、下游的溝谷將弱透水的表土層切穿的話，件。若壩體上、下游的溝谷將弱透水的表土層切穿的話，有利于滲流的補給，并使滲徑縮短而加大水力梯度，下游有利于滲流的補給，并使滲徑縮短而加大水力梯度，下游地下水逸出段的滲流出口臨空；這些都有利于滲透變形的地下水逸出段的滲流出口臨空；這些都有利

35、于滲透變形的發生。發生。l 古河道分布控制了地層結構和巖性變化，對滲流補給和排泄條件有很大影古河道分布控制了地層結構和巖性變化，對滲流補給和排泄條件有很大影響故在古河道上建壩時，應充分注意滲透變形的可能性及其類型特征響故在古河道上建壩時，應充分注意滲透變形的可能性及其類型特征l 河北省黃壁莊水庫的副壩座落于滹沱河晚更新世古河床上河北省黃壁莊水庫的副壩座落于滹沱河晚更新世古河床上(屬屬1級階地級階地)，地層，地層結構為由亞粘土、砂土、砂礫結構為由亞粘土、砂土、砂礫(卵卵)石層組成的上細下租的多厚層型式。由于石層組成的上細下租的多厚層型式。由于沖溝切割和人工取土，使壩前沖溝切割和人工取土，使壩前級

36、階地前緣的下伏砂土層大片出霹，大大削級階地前緣的下伏砂土層大片出霹，大大削弱了阻滲能力，使滲徑縮短，壩下水力梯度增大此外，有些地段中，強透弱了阻滲能力，使滲徑縮短，壩下水力梯度增大此外，有些地段中，強透水層收斂和尖滅因此，該副壩壩基不僅存在集中滲漏帶，而且部分地段產水層收斂和尖滅因此，該副壩壩基不僅存在集中滲漏帶，而且部分地段產生了滲透變形，危及壩體安全后采取了有效的防治措施，大壩才得以正常生了滲透變形，危及壩體安全后采取了有效的防治措施，大壩才得以正常工作。工作。l 2、工程因素、工程因素l 這一方面的因素包括大壩和汲水井的滲流出口條件庫水位的急刷滑落，施這一方面的因素包括大壩和汲水井的滲流

37、出口條件庫水位的急刷滑落，施工破壞壩前表面弱透水層，建筑物底面輪廓等這里主要討論一下滲流出口工破壞壩前表面弱透水層，建筑物底面輪廓等這里主要討論一下滲流出口條件問題；條件問題；l 大壩和汲水井滲流出口有無保護，對滲透變形的產生和發展意義重大。壩后大壩和汲水井滲流出口有無保護，對滲透變形的產生和發展意義重大。壩后滲流逸出口直接臨空，且此處的水力梯度較整個滲徑上的平均水力梯度為高，滲流逸出口直接臨空，且此處的水力梯度較整個滲徑上的平均水力梯度為高，水流方向也有利于土的松動和懸浮，最易產生滲透變形。所以在滲流出口處水流方向也有利于土的松動和懸浮，最易產生滲透變形。所以在滲流出口處必須要設置反濾層，使

38、滲流既能順暢地逸出，土層又不致于變形破壞反濾必須要設置反濾層，使滲流既能順暢地逸出，土層又不致于變形破壞反濾料的粒徑大小要考慮到被保護土層的性質而加以選擇。有些土石壩，在壩后料的粒徑大小要考慮到被保護土層的性質而加以選擇。有些土石壩，在壩后還堆填碎石，塊石料，起反壓蓋重作用，以降低該處土體懸浮的可能性。還堆填碎石，塊石料，起反壓蓋重作用，以降低該處土體懸浮的可能性。l 我國幾起嚴重的土石壩滲透變形以至潰壩事件，都與滲流出口未加保護有很我國幾起嚴重的土石壩滲透變形以至潰壩事件，都與滲流出口未加保護有很大的關系大的關系 6.3滲透變形的預測滲透變形的預測l 滲透變形預測是滲透穩定性評價的主要內容在

39、工程興建以前必須預滲透變形預測是滲透穩定性評價的主要內容在工程興建以前必須預測場地或地基滲透變形的可能性，以便采取相應的防治措施。保障建測場地或地基滲透變形的可能性，以便采取相應的防治措施。保障建筑物安全。此項工作，對于水工建筑物來說尤為重要。筑物安全。此項工作，對于水工建筑物來說尤為重要。l 壩基工程滲透變形預測的步驟大體是這樣的：首先根據土體的類型和壩基工程滲透變形預測的步驟大體是這樣的：首先根據土體的類型和性質，判定是否易于產生滲透變形及滲透變形的類型，隨后確定壩基性質，判定是否易于產生滲透變形及滲透變形的類型，隨后確定壩基各點，主要是下游壩腳處的實際水力梯度；確定臨界水力梯度和允許各點

40、，主要是下游壩腳處的實際水力梯度；確定臨界水力梯度和允許水力梯度；根據實際水力梯，度與允許水力梯度的比較，圈定出可能水力梯度；根據實際水力梯，度與允許水力梯度的比較，圈定出可能發生滲透變形的范圍。發生滲透變形的范圍。l 一、判定滲透變形的可能性及類型一、判定滲透變形的可能性及類型l 顆粒分析的結果繪制成累積曲線和分布曲線后，即可根據曲線的形狀或計算顆粒分析的結果繪制成累積曲線和分布曲線后，即可根據曲線的形狀或計算的特征值來判定滲透變形的可能性及滲透變形的類型，從累積曲線可知，凡的特征值來判定滲透變形的可能性及滲透變形的類型，從累積曲線可知，凡屬屬“瀑布式瀑布式”者產生管涌：凡屬者產生管涌：凡屬

41、“直線式直線式“者不產生管涌，而在較高的梯度者不產生管涌，而在較高的梯度下產生流土；凡屬于下產生流土；凡屬于“階梯式階梯式”者多為管涌，有時為流土者多為管涌，有時為流土(曲線向細粒方向緩曲線向細粒方向緩坡延長者管涌，較大角度與橫坐標相交者流土坡延長者管涌，較大角度與橫坐標相交者流土)。根據分布曲線，呈陡峭單峰。根據分布曲線，呈陡峭單峰的砂土一般木發生管涌，而雙峰或多蜂且缺乏中間粒徑者為的砂土一般木發生管涌，而雙峰或多蜂且缺乏中間粒徑者為“危險性管涌危險性管涌土土”。l 除上分析外，也可根據累積曲線和分布曲線計算出的細顆粒百分含量及不均除上分析外，也可根據累積曲線和分布曲線計算出的細顆粒百分含量

42、及不均粒系數，下按上節所述方法來判別海透變形的類型。粒系數，下按上節所述方法來判別海透變形的類型。二，確定壩基各點的實際水力梯度二，確定壩基各點的實際水力梯度l 在土壩上下游水頭整作用下，壩基滲流產生水力坡降，共在土壩上下游水頭整作用下，壩基滲流產生水力坡降，共梯度值在各點是不相同的，滲流路徑的方向可分壩的滲入梯度值在各點是不相同的，滲流路徑的方向可分壩的滲入段，壩基中部水平滲流段和壩后滲沉逸出段段，壩基中部水平滲流段和壩后滲沉逸出段(圖圖6-4)。l 其中壩前滲入段水流方向由上向下，使土體壓密壩基中其中壩前滲入段水流方向由上向下，使土體壓密壩基中部水平滲流段，有使土粒向下游移動構趨勢壩后滲流

43、逸部水平滲流段，有使土粒向下游移動構趨勢壩后滲流逸出段位于下游坡腳附近，水流由下向上，由于地面臨空，出段位于下游坡腳附近，水流由下向上，由于地面臨空，所以最易發生滲透變形，一般變形由此處開始并可能向壩所以最易發生滲透變形，一般變形由此處開始并可能向壩下發展：所以應重點確定該段的實際水力梯度。下發展：所以應重點確定該段的實際水力梯度。l 壩基地層結構和各層滲透系數的變化，基礎輪廓的不同，壩基地層結構和各層滲透系數的變化，基礎輪廓的不同，都影響水力梯度的分布。因而壩基各點實際水力梯度的分都影響水力梯度的分布。因而壩基各點實際水力梯度的分布由于受一系列因素的控制，是十分復雜的布由于受一系列因素的控制

44、，是十分復雜的l 目前確定壩基實際水力梯度的方法有理論計算法、繪制流目前確定壩基實際水力梯度的方法有理論計算法、繪制流網的圖解法、水電比擬法及觀測法等其中流網法比較簡網的圖解法、水電比擬法及觀測法等其中流網法比較簡便而可靠，是常用的方法水電比擬法是一種模擬試驗方便而可靠，是常用的方法水電比擬法是一種模擬試驗方法，這兩種方法都在地下水動力學中討論過，這里僅介紹法，這兩種方法都在地下水動力學中討論過，這里僅介紹一下理論計算法一下理論計算法 l 采用理論計算法時，必須根據滲流類型、地質條件和滲流采用理論計算法時，必須根據滲流類型、地質條件和滲流方向等選用公式。如果壩基為雙層結構，且巖層厚度穩定，方向

45、等選用公式。如果壩基為雙層結構，且巖層厚度穩定，透水性均一，則在平面流情況下，壩后滲流逸出段的平均透水性均一，則在平面流情況下，壩后滲流逸出段的平均水力梯度水力梯度(即逸出梯度即逸出梯度)可按下式計算，可按下式計算， 2121121TTKK2b2THHI逸平l 式中，式中，H1、H2為壩上、下游的水位為壩上、下游的水位(m)：T1、T2為上、下為上、下土層厚度土層厚度(m)；K1、K2為上、下土層滲透系數為上、下土層滲透系數(m/d)，2b為壩基寬度為壩基寬度(m)。 l 壩基下水平滲流段的平均水力梯度壩基下水平滲流段的平均水力梯度(I水平水平)可按直線比例法可按直線比例法確定；確定；2bH4

46、H3I水平式中：H3、H4為上、下游壩腳處下層的測壓水位(m)，三、確定臨界水力梯度和允許水力梯度三、確定臨界水力梯度和允許水力梯度l 確定臨界水力梯度的方法較多，有理論計算、經驗數據及試驗測定等。確定臨界水力梯度的方法較多，有理論計算、經驗數據及試驗測定等。可根據滲透變形的類型、工程的重要程度和不問的勘察階段等情況采可根據滲透變形的類型、工程的重要程度和不問的勘察階段等情況采用不同的方法確定臨界水力梯度。用不同的方法確定臨界水力梯度。l 工程等級較低或初期勘察階段，可根據經驗數據估計臨界水力梯度而工程等級較低或初期勘察階段，可根據經驗數據估計臨界水力梯度而等級較高或后期勘察階段的工程，則應采

47、用試驗方法確定臨界水力梯等級較高或后期勘察階段的工程，則應采用試驗方法確定臨界水力梯度；對于流土來說，根據土的類型及其密實程度，可選擇不同的計算度；對于流土來說，根據土的類型及其密實程度，可選擇不同的計算公式。而管涌土是由于細顆粒在粗顆粒扎隙中單獨運動，故受力條件公式。而管涌土是由于細顆粒在粗顆粒扎隙中單獨運動，故受力條件比較復雜，同時土的顆粒組成，排列方式等也復雜多樣，因此目前尚比較復雜，同時土的顆粒組成，排列方式等也復雜多樣，因此目前尚無理想的計算公式，一般采用圖表法無理想的計算公式，一般采用圖表法(經驗數據經驗數據)或直接試驗確定臨界或直接試驗確定臨界水力梯度：水力梯度： l 關于流土的

48、臨界水力梯度計算公式上節已作介紹這里主關于流土的臨界水力梯度計算公式上節已作介紹這里主要介紹圖表法和試驗法要介紹圖表法和試驗法l 砂土和砂礫土管涌臨界水力梯度，可按圖砂土和砂礫土管涌臨界水力梯度，可按圖6-15和圖和圖6-16大大致確定。致確定。l 試驗法是確定臨界水力梯度最直接、可靠的方法，有室內試驗法是確定臨界水力梯度最直接、可靠的方法，有室內試驗和現場試驗兩種試驗和現場試驗兩種 l 室內試驗的裝置如用室內試驗的裝置如用6-17所示，是滲透儀試驗法。這種方所示，是滲透儀試驗法。這種方法是采用變水頭的試驗方法，將水頭逐級抬高，在每一水法是采用變水頭的試驗方法，將水頭逐級抬高，在每一水頭下都維

49、持穩定頭下都維持穩定30分鐘，直至發生滲透破壞時，再逐級下分鐘，直至發生滲透破壞時，再逐級下降水頭至滲透破壞停止重復進行數次，最后將最低開始降水頭至滲透破壞停止重復進行數次，最后將最低開始發生破壞的水頭作為臨界水頭，據此計算臨界水力梯度發生破壞的水頭作為臨界水頭，據此計算臨界水力梯度l 在室內也可進行木槽滲透變形試驗，其裝置及試驗成果如在室內也可進行木槽滲透變形試驗，其裝置及試驗成果如圖圖618所示，以多次滲透破壞面使土樣完全破壞時的水所示，以多次滲透破壞面使土樣完全破壞時的水頭作為臨界水頭頭作為臨界水頭 l 由于室內試驗難以保持土的原狀堵構，試驗結果置信度低，由于室內試驗難以保持土的原狀堵構

50、，試驗結果置信度低，所以重要工程需采用現場試驗所以重要工程需采用現場試驗l 砂類土的現場滲透變形試驗有堤壩式、圍堰式等方法，以砂類土的現場滲透變形試驗有堤壩式、圍堰式等方法，以堤壩式較好如砂層厚度不大，可采用封閉式，即用嵌入堤壩式較好如砂層厚度不大，可采用封閉式，即用嵌入下伏隔水層中的粘土截水墻，將試驗段砂層全部封閉起來下伏隔水層中的粘土截水墻，將試驗段砂層全部封閉起來(圖圖619)如砂層很厚，則只能采用半封閉式試驗時如砂層很厚，則只能采用半封閉式試驗時每級水頭增高與梯度的每級水頭增高與梯度的0.05相當，并穩定相當，并穩定24小時，每隔小時，每隔10分鐘觀測水頭與流量，記錄各級水頭分鐘觀測水

51、頭與流量，記錄各級水頭I；發生的砂上變；發生的砂上變形等情況形等情況l 當發生砂沸且從砂沸管中隨水流攜出小顆粒，堆積在砂沸當發生砂沸且從砂沸管中隨水流攜出小顆粒，堆積在砂沸點四周形成一個個砂圈時，即達滲透破壞此時可延長點四周形成一個個砂圈時，即達滲透破壞此時可延長23小時觀測其變化，然后降低水頭至破壞停止；再增加小時觀測其變化，然后降低水頭至破壞停止；再增加水頭使之發生上述現象如此反復數次，找出滲透破壞象水頭使之發生上述現象如此反復數次，找出滲透破壞象生及停止時的最低水頭，即為臨界水頭，以此計算臨界梯生及停止時的最低水頭，即為臨界水頭，以此計算臨界梯度；同時記錄滲透流量，計算滲透系數度；同時記

52、錄滲透流量，計算滲透系數K及流速及流速V，繪制，繪制lgI與與lgV的關系曲線，據此曲線的轉折點，也可求得臨界的關系曲線，據此曲線的轉折點，也可求得臨界水力梯度試驗前后均應取土樣進行室內顆粒分析，物理水力梯度試驗前后均應取土樣進行室內顆粒分析，物理性質測定和室內滲透變形試驗，前后對比，以確定顆粒成性質測定和室內滲透變形試驗，前后對比，以確定顆粒成分，不均粒系數及孔隙比等的變化。分，不均粒系數及孔隙比等的變化。l 為保證滲透穩定性有足夠的安全度，在評價時要采用允許為保證滲透穩定性有足夠的安全度，在評價時要采用允許水力梯度的概念它足以臨界水力梯度除以安全系數水力梯度的概念它足以臨界水力梯度除以安全

53、系數m采采獲得的。獲得的。l I允允=Icr/ml m值的確定歐根據地質條件復雜程度和工程重要性來考慮。值的確定歐根據地質條件復雜程度和工程重要性來考慮。一般砂土：一般砂土：m=1.5-3；粘性土，；粘性土，m=2.5-4。重要建筑物取。重要建筑物取高限，而普通建筑物取低限對于危險性較大的發展型管高限，而普通建筑物取低限對于危險性較大的發展型管涌土涌土(如有集中滲漏的砂卵石層如有集中滲漏的砂卵石層)，m值應取高限值應取高限l 表表9-1列出了各類土允許水力梯度的參考值列出了各類土允許水力梯度的參考值l 允許水力梯度確定后，以實際水力梯度與之比較，若實際允許水力梯度確定后，以實際水力梯度與之比較

54、，若實際水力梯度大于允許水力梯度的話是危險的，否則是安全水力梯度大于允許水力梯度的話是危險的，否則是安全的的6.4滲透變形的防治滲透變形的防治l 滲透變形的防治措施，原則上可分為三類：滲透變形的防治措施，原則上可分為三類：l 第一類措施是改變滲流的水動力條件；第一類措施是改變滲流的水動力條件；l 第二類措施是保護滲流出口；第二類措施是保護滲流出口；l 第三類措施是攻善土石性質第三類措施是攻善土石性質l 它們都要根據工程類別和地質條件來具體處理。下面介紹它們都要根據工程類別和地質條件來具體處理。下面介紹幾類工程防治措施，幾類工程防治措施，l 一、建筑物基坑及地下巷道施工時流砂防治措施一、建筑物基

55、坑及地下巷道施工時流砂防治措施l 這種防治措施主要是采取人工降低地下水位的辦法，使之這種防治措施主要是采取人工降低地下水位的辦法，使之低于基墓坑底板以下。這種措施既可防治流砂，又防止了低于基墓坑底板以下。這種措施既可防治流砂，又防止了地下水涌入基坑。也可采用板樁防護措施。地下水涌入基坑。也可采用板樁防護措施。l 水平坑道、豎井開挖遇流砂時，前者可采用盾構法施工，水平坑道、豎井開挖遇流砂時，前者可采用盾構法施工，后者采用沉井式支護掘進后者采用沉井式支護掘進(圖圖622)也有采用凍結法或也有采用凍結法或電動硅化法改善砂土性質，使施工順利進行。電動硅化法改善砂土性質，使施工順利進行。l 二、抽水井防止管涌的措施二、抽水井防止管涌的措施l 這種措施是在過濾管與井壁間隙內允填反濾料。以保護滲這種措施是在過濾管與井壁間隙內允填反濾料。以保護滲流出口。反濾料的粒徑選擇必須要考慮到被保護的含水層流出口。反濾料的粒徑選擇必須要考慮到被保護的含水層中潛蝕顆粒的大小，使細顆粒不能穿過反濾料孔隙為原中潛蝕顆粒的大小，使細顆粒不能穿過反濾料孔隙為原則則l 若被保護管涌土層為非主要含水層，那么最好用止水措施，若被保護管涌土層為非主要含水層，那么最好用止水措施，將其與過濾管隔絕將其與過濾管隔絕l 三、水工建筑物三、水工建筑物(土石壩土石壩)防治