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1、土木工程地质讲义,第一编 动力地质作用与不良地质现象 第一章 地壳与地质作用 第二章 活断层与地震防灾规划 第三章 滑坡与泥石流 第四章 岩溶 第五章 渗透变形与地面沉降 第六章 河流侵蚀与淤积 第七章 地裂缝与采空区塌陷,地下水的渗流作用 渗透变形与地面沉降,1. 渗透水流作用类型 2. 渗透变形产生的条件 3. 渗透变形的预测 4. 渗透变形的防治 5. 地面沉降的分布与危害 6. 地面沉降的成因与防治,渗透水流作用于岩土上的力，称渗透压力或动水压力。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 携走，从而引起岩土的结构变松、强度降低，甚至整体发生破坏。这种工程动力地
2、质作用或现象称之为渗透变形或渗透破坏。 在自然界中，渗透变形一般不发生在无粘性土或粉土中。 可以划分为潜蚀和流土两种类型。 1. 潜蚀 在渗流作用下，单个土颗粒发生独立移动的现象，称潜蚀或管涌。 潜蚀较普遍的发生在不均匀的砂层或砂卵（砾）石层中，潜蚀 包括机械潜蚀和化学潜蚀两种。 潜蚀在自然条件下和工程活动中均会发生，人们习惯地把工程活 动中发生的潜蚀称为管涌。根据渗透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两种。,渗透变形,思考题1,EXIT,2. 流土 在渗流作用下一定体积的土体同时发生移动的现象，称流土或流沙。流土一般发生在均质砂土层或粉土中。潜蚀和流土是可以转化的，潜蚀的
3、发展、演化，往往可以转化为流土。,土石坝坝基渗流示意图,渗透变形产生的条件 引起渗透变形的动力因素是动水压力,一旦渗流的动水压力达到岩土的抗渗强度时,就会发生渗透变形。所以说,渗透变形主要取决于渗流的动水压力和岩土抗渗强度这一对矛盾相互作用的发展演化过程，这是渗透变形的基本条件，此外还有宏观地质因素和工程因素。 1. 渗流的动水压力及临界水力梯度。地下水在松软土体中渗流时，由于水质点之间以及水流与土粒之间磨擦阻力的作用，产生水头损失。此时，每一个土粒在水头差作用下承受了来自水流的渗透力，即动水压力。习惯上用单位水体承受的水压力D表示。,上下界面水头差,长 度,面积,水压力,思考题2,dw,dp
4、,dl,dh,水力梯度,土体抗渗强度取决于其本身的结构。制约渗透变形 发生的土体结构特性，包括土中粗细颗粒直径比例、细粒物质的含量和土的级配特征、颗粒形状及排列方式等因素。,2. 土的抗渗强度-结构特性,土的级配特征可用土的不均粒系数（Cu） 表示，为土粒重百分数60%与10%的比值。 值越大表示土粒越不均匀。 当Cu20时，主要形式是潜蚀。,3. 宏观地质因素和工程因素。 宏观地质因素包括地层结构和地表地形条件两个方面。 地层结构对渗透变形的影响，在坝基下表现最为明显。 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。 工程因素主要指的是渗流出口
5、的保护问题。土石坝和汲水井的渗流出口段水力梯度较整个流径上的平均水力梯度为高。水流方向也有利于土的松动和悬浮。若不加保护，最易产生渗透变形。,EXIT,1. 渗透变形的可能性及类型 首先分析坝基的地层结构和地形地貌条件，初步确定渗透变形的地段。 随后，根据累积曲线和分布曲线，计算出不均粒系数和细颗粒的百分含量，来确定渗透变形的类型。 也可根据累积曲线和分布曲线的形状来判断：瀑布式产生管涌，直线式不产生管涌。,渗透变形的预测：,预测步骤： （1）根据土体的性质和类型，判别渗透变形可能性与类型 （2）确定坝基各点，尤其是下游坝脚处的实际水力梯度。 （3）确定临界水力梯度和允许水力梯度。 （4）根据
6、比较，圈定出可能发生渗透变形的范围。,颗粒累积曲线形式与渗透变形类型,2. 确定坝基各点的实际水力梯度 确定坝基实际水力梯度的方法有：理论计算法、绘制流网的图解法、水电比拟法及观测法等。 绘制流网的图解法比较简单且可靠，是常用方法。流网图是由一系列流线和等水头线所组成的网格。,S,S,h,坝基任一点的水力梯度：,3. 确定临界水力梯度和允许水力梯度 包括理论计算法、图表法和试验测定法。 工程等级较低或初级堪察阶段可采用图表法，工程等级较高或后期勘察阶段则采用试验法。理论计算仅适用于流土类型，可根据土的类型及密实程度，选用不同的计算公式。,允许水力梯度(Iy)： 临界水力梯度(Icr)除以安全系
7、数m，m=1.5-3,EXIT,渗透变形的防治 渗透变形的防治，通常采用三方面的防护措施。即改变渗流的 动力条件、保护渗流出口和改善土石性质。可根据工程性质和 地质条件选择使用。 1. 筑物基坑及地下施工时的流沙的防治措施。 建筑物基坑主要采取人工降低潜水位的办法。使潜水位低于基 坑底板。也可采用板桩防护墙。 2. 汲水井防治管涌的措施。 主要措施是在过滤管与井壁间隙内充填反滤料。 3. 士石坝防治渗透变形的措施 （1）垂直截渗 （2）水平铺盖 （3） 排水减压 （ 4）反滤盖重,心墙坝,斜墙坝,粘土截水墙示意图,思考题3,（2）水平铺盖,防渗铺盖示意图,（3） 排水减压,在坝后的坝脚处设置排
8、水沟和减压井，它们的作用是吸收渗流和减少溢出段的实际水力梯度。,（4）反滤盖重:分三层铺设，层界 面与渗流方向正交，粒径由粗到细,EXIT,各分层间粒径关系,排水孔反滤层结构,d=5-10mm d=1-5mm d=0.25-1mm,地面沉降,地面沉降指在自然因素和人为因素影响下形成的地表垂直下降现象。导致地面沉降的自然因素主要是构造升降运动以及地震、火山活动等，人为因素主要是开采地下水和油气资源以及局部性增加荷载。,思考题4,中国地面沉降情况（1993）（续表）,地面沉降的危害： 地面沉降所造成的破坏和影响是多方面的，其主要危害表现为地 面标高损失，继而造成雨季地表积水，防泄洪能力下降。沿海城
9、市低地面即扩大，海堤高度下降而引起海水倒灌、海港建筑物破坏，地面运输线和地下管线扭曲断裂，城市供水排水系统失效。,（1）濒海城市海水侵袭：世界上有许多滨海城市，如日本的东京、大阪和美国的长滩、中国的上海、天津等。由于地面沉降致使部分地区地面标高降低，甚至低于海平面。造成海水入侵，严重破坏了地下水源。 （2）港口设施失效：地面下沉使港口设施失去效用，港口货物装卸能力下降。 （3）桥墩下沉，影响航运：桥墩随地面沉降而下沉，使桥下净空间减小，导致水上运输受阻。 （4）地基不均匀下沉，建筑物开裂倒塌：地面沉降往往使地面和地下建筑物遭受巨大的破坏，如建筑物墙壁开裂或倒塌，桥墩不均匀下沉，自来水管弯裂漏水
10、等。,（5）由于不均匀的地面沉降，致使地下管道的坡度改变，地下管道断裂。墨西哥市的建筑物也因不均匀沉降而造成不允许的倾斜，甚至破坏。给水管网也有破坏和失调的情况。 （6）过大的地面沉降，造成严重的地面位移。,EXIT,思考题5,地面沉降的成因： 过量开采地下水是地面沉降的外因，中等、高压缩性粘性土和承压含水层的存在是地面沉降的内因。因而大多数人认为沉降是由于过量开采地下水、石油和天然气、卤水以及高大建筑物的超量荷载等引起的。 1. 厚层松软细粒土层的存在。 2长期过量开采地下流体。 3. 新构造运动的影响。 4城市建设对地面的沉降的影响。,地面沉降的形成模式： 地面沉降过程实质上是这些地层的渗
11、透固结过程的持续。基于这一观点可将产生地面沉降的主要地质环境模式归纳为以下几种。 1.近代河流冲击环境模式 2.近代三角洲平原环境模式 3.断陷盆地沉积环境模式,思考题6,近代河流冲击环境模式: 以河流中下游高弯度河流沉积相为主。属于这种模式的河流常处于现代地壳沉降带中，河床迁移频率高，因而沉积物特征为多旋回的河床沉积土下粗上细的粗粒土和泛原沉积土，并以细粒粘性土为主的多层交错叠置结构。一般的说，粗粒土层平面分布呈条带状或树枝状，侧向连续续性较差。我国东部许多河流冲击平原如长江中下游平原黄淮海平原，松嫩平原等均属于此种类型。,近代三角洲平原环境模式: 三角洲位于河流入海地段，介于河流冲击平原与
12、大陆架的过渡阶段。随着地壳的节奏性升降运动，河口地段接受了陆相和海相两种沉积物。我国长江三角洲主体部分属于建设性三角洲，并继续向外淤积扩展成广阔的三角洲平原。位于其上的上海，常州，无锡等城市地面沉降的发生和发展均受这种地质环境模式的控制。,断陷盆地沉积环境模式：一般位于三面环山，中部以断块下降为主的近代活动性地区。在这类地质环境中两类诱发因素均可能导致较严重的地面沉降。（1） 临海式断陷盆地 ： 这类盆地位于摈海地区，常受到近期海浸影响。其沉积结构由海陆交互相地层组成。我国台北和宁波盆地均属于这种模式，并以产生了地面沉降 现象。（2） 内陆式断陷盆地 这类盆地位于内陆高原的近代断陷活动地区。我
13、国汾渭地堑中的此种类型。,地下水位下降的控制： 地面沉降与地下水的存在密切相关，一旦出现很难治理，因此重点在于预防。在地面沉降过程中，地下水位下降是矛盾转化的主要方面。要控制地面沉降，首先要控制地下水位下降。为了达到这一目的，世界上提出控制地下水位的措施大体有以下几个方面： 另外寻求供水水源，减少或停止抽用地下水，以控制地下水位过快下降； 在外援水源未供水之前，只准抽用深层地下水； 向含水层注入压缩空气，以恢复地下水的压力； 人工补给地下水，以抬高地下水位等。 停止或限制地下水用量的办法是消极的措施。增加地下水补给量，采用人工办法把地表水灌入地下，提高地下水位，着才是积极的有效措施。控制我国上海市地面沉降就是采用人工回灌补给地下水位的办法。水灌入地下，以增加水源，提高水位。,思考题7,地面沉降防治配套措施主要包括： 建立健全地面沉降监测网络。 开辟新的替代水源，推广节水技术。 调整地下水开采布局，控制地下水开采量。 对地下水开采层位进行人工回灌。 实行地下水开采总量控制，计划开采和目标管理。 除上述措施外，还应查清地下地质构造，对高层建筑 物的地基进行防沉降处理。在已发生区域性地面沉降 的地区，为了减少海水倒灌和洪涝等灾害损失，还应 采取加高加固防洪堤、防潮堤以及疏导河道、兴建排 涝工程等措施。,