第10章渗透变形.ppt

《第10章渗透变形.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第10章渗透变形.ppt（69页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、1,第10章 渗 透 变 形,2,主要内容,1 概述,3 渗透变形产生的条件,4 渗透变形的预测,5 渗透变形的防治,2 渗透变形的类型与特点,3,土是具有连续孔隙的介质。当土作为建筑物的地基和直接用作建筑材料时，水就会在水位差的作用下，从水位较高的一侧透过土的孔隙流向水位较低的一侧。,渗流量,渗透变形,土石坝,防渗斜墙及铺盖,浸润线,透水层,不透水层,1 概 述,一、概念,4,渗水压力,扬压力,渗流量,渗透变形,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流,1 概 述,一、概念,5,渗流量,透水层,不透水层,天然水面,漏斗状潜水面,Q,水井渗流,1 概 述,一、概念,6,渗流量,原地

2、下水位,渗流时地下水位,渠道渗流,1 概 述,一、概念,7,渗流滑坡,渗流滑坡,1 概 述,一、概念,8,水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部的应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事故。 土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响,1 概 述,一、概念,水透过土体孔隙的现象称为 渗透 土具有被水透过的性能称为土的 渗透性,渗透变形：岩土体在地下水渗透力（动水压力）的作用下，颗粒部分或整体发生移动，引起岩土体的变形和破坏的现象。,9,渗透性研究主要有以下三方面:,渗流量问题 渗透破坏问题 渗流控制

3、问题,1 概 述,一、概念,10,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 游平原冲积地层如图，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。,1 概述,二、研究意义,11,2003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

4、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。,1 概述,081115杭州地铁工程基坑塌陷事故,12,1.管涌（潜蚀）：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。 特点：是在粗颗粒中的细颗粒被渗流带走，形成“架空结构”，强度降低，甚至造成地面塌陷。 根据渗透方向与重力方向的关系： 垂直管涌 水平管涌,2 渗透变形的类型与特点,13,管涌（潜蚀）：,2 渗透变形的类型与特点,14,管涌（潜蚀）：,15,2.流土（流沙）：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。 特点：是常发生于均质砂土层和亚砂土层中，导致整

5、体强度的丧失。常在溢出口处。,2 渗透变形的类型与特点,16,上午10:30,11：00,11:30,11:57,流土（流沙）：,2 渗透变形的类型与特点,17,3.接触冲刷：渗流沿着渗透系数相差很大的两种土层接触面带走细颗粒的现象。 特点：是地下水沿颗粒相差大的两层土的接触面方向运动，流速差异大，细粒被带走。,2 渗透变形的类型与特点,18,4.接触流失：渗透系数相差很大的两种土层在垂直渗流作用下，细粒土层中的颗粒被带到粗粒土层中的现象。 特点：是渗流垂直土层界面流动，方向由细粒层到粗粒层。可造成反滤层堵塞或失效。抽水井、反滤层失效。,2 渗透变形的类型与特点,19,试验观察,h=0 静水中

6、，土骨架会受到浮力作用。 h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。 渗透力 f 渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。,h1,h,h2,0,0,hw,L,滤网,贮水器,a,b,3 渗透变形产生的条件,一、渗流的动水压力及临界水力梯度,20,渗透力为 f ; 渗透阻力为 f。,h1,h,h2,0,0,hw,L,土样,滤网,贮水器,a,b,假想将土骨架和水分开,对假想水柱取脱离体:,水柱重力,Gw=Vvw+Vsw=LAww,总阻力为 fLAw,做水柱体的平衡方程式有:,whwAw+Gw+fLAw=wh1Aw,Gw,whwAw,wh

7、1Aw,f,土浮力的反力,3 渗透变形产生的条件,一、渗流的动水压力及临界水力梯度,21,3 渗透变形产生的条件,渗透力的性质,物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力,f = w J,大小：,方向：与渗流方向一致,作用对象：土骨架,一、渗流的动水压力及临界水力梯度,22,1点，渗流力与重力方向一致，渗流力促使土体压密，对稳定有利 2点，3点，渗流力与重力方向正交，对稳定不利 4点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利,3 渗透变形产生的条件,一、渗流的动水压力及临界水力梯度,23,渗流,原因：,Jc一般在0.81.2之间,3 渗透变形产生的条件,一、渗流的动水压力及临界

8、水力梯度,24,流土一般发生在渗流逸出处。因此只要求出渗流逸出处的水力梯度，就可判别流土的可能性。理论上：,土处于稳定状态,土处于临界状态,土处于不稳定状态,3 渗透变形产生的条件,一、渗流的动水压力及临界水力梯度,25,在设计时，为保证建筑物的安全，通常要求将逸出梯度限制在容许梯度之内,Ks: 安全系数1.52.5,3 渗透变形产生的条件,一、渗流的动水压力及临界水力梯度,J,据水利水电勘察规范（GB50287-99）,26,流土,27,流土,3 渗透变形产生的条件,一、渗流的动水压力及临界水力梯度,28,二、土体性质与渗透变形类型 土体性质包括了土中粗细颗粒直径比例、细粒物质含量、土的级配

9、等。,1. 粗细颗粒直径比例 细粒从孔隙中流动最优比例：d0/d 8 天然无粘性土 n=0.395 D/ d0 =2.5 D/d 20 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，或 D/d增大，有利于渗透变形 当排列密实时， D / d0 增大，或D/d减小，不利于渗透变形,3 渗透变形产生的条件,巨、粗、细界限粒径为：60、0.075mm,29,2.细颗粒的含量,用细颗粒含量 来判别渗透变形型式： 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

10、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 渗透变形产生的条件,二、土体性质与渗透变形类型,30,3. 土的级配特征：不均匀系数Cu=d60/d10,Cu20 管涌 Cu10-20 流土或管涌,3 渗透变形产生的条件,二、土体性质与渗透变形类型,31,三、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，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

11、等原因,3 渗透变形产生的条件,32,四、 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。,3 渗透变形产生的条件,33,一、预测步骤 1. 根据土体类型和性质，判定是否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.细粒含量 3.土的级配,4 渗透变形的预测,34,三、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,4 渗透变形的预测,3

12、5,实际水力梯度的理论计算法：,4 渗透变形的预测,如果：双层结构，厚度稳定，透水均一。,逸出处梯度JB ：,水平段平均梯度JH：,（公式适用条件：T210T1; K210K1时）,y0为通过上部弱透水层的水头损失,36,四、临界水力梯度与允许水力梯度的确定,允许水力梯度：,Ks与地质条件和工程重要性有关： 砂土： Ks 1.5-3.0 粘性土： Ks 2.5-4.0m,五、渗透变形可能性判定,J实J允 发生渗透变形 J实J允 不发生渗透变形,4 渗透变形的预测,37,4 渗透变形的预测,细粒含量20-30%时，Jc急剧增大； 20%时， Jc 0.5，比公式计算的值要小。 原因是土的结构和孔

13、隙不均一。,说明砂土的 Cu 越小， Jc越大。,Jc与细粒含量的关系,Jc与不均匀系数的关系,Jc与渗透系数的关系,38,4 渗透变形的预测,39,一、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 2.改变土体结构，提高抗渗能力,5 渗透变形的防治,40,二、防治措施 1.垂直截渗：防渗帷幕（连锁井，地下连续墙，粘土截水槽，帷幕灌浆，混凝土防渗墙等） 2.水平防渗：铺盖 3.人工降低地下水位（排水减压） 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）,5 渗透变形的防治,41,5 渗透变形的防治,垂直防渗,42,5 渗透变形的防治,水平防渗,悬挂式垂

14、直防渗,43,1.每层内部的颗粒不应移动； 2.细粒层颗粒不应穿过相邻层粗粒的孔隙； 3.透水性应大于被保护土，并能将渗透水流通畅排出； 4.使被保护的土层不发生渗透变形； 5.反滤层不致被细颗粒淤塞失效；,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。,5 渗透变形的防治,（二）对反滤层材料的要求,反滤层：常沿渗透方向由细到粗设置三层。厚度一般1550cm,44,（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. 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

15、褥垫排水。 2. 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，可归为型。,5 渗透变形的防治,反滤层的设计与施工,45,图A 型反滤,图B 型反滤,5 渗透变形的防治,反滤层的设计与施工,（三） 反滤层的类型,46,（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

16、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（垂直）渗流时，鉴定沿反滤层和被保护土层接触面的冲刷稳定性。,5 渗透变形的防治,反滤层的设计与施工,47,（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/d8545 d15/d155 式中：d15为过筛重量占15时的反滤料粒径，d 85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

17、。,5 渗透变形的防治,反滤层的设计与施工,48,2.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。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。 应采用挖除法将基面整平，对个别低洼处采用与基面相

18、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，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。,5 渗透变形的防治,反滤层的设计与施工,细砂/极细砂,49,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、背水坡贴坡排水、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。,5 渗透变形的防治,50,（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

19、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0.51.0m。 对粘土斜墙，垂直于堤坡方向的厚度为12m，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1.01.5m，垂直堤坡方向的厚度为0.8m。,5 渗透变形的防治,堤身防治工程的设计与施工,51,2.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1020cm，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

20、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。,5 渗透变形的防治,堤身防治工程的设计与施工,（一）防渗斜墙,d/dmax,52,（二）堤身垂直防渗 垂直防渗的位置宜布置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。,5 渗透变形的防治,堤身防治工程的设计与施工,53,

21、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。,5 渗透变形的防治,堤身防治工程的设计与施工,（二）堤身垂直防渗,54,（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

22、深度1020cm，贴坡反滤的高度应高出最高的渗流出逸点0.51.0m，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）,5 渗透变形的防治,堤身防治工程的设计与施工,55,图B 土工织物反滤层贴坡排水示意图,图A 砂砾料贴坡排水示意图,5 渗透变形的防治,堤身防治工程的设计与施工,（三）贴坡排水,56,（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

23、坡的目的。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。 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0.51.0m，顶宽24m，坡度1:31:5，长度应超出散浸堤段两端各5m。戗体材料渗透性大时，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。,透水后戗示意图,5 渗透变形的防治,堤身防治工程的设计与施工,57,（五）水平排水 这种方法只有在堤坝加高培厚和增设压渗台时才可能应用。水平排水不但可以降低堤身的浸润线，对透水堤基还可以有效降低堤基的出逸比降，但会使堤基的渗流量有所增加。采用水平排水可以减小压渗戗台的工程量，如图所示。水平排水的长度、厚度应根

24、据渗流计算来确定。,5 渗透变形的防治,堤身防治工程的设计与施工,58,堤基防治工程的设计与施工 堤基除险加固的措施有：临水侧防渗铺盖、垂直防渗、背水侧压渗盖重、排水减压沟和减压井等。 （一）临水侧防渗铺盖 如果封闭式垂直防渗幕墙不尽合理，背水侧又无条件做压渗盖重，而临水侧有稳定的外滩时，可以采用临水侧防渗铺盖来减小背水侧堤基的出逸比降和地基渗流量，但其效果有一定限度。 对近似均质透水堤基，临水侧铺盖的效果比较明显，当表层地层的渗透系数小于深部地层较多时，临水侧铺盖的效果将降低。,5 渗透变形的防治,59,铺盖土料应具有一定的防渗性能，通常其渗透系数最好不大于1105 cm/s，如果渗透系数过

25、大，即使加长铺盖其防渗效果也不会有大的增加。 铺盖应采用不等厚形式，远离堤脚处应薄一些，但不应小于0.51.0m，近堤脚处应厚一些，并应考虑与堤身防渗连成一体。 铺盖设计时，一般先根据净水头和堤基的允许水力比降初步确定所需的等效长度，然后通过经济比较选择铺盖的长度、厚度和铺盖的渗透系数，最后对铺盖本身的渗透稳定性进行校核。,5 渗透变形的防治,堤基防治工程的设计与施工,（一）临水侧防渗铺盖,60,（二）垂直防渗 垂直防渗特别适用于地基透水层较薄、隔水层较浅的情况，此时可以做成封闭式防渗幕墙，堤基的渗流量和扬压力可以得到有效控制，从而可以达到根治堤基渗透破坏的目的（图A）。 对双层或多层透水地基

26、且透水层较深的情况，悬挂式垂直防渗幕墙的效果很差（图B），封闭式垂直防渗难度大且造价太高，不宜采用。 对多层地基且存在浅层弱透水层的情况（图C），可以考虑半封闭式垂直防渗，但必须在勘察资料充分并经渗流计算充分论证后方可采用。垂直防渗应布置在临水堤脚或堤顶靠临水侧。,5 渗透变形的防治,堤基防治工程的设计与施工,61,图A: 封闭式垂直防渗墙的渗流控制效果 单位：m,5 渗透变形的防治,堤基防治工程的设计与施工,（二）垂直防渗,62,图B: 悬挂式垂直防渗墙的渗流控制效果 单位：m,5 渗透变形的防治,堤基防治工程的设计与施工,（二）垂直防渗,63,图C: 半封闭式垂直防渗墙的渗流控制效果 单位

27、：m 实线：有防渗墙时的浸润线和10%水头间隔的等势线 虚线：无防渗墙时的浸润线和10%水头间隔的等势线,5 渗透变形的防治,堤基防治工程的设计与施工,（二）垂直防渗,64,（三）背水侧压渗盖重 当没有必要采用封闭式垂直防渗幕墙或其造价太高时，可以采用背水侧压渗盖重的方法，来防止堤基渗流对表土层的渗透破坏。如果所需太长，应考虑与减压沟井联合使用的方法。对堤身高度较大的情况，可以设置两层压渗盖重平台。这种方法在堤防工程中广为应用，效果明显。 压渗盖重的形式很多，可以由不透水的变换到完全自由排水的。其形式的选择，取决于材料的料源及每种形式的费用大小。,5 渗透变形的防治,堤基防治工程的设计与施工,65,5 渗透变形的防治,堤基防治工程的设计与施工,（三）背水侧压渗盖重,66,管涌的治理,反滤倒渗,67,管涌的治理,反滤围井,68,管涌的治理,蓄水反压,69,