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1、会计学1渗透渗透(shntu)变形变形第一页，共22页。1概述一、概念渗透变形：渗透水流(shuli)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,强度降降低,甚至整体发生破坏,这种工程动力地质作用现象,称之为渗透变形(seepagedeformation)或渗透破坏。二、渗透(shntu)变形的类型：管涌和流土1.管涌：在渗流作用下，单个土颗粒发生独立移动的现象，又称潜蚀。潜蚀普通发生在不均匀的砂层或河卵（砾石）层中,细粒物质(wzh)从粗粒骨架孔隙中被渗透携走,使土层的孔隙和孔隙度增大，强度降低,发展下去
2、会呈现”架空结构”,甚至造成地面塌陷.第1页/共22页第二页，共22页。n n潜蚀包括机械潜蚀和化学潜蚀。潜蚀包括机械潜蚀和化学潜蚀。n n机械潜蚀：为不溶解颗粒被渗透水流带走，也是经常发生的。渗流的机械冲刷力把细小的土机械潜蚀：为不溶解颗粒被渗透水流带走，也是经常发生的。渗流的机械冲刷力把细小的土颗粒带走，而大的颗粒仍留在原处。颗粒带走，而大的颗粒仍留在原处。n n化学潜蚀：当土中含有可溶性组分被渗透水流溶解和搬运，使土的颗粒结构变松，空隙度增化学潜蚀：当土中含有可溶性组分被渗透水流溶解和搬运，使土的颗粒结构变松，空隙度增大，水流的渗透能力增强。这在含有可溶组分的土石中常见。大，水流的渗透能
3、力增强。这在含有可溶组分的土石中常见。n n渗透水流通过一系列特有作用过程使土体中某些颗粒松动、脱离、被水携带和搬运，从而导渗透水流通过一系列特有作用过程使土体中某些颗粒松动、脱离、被水携带和搬运，从而导致土中形成孔洞致土中形成孔洞(k(k ngdng)ngdng)通道及孔洞通道及孔洞(k(k ngdng)ngdng)通道的不断向源延伸和扩大。通道的不断向源延伸和扩大。n n根据渗透方向与重力方向的关系：根据渗透方向与重力方向的关系：n n 垂直管涌：渗流对土颗粒的上托作用垂直管涌：渗流对土颗粒的上托作用,使之松动、悬浮和携出地表的现象。使之松动、悬浮和携出地表的现象。n n 水平管涌：在水平
4、方向细粒物质从粗粒骨架空隙中被水流携走的现象。水平管涌：在水平方向细粒物质从粗粒骨架空隙中被水流携走的现象。第2页/共22页第三页，共22页。按渗流方向与土层接触面的关系：垂直接触管涌平行接触管涌2.流土：在渗流作用下，一定体积的土体同时(tngsh)发生移动的现象。常发生于均质砂土层和亚砂土层中。接触管涌(unyn)：当粗细粒土层相互叠置时，接触面上发生的管涌(unyn)。第3页/共22页第四页，共22页。二、渗透变形(binxng)实例现象渗透变形,一般发生在无粘性土和粉土中。1水坝(shub)：管涌甚至流土坝基坝体2基坑:开挖流土（流沙）基坑表面(biomin)截水沟排水基坑排水原地下水
5、位线降水后地下水位线抽水第4页/共22页第五页，共22页。2渗透(shntu)变形产生的条件1.渗透变形的动力-动水压力当动水压力岩土抗渗强度（岩土抵抗渗透水流(shuli)作用的能力），产生渗透变形。一、渗流的动水压力及临界水力梯度渗透(shntu)压力：dP=dwwdhg动水压力（D）：单位体积土层所受的渗透(shntu)压力水下土体重量：dQ=dW-dF=(sat-)gdldw=gdldw当dP=dQ时，土颗粒处于平衡状态第5页/共22页第六页，共22页。当dp=dQ时，单元土体处于悬浮状态，发生(fshng)流土。此时渗流的水力梯度为临界水力梯度Icr。即有：wgdwdh=gdldwd
6、h/dl=/Icr=dh/dl=/Icr=(s-1)(1-n)太沙基公式这是一般应用的松散砂质土产生流土的临界(lnji)水力梯度计算公式。从上式可以(ky)看出，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。通过试验测定第6页/共22页第七页，共22页。二、土体结构特征抗渗强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(xngzhun)及排列方式等因素。1.粗细颗粒直径比例只有当土中细颗粒的粒径d小于粗颗粒的骨架(gji)孔隙直径d0时,才能发生潜蚀，据研究其最优比为
7、：d0/d=8d0：孔隙直径(zhjng)d：细颗粒直径(zhjng)D：粗颗粒直径(zhjng)一般天然无粘性土均为混粒结构,其孔隙率多为n=0.395，大颗粒粒径D与其孔隙d0比为D/d0=2.5,所以有利于发生潜蚀的粗细粒径比为D/d=20。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，渗透变形广泛当排列密实时，D/d0增大，D/d增大，渗透变形不广泛第7页/共22页第八页，共22页。2.细颗粒(kl)的含量实验资料证实:当细粒含量达20%-30%.产生渗透变形所需的水力梯度值急剧增大。水利水电科学院在试验基础上提出用细颗粒含量来判别天然无粘性土分布曲线为双峰
8、型（颗粒分布曲线具两峰点，峰点点有一明显“断裂点）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(mshi)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(qingd)增加，不易发生渗透变形。另外，只有较多量的粗大颗粒构成骨架，才能形成直径较大的孔隙，才能产生潜蚀。第8页/共22页第九页，共22页。3.土的级配特征(tzhng)：土的级配特征(tzhng)可用土的不均粒系数Cu表示（Cu=d60/d10），Cu值愈大,说明土愈不均匀,级配愈好。Cu20 管涌Cu=1020 流土或管涌
9、第9页/共22页第十页，共22页。三、宏观地质(dzh)因素1.地层(dcng)组合关系：（单一型、双层型、多层型）单一型地层结构：多位于河流的上游，一般为砂卵（砾）石层，厚度较小，一般发生管涌型渗透变形，随着细粒成分的增多，可能流土。双层型和多层型地层结构：多位于河流的中游，主要考虑表层粉土、粘性土的性质、厚度和完整程度，如表层粉土、粘性土较厚且完整，且抗剪强度较大时，不易(by)产生渗透变形；如表层粉土、粘性土较薄或不完整，且位于坝下游溢出段时，就可能产生变形破坏。多薄层型:多位于河流下游，由细砂土、粉土和粘性土互相叠置组成，主要取决于表层是否存在粘性土，其性质、厚度和完整程度如何。如含粘
10、性土夹层和透镜体，对土层渗透性和动水压力有一定影响，可使局部地段水利梯度较大，而引起渗透变形。第10页/共22页第十一页，共22页。n n2.地形(dxng)地貌条件n n沟谷切割等改变了渗流的补给、渗流的长度、出口条件等n n四、工程因素n n渗流出口的保护n n施工等破坏了表层具有防渗作用的弱透水层第11页/共22页第十二页，共22页。3渗透变形(binxng)的预测一、预测步骤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(qudng)土体中各点的实际水力梯度，尤其是下游坝脚处最大水力梯度3.确定(qudng)相对于该土体的临界水力梯度和允许水力梯度4.据实际水力梯
11、度和允许水力梯度比较,判定发生渗透变形的可能性及其范围.第12页/共22页第十三页，共22页。n n二、判定二、判定二、判定二、判定(pndng)(pndng)渗透变形的可能性及类型渗透变形的可能性及类型渗透变形的可能性及类型渗透变形的可能性及类型.n n 粗细颗粒比例粗细颗粒比例粗细颗粒比例粗细颗粒比例 细粒物质含量细粒物质含量细粒物质含量细粒物质含量 土的级配土的级配土的级配土的级配n n 1 1、首先分析坝基地层结构和地形地貌条件、首先分析坝基地层结构和地形地貌条件、首先分析坝基地层结构和地形地貌条件、首先分析坝基地层结构和地形地貌条件,初步制定可初步制定可初步制定可初步制定可能产生渗透
12、变形的地段能产生渗透变形的地段能产生渗透变形的地段能产生渗透变形的地段n n 2 2、据颗粒分析资料绘制累积曲线和分布曲线、据颗粒分析资料绘制累积曲线和分布曲线、据颗粒分析资料绘制累积曲线和分布曲线、据颗粒分析资料绘制累积曲线和分布曲线,计算出不计算出不计算出不计算出不均匀粒系数均匀粒系数均匀粒系数均匀粒系数(Cu)(Cu)和颗粒的的含量和颗粒的的含量和颗粒的的含量和颗粒的的含量.n n 3 3、判别渗透系列的类型、判别渗透系列的类型、判别渗透系列的类型、判别渗透系列的类型,n n 瀑布式累积曲线瀑布式累积曲线瀑布式累积曲线瀑布式累积曲线():):产生管涌产生管涌产生管涌产生管涌n n 累积曲
13、线累积曲线累积曲线累积曲线n n 直成型直成型直成型直成型()不产生不产生不产生不产生,较高梯度产生流土较高梯度产生流土较高梯度产生流土较高梯度产生流土n n 阶梯式阶梯式阶梯式阶梯式()多产生管涌多产生管涌多产生管涌多产生管涌n n 分布曲线分布曲线分布曲线分布曲线:陡峭单峰陡峭单峰陡峭单峰陡峭单峰:不发生管涌不发生管涌不发生管涌不发生管涌,较高梯度下产生流土较高梯度下产生流土较高梯度下产生流土较高梯度下产生流土n n 双峰多峰双峰多峰双峰多峰双峰多峰:危险性管涌危险性管涌危险性管涌危险性管涌第13页/共22页第十四页，共22页。第14页/共22页第十五页，共22页。三、确定坝基(bj)各点
14、的实际水力梯度坝基(bj)下水力梯度分布复杂,确定方法有理论计算法,绘制流网的图解法,水电比拟法及观测法法等.理论计算法流网图解法水电比拟法地下水动力学1.理论(lln)计算法：据渗流类型,渗流方向及地质条件等选用合适的计算公式如坝基为双层结构,且地层厚度稳定,透水性均一,则在平面流情况下坝后渗流渗出段的平均水力梯度(即逸出梯度)为：第15页/共22页第十六页，共22页。第16页/共22页第十七页，共22页。n n2 2、绘制流网图解法、绘制流网图解法n n 主要是绘制坝基流网图主要是绘制坝基流网图n n 流网图是由一系列流线和等水头线所组成的网格流网图是由一系列流线和等水头线所组成的网格,在
15、均质各向同在均质各向同性岩层中性岩层中,流网最基本的特征是流域与等水实线正交。流网最基本的特征是流域与等水实线正交。n n 流网图绘制原则流网图绘制原则:n n(1)(1)使各相邻两等水头线间的水点损失使各相邻两等水头线间的水点损失HH级比相等级比相等.n n(2)(2)使各相邻两流线的单宽流量使各相邻两流线的单宽流量q q彼此相等彼此相等n n 于是在均质各向同性岩层中于是在均质各向同性岩层中,每个网格的平均长度每个网格的平均长度(S)S)和高度和高度(b)b)的比值不变的比值不变,即即n n b/b/S=S=定值定值,多用正方形多用正方形,b/b/S=1.S=1.n n 如坝基为非均质双层
16、结构土层如坝基为非均质双层结构土层,由于两层的渗透性不同由于两层的渗透性不同,当流域通当流域通过两层分界面时发生过两层分界面时发生(fshng)(fshng)折射折射,流网图也有所不同。流网图也有所不同。n n 绘出流网图后绘出流网图后,即可确定坝基任一点的水力梯度值即可确定坝基任一点的水力梯度值n n I=I=H/H/S Sn n H H 为点所在网格两条等水头成间的水头差为点所在网格两条等水头成间的水头差n n S S 为点所在网格流线长度为点所在网格流线长度第17页/共22页第十八页，共22页。四、确定(qudng)临界水力梯度与允许水力梯度允许(ynx)水力梯度：m与地质(dzh)条件
17、和工程重要性有关：一般砂土：m1.53.0粘性土：m2.54.0五、渗透变形可能性判定I实I允发生渗透变形I实I允不发生渗透变形第18页/共22页第十九页，共22页。4 渗透变形渗透变形(bin xng)的防治的防治n nn n 常有防治措施常有防治措施常有防治措施常有防治措施n n(1)(1)改变渗流动力条件改变渗流动力条件改变渗流动力条件改变渗流动力条件n n(2)(2)保护渗流出口保护渗流出口保护渗流出口保护渗流出口n n(3)(3)改善土石性质等改善土石性质等改善土石性质等改善土石性质等n n一、建筑物基坑及地下巷道施工时流沙的防治措施一、建筑物基坑及地下巷道施工时流沙的防治措施一、建
18、筑物基坑及地下巷道施工时流沙的防治措施一、建筑物基坑及地下巷道施工时流沙的防治措施.n n 1 1、建筑物基坑、建筑物基坑、建筑物基坑、建筑物基坑:n n 1)1)人工降低潜水位人工降低潜水位人工降低潜水位人工降低潜水位n n 2)2)板桩防护墙板桩防护墙板桩防护墙板桩防护墙n n 2 2、地下巷道、地下巷道、地下巷道、地下巷道:n n 水平水平水平水平(shu(shu png)png)巷道巷道巷道巷道:盾构法施工盾构法施工盾构法施工盾构法施工n n 竖井竖井竖井竖井:沉井式支护抗掘进沉井式支护抗掘进沉井式支护抗掘进沉井式支护抗掘进n n 一、防治(fngzh)原则1.改变渗流的水动力条件，减
19、少动水压力即降低水力梯度2.改变土体结构，提高抗渗能力第19页/共22页第二十页，共22页。n n 二、汲水井的防止管涌措施二、汲水井的防止管涌措施二、汲水井的防止管涌措施二、汲水井的防止管涌措施n n 主要措施是在过滤昔管与井壁间隙内充填反滤料的保护渗流出口。主要措施是在过滤昔管与井壁间隙内充填反滤料的保护渗流出口。主要措施是在过滤昔管与井壁间隙内充填反滤料的保护渗流出口。主要措施是在过滤昔管与井壁间隙内充填反滤料的保护渗流出口。n n三、土石坝防治渗透变形的措施三、土石坝防治渗透变形的措施三、土石坝防治渗透变形的措施三、土石坝防治渗透变形的措施n n(一一一一)垂直截渗垂直截渗垂直截渗垂直
20、截渗n n 常用常用常用常用(chn(chn yn yn)方法有方法有方法有方法有:粘土截墙粘土截墙粘土截墙粘土截墙,灌浆帷幕和混凝土防渗墙等灌浆帷幕和混凝土防渗墙等灌浆帷幕和混凝土防渗墙等灌浆帷幕和混凝土防渗墙等.n n(二二二二)水平铺盖水平铺盖水平铺盖水平铺盖n n(三三三三)排水减压排水减压排水减压排水减压n n(四四四四)反滤盖重反滤盖重反滤盖重反滤盖重n n （五）物理化学方法改造：冻结、电动硅化、灌浆（化学浆液）（五）物理化学方法改造：冻结、电动硅化、灌浆（化学浆液）（五）物理化学方法改造：冻结、电动硅化、灌浆（化学浆液）（五）物理化学方法改造：冻结、电动硅化、灌浆（化学浆液）第20页/共22页第二十一页，共22页。第21页/共22页第二十二页，共22页。