13滲透變形的工程地質(zhì)分析

1、第十三章 滲透變形的工程地質(zhì)分析,工程地質(zhì)分析原理,13.1 基本概念及研究意義 凡有滲流就有滲流力 （seepage force)或稱水動壓力(hydrodynamic force)。此壓力達一定值時，土中的某些顆粒就會被滲透水流攜帶和搬運，這種地下水的侵蝕作用稱為潛蝕(suffosion)。嚴格說來，潛蝕應(yīng)包括化學(xué)潛蝕和機械潛蝕。前者是土石中某些可溶組分被滲透水流溶解和搬運；后者為不溶顆粒被滲透水流帶走。可使土石結(jié)構(gòu)變

2、松，強度降低，這種變化可稱為土石滲透變形(seepage deformation)或滲透破壞。,13.1 基本概念及研究意義 強烈的滲透變形會在滲流出口處侵蝕成孔洞，孔洞又會促使?jié)B透途徑已經(jīng)減短、水力梯度有所增大的滲流向它集中，而在孔洞末端集中的滲透水流就具有更大的侵蝕能力，所以孔洞就不斷沿最大水力梯度線溯源發(fā)展，終至形成一條水流集中的管道(圖13-1)，由管道中涌出的水?dāng)y帶較大量的土顆粒，這就是管涌(piping)?？梢?/p>

3、它是潛蝕強烈發(fā)展而出現(xiàn)的一種特有的不良地質(zhì)作用，往往形成地質(zhì)災(zāi)害。我國工程技術(shù)界則常用于泛稱一般的機械潛蝕作用。,滲透水流導(dǎo)致孔洞通道不斷向源延伸和擴大的作用： (1) 淋蝕(eluviation)或滲流侵蝕(seepage erosion) 當(dāng)土層中細小顆粒小于與之呈互層狀產(chǎn)出的砂、礫層中的孔隙，則細小顆?？杀粷B透水流所攜帶，并穿過這些孔隙通道而被搬運走。土中的細微裂縫、蟲孔、獸穴、根孔等大孔洞，也可成

4、為地下水流搬運細小顆粒的通道。這種滲透水流的選擇性侵蝕，可能是土中管道開始形成的主導(dǎo)方式。 (2 ) 滲流面蝕(seepage-face erosion) 飽水敏感土于斜坡面出露，集中滲流可攜帶其出口處的土粒順流而下將之搬運走，于是出口處首先形成一凹坑并累進性切入坡內(nèi)，逐步發(fā)展為一個地下管道。使?jié)B流流線聚斂的因素有地形、巖性或細微裂隙等。 (3) 孔道沖刷(tunnel scour) 土或

5、易蝕基巖中的孔洞或管道開始形成之后，通過這類孔道流動的集中水流即可沖刷孔道壁、沖走可由壁上脫落下來的顆粒而使孔道不斷擴大。,管涌可以多種方式出現(xiàn)，如滲流面管涌、土裂隙管涌和蟲(獸)穴管涌等。在自然條件下，潛蝕和管涌可以在干旱區(qū)黃土中形成地下洞穴，也可在紅層中形成洞穴。洞穴末端陷落即形成落水洞，而當(dāng)大部分頂拱塌落即形成殘留有“天生橋’’的深沖溝等。這些地貌形態(tài)組合由于類似于喀斯特故一般稱為假喀斯特(pseudokarst)。在溫濕區(qū)在洪泛

6、平原被河流下切形成的岸坡上，可形成滲流—面蝕管涌，管涌發(fā)展使地下匯水區(qū)內(nèi)部分被掏空引起地表下陷而出現(xiàn)潛蝕洼地；或在較陡斜坡上由于潛蝕而引起滑坡。,由于工程活動所引起的潛蝕和管涌更為常見。如開挖深基坑或采礦豎井穿過飽水粉細砂層，在基坑或豎井中大量排除地下水，造成坑(井)內(nèi)與邊壁之間的大水頭差，地下水層便會攜帶大量砂土由邊壁涌入坑(井)之中，這就是工程中通稱的流砂(quick sand)，有時也會在坑底出現(xiàn)噴砂或砂沸(sand boil)

7、；鉆井快速抽取地下水，含水層中的水即向集水井流動，由于愈接近井筒水力梯度愈大，高水力梯度地下水流的潛蝕可將細小砂粒攜入井中，使井筒逐漸被砂淤滿，抽水機具被埋。 管涌更多的與修建堤壩相聯(lián)系。大河兩岸修建防洪堤后，洪水期間堤內(nèi)外之間有一定的水頭差，而建壩壅水之后壩上、下游之間的水頭差更會顯著增大，滲流力或水動壓力與水力梯度呈正比增大，所以產(chǎn)生潛蝕的水動力條件就形成了。如果壩為土石壩、壩基土石為透水的砂質(zhì)土且具有產(chǎn)生強烈潛蝕的顆粒成

8、分及結(jié)構(gòu)條件，而防滲措施又不得當(dāng)，往往會造成管涌甚至造成潰壩、潰堤。,典型的管涌可以黑龍江的龍風(fēng)山壩(圖13-2)為例。該壩為斜墻砂殼壩，壩基表面為厚約1.0m的淤泥質(zhì)亞粘土，其下為滲透性強的砂礫石層，厚約10~15 m。出險段壩高僅18m，上游未做鋪蓋，下游亞粘土層既未挖除也未加反濾壓重，當(dāng)壩前水深升高到7.5m時，下游壩腳處20m范圍內(nèi)即廣泛出現(xiàn)孔徑3~5mm的小泉，兩個月后壩前水深增到11m，泉數(shù)減小但有些泉孔徑變大，最大者直徑達

9、l0cm，流出的水中也開始有灰黃色淤泥。次日水深達12.3m，壩外3~6m范圍內(nèi)多處向外涌水，涌水口孔徑大者達15cm且翻水冒泥，流量也不斷增大。此后不得不降低庫水位，但涌水孔徑仍繼續(xù)擴大，冒水高度增高，表明上下游之間已經(jīng)形成連通的集中滲流管道，即潛蝕已發(fā)展成管涌。只好采取“圍井”措施，即在涌水孔周圍圍以土堤，但隨圍井升高涌水也升高。兩天后庫水位雖已降至11.2m，圍井卻已高達8.3m，流量達lm3／s而無法制止，所以只好由潛水員在上游

10、找出進水口并以砂袋堵塞，這樣下游涌水才基本停止。滲透水流由壩基帶出泥砂總計達2000m3，經(jīng)開挖檢查，上下游均挖出滲流通道。,建于風(fēng)化層未清除干凈的基巖上的砌石壩也出現(xiàn)過因滲透變形而失事的例子。第十一章所述的四川永川的陳食和合川的渣口石兩座砌石連拱壩，壩高23m，建于風(fēng)化層未完全清除的紅色泥巖、砂巖上。壩基風(fēng)化巖石中有平行于河谷的陡傾裂隙，有的開口20cm，粘土充填。水庫蓄水之后即沿此裂隙產(chǎn)生滲流。隨庫水位升高，滲流加劇，且涌水時清時濁

11、，表明充填的粘土已被滲透水流沖刷。沖刷與滲流相互促進，終致在3號拱下形成涌水洞，在十幾分鐘內(nèi)近百萬方庫水通過此洞泄流殆盡，將壩基沖蝕了7m深，連同被沖蝕的壩身成為高13m寬8m的沖蝕洞。壩基中若有埋藏較深的緩傾軟弱夾層，還需考慮由于潛蝕使軟弱夾層強度降低，以致產(chǎn)生深層滑動的可能。,滲透變形除對壩造成危害外，喀斯特地區(qū)上覆土層的滲透變形還可以引起較大范圍的地表塌陷，使地表建筑物的安全與穩(wěn)定受到危害。典型實例有福建三明某廠和武漢鋼廠附近的地

12、面塌陷。由于長期開采喀斯特水使水位強烈下降，上覆土層中的地下水就會沿灰?guī)r中裂隙向下滲入補給喀斯特水，如果上覆松散土含水層與灰?guī)r裂隙之間沒有天然的“反濾層”，上覆土層就會受到潛蝕，土粒隨水經(jīng)過裂隙不斷進入喀斯特洞穴之中，久之土層中就會產(chǎn)生土洞，土洞洞頂一旦塌陷就在地表形成塌陷漏斗。,土石體的滲透變形又可分為如下幾種不同的類型：潛蝕，即土體中一部分小顆粒被滲透水流攜出．較普遍地發(fā)生在不均質(zhì)砂層中；流土，即土體表層某一部分土粒在垂直土層的

13、滲透水流作用下全部浮動和流走，常發(fā)生在大壩下游坡腳有滲透水流逸出的土層中；接觸流土，即滲透水流近于垂直土層運動，當(dāng)水流由顆粒粗細相差懸殊的細粒土進入粗粒土中時，細粒土被水流帶進粗粒土中，產(chǎn)生了接觸流土；接觸沖刷，滲透水流方向與土層平行，細粒土層與粗粒土接觸面上的土粒受粗粒土中流速較大的水流所沖刷并被它攜走。 滲透變形的發(fā)生需要有一定的條件，即水流需要有一定的水動力條件，而土石需要具有一定的顆粒成分、結(jié)構(gòu)及抗侵蝕強度條件。,1

14、3.2 土石滲透變形的產(chǎn)生條件 要使土石顆粒在滲流力作用下松動以至懸浮，必須克服粒間的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦并使?jié)B流力超過土的水下容量。由于土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦力隨土的顆粒組成、固結(jié)程度、膠結(jié)狀況不同而有很大變化，所以首先只能將土簡化為無內(nèi)摩擦和內(nèi)聚力的散粒砂土，分析使它進入懸浮狀態(tài)的水動力條件，然后再討論土石結(jié)構(gòu)、顆粒成分和致密程度等在土石滲透變形中所起的作用。13.2.1 滲透變形的水動力條件,,壩下滲透水流滲流

15、方向在壩踵處向下、壩基處水平、壩趾處向上。顯然，壩趾處滲流力與水流方向一致，在水流作用下易于松動并易于成為懸浮狀態(tài)的。假定該單元土體的底面積為dω，沿滲徑的長為dL，單元體下界面與其上界面的水頭差為dh，則此單元土體承受的水壓力dp為： dp=ρW·dh·dω 如單元土體的水下密度為ρf，則其水下重量dq為： dq=ρf·

16、;dL·dω 如dp =dq則單元土體呈懸浮狀態(tài)，亦即： ρW·dh·dω=ρf·dL·dω 或dh / dL =ρf/ρW dh／dL為滲透水流經(jīng)過這一單元土體的水力梯度，因為土體與水流處于極限平衡狀態(tài)，此水力梯度稱為臨界梯度，以Jcr表之。 Jcr=ρf/ρW 因為ρW =1，所以：

17、 Jcr=ρf,,土的水下容重取決于土粒比重(ρs)與水的密度之差及單位土體內(nèi)土的固相顆粒的體積，如n為土的孔隙度，則單位土體內(nèi)土的固相顆粒體積為1－n，水的比重為1，則 pf=(ρs一1)(1一n) 所以： Jcr =(ρs一1)(1一n) 或Jcr = 式中：ε為土的孔隙比。 若取砂土粒密度ρs=2.65，n=50％~30％，則有： Jcr

18、 =0.826－1.155≈1 這就是一般應(yīng)用的松散砂質(zhì)土產(chǎn)生流土的臨界水力梯度計算公式。應(yīng)該注意到，由于土的顆粒組成、結(jié)構(gòu)、致密程度不同，實際測得的各種土的臨界梯度往往與按上述公式計算所得差別很大，對某些顆粒組成的松散砂產(chǎn)生潛蝕的臨界梯度Jcr《1，而對于極密實砂或粘土則Jcr》1 。所以有必要分析土石滲透變形的土石結(jié)構(gòu)及顆粒成分條件。,,,,13.2.2 土石結(jié)構(gòu)及顆粒成分條件 土的結(jié)構(gòu)愈疏松愈

19、易產(chǎn)生潛蝕。局部有大孔隙(或架空結(jié)構(gòu))更有利于潛蝕。 以下兩點易于產(chǎn)生潛蝕的顆粒成分條件： (1) 只有較多量的粗大顆粒構(gòu)成骨架，才能形成直徑較大的孔隙，才易于產(chǎn)生潛蝕。如細顆粒達到一定含量致使粗顆粒間不能相互接觸，不能由它構(gòu)成骨架，則孔隙大小取決于細顆粒，所以就比較難于潛蝕。實驗證明，細粒量達20％～3 0％時，產(chǎn)生滲透變形所需的破壞梯度急劇增大(圖13-6的轉(zhuǎn)折部分)。應(yīng)該注意到，當(dāng)細粒含量小于20％，破壞梯度

20、約小于0.5，而不是1，這可能是由于土的結(jié)構(gòu)和孔隙是不均一的，所以滲透水流的流速和水力梯度也是不均一的，平均梯度小于1時，某些孔隙的梯度就有可能達到使某些小顆粒被水流所攜出的臨界值。小顆粒被沖出后孔隙愈益通暢，因而更易于集中水流，結(jié)果是平均梯度大大低于1時就由機械潛蝕轉(zhuǎn)化為管涌。,,,,,(2) 粗細顆粒粒徑之比對潛蝕的發(fā)生具有很重要的意義。能在粗顆粒骨架之間的孔隙中通過的細顆粒，其粒徑必須小于孔隙的直徑。緊密排列顆粒直徑與孔隙直徑之比

21、為6.4，所以粗粒徑(D)與細粒徑(d)之比大于6.4。由于細小顆粒周圍的結(jié)合水膜及顆粒形狀等的影響，所以D／d必須比6.4大得多，據(jù)研究，混粒砂土ｎ=39％，D／d0=2.5時，有利于潛蝕的孔隙直徑d0與細小顆粒粒徑d的最優(yōu)比值為： 　　　　　d0／d=8，亦即D／d0=20,,,上述顆粒成分條件需要用顆粒分析成果的某些特征值表示出來。根據(jù)B.C.伊斯托明娜的研究，在自下而上滲流，出口處無蓋重的條件下，散粒砂土的滲透變形類型及臨

22、界梯度值都與土的不等粒系數(shù)(η=d60/d10)有關(guān)。 (1) η≤10，滲透變形的主要形式是流土，或是出口處土粒全部懸浮，或是一部分土中出現(xiàn)“涌泉”； (2) η≥20，滲透變形的主要形式為潛蝕； (3) 10<η<20，滲透變形可能是潛蝕也可能是流土。 允許梯度與不等粒系數(shù)有如下關(guān)系： 土石中實際水力梯度必須低于該土石的臨界梯度，才能保證土石不致滲透破壞。通常用臨界梯度折減

23、作為允許梯度，即： J允許=Jcr/m m=2~3根據(jù)B.C·伊斯托明娜的研究，允許梯度與不等粒系數(shù)有如下關(guān)系： (1) η≤10， J允許=0.3~0.4 (2) 10<η<20 ， J允許=0.2 (3) η≥20 ， J允許=0.1,,,以上是在經(jīng)過適當(dāng)簡化的條件下，分析了松散砂土產(chǎn)生滲透變形的結(jié)構(gòu)和顆

24、粒成分條件。在工程地質(zhì)工作中，還經(jīng)常需要判定有一定固結(jié)程度和一定粘粒含量的砂土滲透變形可能性，以及屬于粘性土的軟弱夾層的滲透變形可能性。這些都不能用簡單分析方法處理，而只能根據(jù)實際觀測及試驗的方法，找出影響其滲透穩(wěn)定性的主要因素。 經(jīng)過固結(jié)壓密的土不但孔隙度有所降低，粒間的嵌合力也有所加強，因此必然要經(jīng)滲流力松動之后才能懸浮。所以其臨界梯度和允許梯度顯著高于顆粒成分相近但并未經(jīng)固結(jié)的土。 由粘性土組成的軟弱夾層

25、，根本不可能產(chǎn)生由孔隙中沖洗出細粒物質(zhì)的潛蝕性滲透變形，而是在高壓滲透水流的楔劈作用下使透水裂隙不斷張開，由上游向下游不斷增大透水性，在貫通裂隙中的高速度滲透水流，以接觸沖刷方式使軟弱夾層受破壞。所以，是否有裂隙和易于被楔開的、變形模量值低的夾層，是決定其滲流穩(wěn)定性的主要因素。其破壞梯度一般遠大于1。上述所有滲透破壞方式均屬接觸沖刷型。,,,13.2.3 滲流出口條件 如果在出口處增加粗粒的透水性蓋重，由于蓋重的反

26、壓，就降低了該處土懸浮的可能性。但蓋重的粒徑與被保護土的粒徑不能相差懸殊，這是因為蓋重層粒徑如很粗，則與被保護土層接觸處必然有孔徑相當(dāng)大的孔隙，孔隙下的土層不受壓重作用，且壩基滲流一進入這種孔隙，剩余的水頭就會全部消失，于是二者接觸面上水力梯度必然很大，其結(jié)果往往產(chǎn)生接觸流土。所以滲流出口的保護蓋層必須能起反濾層的作用。,13.3 滲透變形可能性的判定 首先根據(jù)土的性質(zhì)判定是否易于產(chǎn)生滲透變形及滲透變形的類型，然后根據(jù)滲流條

27、件確定實際水力梯度。如果實際水力梯度等于或大于按土的類型確定的允許梯度，必須用試驗方法確定臨界梯度。13.3.1 判別滲透變形類型 主要根據(jù)土的顆粒分析資料。顆分結(jié)果繪成累積曲線和分布曲線(圖13-10)。根據(jù)累積曲線，凡屬瀑布式曲線者(I)產(chǎn)生潛蝕(或稱為管涌土)；凡屬直線式者(II)不在較高的梯度下產(chǎn)生流土(或稱非管涌土)；凡屬階梯式者(III)滲透變形為流土，曲線向細粒方向緩坡延長者產(chǎn)生潛蝕，較大角度與橫坐標(biāo)相

28、交者為流土。根據(jù)分布曲線，呈陡峭單峰的砂一般不發(fā)生潛蝕，而呈雙峰或多峰且缺乏中間粒徑者為“危險性管涌土”。,13.3.1 判別滲透變形類型,13.3.2 確定壩基各點的實際水力梯度,13.3.3 確定臨界梯度和允許梯度 首先應(yīng)根據(jù)土的顆粒分析資料判定滲透變形的類型和允許梯度的可能值。如有產(chǎn)生潛蝕甚或發(fā)生管涌，還需通過室內(nèi)或野外現(xiàn)場試驗以確定土的臨界梯度。 通過顆粒分析確定了滲透變形類型后可按表

29、13-3初步判定臨界梯度和允許梯度。也可以根據(jù)伊斯托明娜判據(jù)確定臨界及允許梯度。 室內(nèi)測定臨界梯度，可以采用滲透儀法或水槽滲透試驗法。兩種試驗都用變水頭的方法進行，逐步提高水頭，觀測到有細顆粒在粗顆粒孔隙中跳躍時，即為出現(xiàn)潛蝕現(xiàn)象，此時土樣上面的水變渾很快又澄清，表面出現(xiàn)砂圈。 現(xiàn)場滲透變形試驗可在土的原狀結(jié)構(gòu)下進行，所得結(jié)構(gòu)可靠。試驗方法有堤壩式、圍堰式等，以堤壩式應(yīng)用廣泛。,13.3.3 確定臨界梯

30、度和允許梯度,13.4 滲透變形的防治措施 預(yù)防砂類土滲透變形，通常采取兩方面的措施，即：降低水力梯度和采用特殊結(jié)構(gòu)的反濾層保護滲流出口。 預(yù)防軟弱夾層的滲透變形可采用滲透灌漿。 (1) 降低水力梯度 降低水力梯度又可采取加長滲流途徑和排水減壓兩類措施，有時同時采用這兩類措施。加長滲徑的辦法有設(shè)防滲鋪蓋、防滲帷幕及齒墻等。排水減壓多采用設(shè)排水廊道及排水井等，但在土石壩中一般不采

31、用此種措施。,13.4 滲透變形的防治措施 (2) 反濾層保護 反濾層是保護滲流出口的有效措施。其方法是在水流逸出段分層鋪設(shè)幾層粒徑不同的砂礫層，接近被保護層的粒徑細，然后依次加大粒徑，這樣使逸出水流的剩余水頭分層緩慢降低，以保證各層之間的水力梯度不致產(chǎn)生接觸流土，反濾層的結(jié)構(gòu)如圖13-21。反濾層一方面要求它足夠細，以便能阻止被侵蝕的土粒從其孔隙中通過；另一方面又要求它足夠粗，以便能為地下水

32、流提供比被保護層更小的滲流阻力。,13.4 滲透變形的防治措施 (3) 滲透灌漿 軟弱夾層的滲透變形是由于裂隙集中滲流帶接觸沖刷所造成的，且變形由上游向下游發(fā)展。所以其防治措施除加長滲徑和排水減壓外，應(yīng)向裂隙灌漿以降低其滲透性。在不抬動上覆巖層的前提下，應(yīng)盡量加大灌漿壓力，使易變形的夾層于灌漿過程中產(chǎn)生變形。這樣就可提高防滲效果。用水泥漿使可灌性良好的裂隙被封閉后，再用丙凝、氰凝等化學(xué)漿液灌注可