會計學1第六章滲透變形工程地質研究第一節概述

一、概念

滲透變形：巖土體在地下水滲透力（動水壓力）的作用下，部分顆粒或整體發生移動，引起巖土體的變形和破壞的作用和現象。表現為鼓脹、浮動、斷裂、泉眼、沙浮、土體翻動等。第1頁/共54頁

二、研究意義第2頁/共54頁堤岸

1998年長江洪水險情以滲流險情最為普遍，沿長江6000余處險情中就有400余處屬滲流險情。其中管涌被視為險中之險。一般來說，長江中下游平原沖積地層，上面是粘性土；往下是粉砂、細砂等，砂層間也有粘性土夾層的，再往下則是砂礫及卵石等強透水層，在河床中露頭與河水相通。在汛期高水位時由于滲水流經強透水層壓力損失很小，堤內數百米范圍內粘土層下面仍承受很大的水壓力，如果這股水壓力，沖破了粘土層，下面的粉砂、細砂就會隨水流出（在沒有反濾層保護的情況下），從而發生管涌。第3頁/共54頁

2003年7月1日凌晨4時，正在施工中的上海軌道交通4號線（浦東南路至南浦大橋）區間隧道浦西聯絡通道發生滲水，隨后大量流沙涌入，引起地面大幅沉降。上午9時左右，地面建筑物中山南路847號一幢八層樓房發生傾斜，其裙房部分倒塌。由于報警及時，所有人員提前撤出，無人員傷亡。

第4頁/共54頁三、滲透變形的類型1.管涌：在滲流作用下，細顆粒沿土體骨架中的孔道發生移動帶走的現象，又稱潛蝕。根據滲透方向與重力方向的關系：垂直管涌水平管涌第5頁/共54頁2.流土：在滲透作用下，土體中的顆粒群或團塊同時發生移動的現象。常發生于均質砂土層和亞砂土層中。第6頁/共54頁第二節滲透變形產生的條件一、滲流的動水壓力及臨界水力梯度流入：pA=h1wgdw

流出：pB=h2wgdw

滲透壓力：dP=pA-pB=dww·dh·g

第7頁/共54頁水下重量dQ=dW-dF=(sat-)·g·dl·

dw=’

·g·dl·

dw動水壓力（D）：單位體積土層所受的滲透壓力第8頁/共54頁當dp=dQ時，單元體處于臨界懸浮狀態，即將發生流土。此時滲流的水力梯度為臨界水力梯度Icr

——土的抗滲強度。則有：dw·dh·g=’

·g·dl·

dwdh/dl=’/Icr=dh/dl=’/Icr=’=(s-1)(1-n)……

太沙基公式第9頁/共54頁土粒越密實，n越小，Icr越大，土體越不容易發生滲透變形。管涌的Icr的求取較為復雜，通過試驗測定。第10頁/共54頁二、土體性質與滲透變形類型土體結構包括了土中粗細顆粒直徑比例、細粒物質含量、土的級配等。1.粗細顆粒直徑比例細粒從空隙中流動最優比例：d0/d>=8天然無粘性土n=0.395D/d0=2.5D/d>=20有利于管涌d0

：孔隙直徑d：細顆粒直徑D：粗顆粒直徑

土體的排列方式決定著D/d0

的值：

當排列疏松時，D/d0

減小，D/d減小，有利于滲透變形

當排列密實時，D/d0

增大，D/d增大，不利于滲透變形

第11頁/共54頁2.細顆粒的含量用細顆粒含量來判別雙峰型礫土的滲透變形型式：>35%流土<25%管涌=25%~35%流土或管涌，取決于礫土的密實度及細顆粒的組成

中等以上密實度、不均勻系數較小的細粒土，發生流土。細顆粒成分中粘粒含量增加，可增大土的凝聚力，土的抗滲強度增加，不易發生滲透變形。

第12頁/共54頁3.土的級配特征：不均勻系數Cu=d60/d10Cu<10流土Cu>20管涌Cu＝10-20流土或管涌第13頁/共54頁三、地層組合關系單一型：多位于河流的上游，一般為砂卵（礫）石層，一般發生管涌，隨著細粒成分的增多，可能流土。雙層型：主要考慮表層粘性土的性質、厚度、完整程度多層型：除考慮表層粘性土層外，還考慮砂層透鏡體或粘性土層透鏡體或相變等造成水力梯度的突變等原因第14頁/共54頁四、地形地貌條件溝谷切割等改變了滲流的補給、滲流的長度、出口條件等五、工程因素施工等破壞了表層具有防滲作用的弱透水層。第15頁/共54頁第三節滲透變形的預測一、預測步驟

1.根據土體類型和性質，判定是否容易發生滲透變形及變形的類型

2.確定土體中各點的實際水力梯度

3.確定相對于該土體的臨界水力梯度和允許水力梯度

4.判定滲透變形的可能性及其范圍二、滲透變形類型的確定

1.粗細顆粒比例

2.細粒物質含量

3.土的級配第16頁/共54頁

三、實際水力梯度的確定

常用方法有：水力學方法：計算及圖解——

模型模擬法——

數值計算法——第17頁/共54頁理論計算法：第18頁/共54頁四、臨界水力梯度與允許水力梯度的確定允許水力梯度：

m—與地質條件和工程重要性有關：

砂土：m＝1.5-3.0粘性土：m＝2.5-4.0m五、滲透變形可能性判定I實>I允發生滲透變形I實<I允不發生滲透變形第19頁/共54頁第20頁/共54頁第21頁/共54頁第四節滲透變形的防治一、防治原則1.改變滲流的水動力條件，減少動水壓力即降低水力梯度2.改變土體結構，提高抗滲能力第22頁/共54頁二、防治措施1.垂直截滲：防滲帷幕2.鋪蓋3.人工降低地下水位4.反濾蓋重5.物理、化學方法改造凍結、電動硅化、灌漿（化學漿液）第23頁/共54頁第24頁/共54頁

反濾層的設計與施工

在導滲溝、貼坡反濾、減壓溝、減壓井等的設計中均有反濾層的設計問題，為此專門進行討論。

（一）反濾層的用途

反濾層是排水設備的主要組成部分，其作用是濾土排水，防止滲流逸出處遭受滲透破壞以及滲流造成的表面水流沖刷。對有承壓水的地層還起壓重作用。

（二）對反濾層的要求

1.透水性應大于被保護土，并能將滲透水流通暢排出；

2.使被保護的土層不發生滲透變形；

3.不致被細顆粒淤塞失效；第25頁/共54頁（三）反濾層的類型

劃分反濾層類型的目的主要是為了合理地確定反濾層數，因此只分兩種類型。

1.Ⅰ型反濾：其特點是反濾層位于被保護土層的下部，滲流方向主要由上向下（圖A）。如褥墊排水。

2.Ⅱ型反濾：其特點是反濾層位于被保護土層的上部，滲流方向主要由下向上（圖B）。如減壓溝的反濾層。

滲流方向近乎水平或傾斜向，反濾層近乎垂直或傾斜向的情況，屬于過渡型，如減壓井、貼坡反濾等，可歸為Ⅰ型。第26頁/共54頁圖AⅠ型反濾

圖BⅡ型反濾第27頁/共54頁（四）反濾層的設計內容

反濾層的設計可分為保護無粘性土和保護粘性土兩大類，設計內容有：

1.確定反濾層的類型；

2.根據濾土準則，確定反濾層的級配或選擇土工織物產品。并據以選擇宜于作反濾層的天然料場或確定人工篩選的任務。

3.對砂礫反濾料確定反濾層的厚度和層數；

4.鑒定反濾料的透水性，對土工織物反濾層還應鑒定淤堵性；

5.有縱向滲流時，鑒定沿反濾層和被保護土層接觸面的沖刷穩定性。第28頁/共54頁（五）砂礫料反濾層的設計與施工

1.反濾料的選擇

對于被保護土的第一層反濾料，建議用下列方法確定；

D15/d85≤4～5D15/d15≥5

式中：D15為過篩重量占15％時的反濾料粒徑，d85為過篩重量占85％時的被保護土的顆粒直徑；d15為過篩重量占15％時的被保護土的顆粒粒徑。

當選擇第二、三層反濾料時，可同樣按以上方法確定。但選擇第二層反濾時第一層反濾為被保護土，選擇第三層反濾時第二層反濾為被保護土。第29頁/共54頁2.反濾層厚度的確定

反濾層的厚度應根據反濾料的級配、料源、用途、施工方法等情況綜合考慮確定。水平反濾層的最小厚度可采用30cm，垂直或傾斜反濾層的最小厚度可采用50cm。采用推土機平料時，最小水平寬度宜不小于3.0m。

3.施工要求

反濾料應具有要求的級配，且小于0.1毫米的顆粒含量不大于5％，并有要求的透水性。質地應致密堅硬，具有高度的抗水性和抗風化能力，風化料一般不能用作反濾料，如必須應用時應進行充分論證。反濾料宜盡量利用天然砂礫料篩選，在缺乏天然砂礫料時，也可以采用人工砂石料，但應選用抗水性和抗風化能力強的母巖軋制。

鋪反濾層前應采用挖除法將基面整平，對個別低洼處采用與基面相同的土料或第一層反濾料進行填平。鋪筑時應由底部向上逐層鋪設，并保證層次清楚，互不混雜，不得從高出順坡傾倒，以免發生填筑分離。對反濾層必須進行壓實，在施工中應防止雨水沖泥等污染反濾料。第30頁/共54頁堤身防治工程的設計與施工

堤身滲透破壞的除險加固措施主要有：臨水坡斜墻防滲、堤身垂直防滲、貼坡排水、透水后戧（壓浸臺）、水平排水等，對堤身缺陷可以采用回填或灌漿的辦法進行處理。

第31頁/共54頁（一）防滲斜墻

1.設計考慮

對臨水側有鋪蓋或地基有垂直防滲的情況，斜墻應與其連成一體，構成完整的防滲體系，以提高防滲效果。斜墻的尺寸應根據散浸的范圍、出滲點的高度和滲水的嚴重程度經計算確定，長度至少超過滲水段兩端各5m，高度應超過設防水位0.5～1.0m。

對粘土斜墻，垂直于堤坡方向的厚度為1～2m，坡度與原堤身相當或稍緩。為防止粘土斜墻干裂、凍裂和其它侵害的影響，應設壤土保護層，一般情況，保護層高于墻頂1.0～1.5m，垂直堤坡方向的厚度為0.8m。第32頁/共54頁2.從施工考慮

施工時應首先清除邊坡和坡腳附近的雜草、樹木等雜物，清除厚度10～20cm，并適當整平。

斜墻應選用粘性較大的土料且不得含植物根莖等雜質，填筑壓實度應不小于0.94，含水率與最優含水率的允許偏差為±3％。

當用土工膜作隔滲層建造斜墻時，土工膜幅間的拼接應采取焊接或粘接方式，確保施工質量，并注意施工中不要損壞土工膜。另外還需保證土工膜與堤身牢固接合，并采取防止生物破壞的措施。第33頁/共54頁（二）堤身垂直防滲

垂直防滲的位置宜布置在臨水堤腳或堤頂盡量靠近臨水側，并與堤身防滲體連成一體。根據近幾年的實踐，比較經濟合理有效的堤身垂直防滲技術有：錐探灌漿、劈裂灌漿、和垂直鋪塑等。

1.錐探灌漿

在堤頂采用梅花形方式布孔并進行充填灌漿。實踐證明，錐探灌漿是處理堤身隱患的一個比較有效的方法，但由于鉆孔數量多往往造價較高。

第34頁/共54頁2.劈裂灌漿

沿堤頂軸線單排布孔，利用灌漿壓力將堤身沿其走向劈開并灌漿，從而在堤身內沿其走向形成一厚度10cm左右的防滲幕。同時還具有壓密堤身和充填洞穴的作用，可獲得事半功倍的效果。該方法已經在許多堤防和土壩中得到應用，效果明顯。

3.垂直鋪塑

在堤頂沿大堤走向用開槽機在堤身內垂直成槽，然后鋪設土工膜并用粘土漿回填，從而達到降低堤身滲流量和浸潤線的目的。該方法已經在黃河大堤上采用并取得較好的效果。第35頁/共54頁（三）貼坡排水

為避免滲水對堤坡的沖刷和滲流出口發生流土破壞，可以采用貼坡反濾進行處理。施工時應清除堤坡表面的草皮、雜物，清除深度10～20cm，貼坡反濾的高度應高出最高的滲流出逸點0.5～1.0m，長度應超出散浸堤段兩端至少3m。根據反濾材料不同，有以下兩種方法可供選用：

1.砂礫料貼坡排水:

砂礫料貼坡排水的各層厚度如圖A所示。褥墊排水的設計、材料的選用、反濾層鋪設施工等的有關細節，請參見反濾層的設計與施工。

2.土工織物貼坡排水（圖B）

第36頁/共54頁圖B土工織物反濾層貼坡排水示意圖圖A砂礫料貼坡排水示意圖

第37頁/共54頁（四）透水后戧

亦稱透水壓浸平臺。它既能防止散浸造成的滲透破壞，又能加大堤身斷面從而達到穩定堤坡的目的。一般適用于散浸嚴重、堤身斷面單薄、背水坡較陡、外灘狹窄的情況。透水后戧應采用比堤身透水性大的材料填筑，高度應高出滲水的最高出逸點0.5～1.0m，頂寬2～4m，坡度1:3～1:5，長度應超出散浸堤段兩端各5m。戧體材料滲透性大斷面可小一些，相反則應大一些。當堤身較高時可采用兩級或多級戧臺。

施工時應清除堤坡上的草皮和雜物，清除深度10～20cm。填筑戧體時應進行壓實，相對密度不小于0.65。透水后戧示意圖第38頁/共54頁（五）水平排水

這種方法只有在堤壩加高培厚和增設壓滲臺時才可能應用。水平排水不但可以降低堤身的浸潤線，對透水堤基還可以有效降低堤基的出逸比降，但會使堤基的滲流量有所增加。采用水平排水可以減小壓滲戧臺的工程量，如圖所示。水平排水的長度、厚度應根據滲流計算來確定。第39頁/共54頁堤基防治工程的設計與施工

堤基除險加固的措施有：臨水側防滲鋪蓋、垂直防滲、背水側壓滲蓋重、排水減壓溝和減壓井等。

（一）臨水側防滲鋪蓋

如果封閉式垂直防滲幕墻不盡合理，背水側又無條件做壓滲蓋重，而臨水側有穩定的外灘時，可以采用臨水側防滲鋪蓋來減小背水側堤基的出逸比降和地基滲流量，但其效果有一定限度。對近似均質透水堤基，臨水側鋪蓋的效果比較明顯，當表層地層的滲透系數小于深部地層較多時，臨水側鋪蓋的效果將降低。第40頁/共54頁1.設計考慮

采用臨水側防滲鋪蓋時，一般應結合背水側的滲流控制措施，如壓滲蓋重和減壓溝或減壓井，以達到有效控制堤基滲流、防止管涌破壞和經濟合理的目的。臨水側防滲鋪蓋的效果取決于其長度、厚度和垂直向的滲透系數，并與堤基土體的分層性及滲透性有關，設計時應通過計算確定，并應滿足地基、鋪蓋以及鋪蓋與地基之間的滲透穩定要求。當利用天然弱透水層作為防滲鋪蓋時，應查明天然弱透水層及下臥透水層的分布、厚度、級配、滲透系數和允許滲透比降等情況，在天然鋪蓋不足的部位應采用人工鋪蓋進行補強。在缺乏防滲土料的地區可以用土工膜做防滲材料，但土工膜的上部必須設置保護層。第41頁/共54頁

鋪蓋土料應具有一定的防滲性能，通常其滲透系數最好不大于1×10－5cm/s，如果滲透系數過大，即使加長鋪蓋其防滲效果也不會有大的增加。鋪蓋應采用不等厚形式，遠離堤腳處應薄一些，但不應小于0.5～1.0m，近堤腳處應厚一些，并應考慮與堤身防滲連成一體。

鋪蓋設計時，一般先根據凈水頭和堤基的允許水力比降初步確定所需的等效長度，然后通過經濟比較選擇鋪蓋的長度、厚度和鋪蓋的滲透系數，最后對鋪蓋本身的滲透穩定性進行校核。對粉質壤土修筑的鋪蓋，其允許水力比降為4～6。第42頁/共54頁2.施工考慮

當已經存在不透水的天然鋪蓋時，應對其進行仔細檢查，看是否存在缺失區、樹根孔洞、塌坑等通向透水地基的滲流通道，如果有，應采用不透水材料進行充填或覆蓋。外灘取土必須在鋪蓋長度范圍以外，以保證鋪蓋的整體防滲功能。鋪蓋施工應采用分層鋪筑的方法，依靠運輸與攤鋪機械的行使壓實。鋪蓋與堤身防滲斜墻連接處宜選用相同的材料。第43頁/共54頁（二）垂直防滲

垂直防滲特別適用于地基透水層較薄、隔水層較淺的情況，此時可以做成封閉式防滲幕墻，堤基的滲流量和揚壓力可以得到有效控制，從而可以達到根治堤基滲透破壞的目的（圖A）。對雙層或多層透水地基且透水層較深的情況，懸掛式垂直防滲幕墻的效果很差（圖B），封閉式垂直防滲難度大且造價太高，不宜采用。對多層地基且存在淺層弱透水層的情況（圖C），可以考慮半封閉式垂直防滲，但必須在勘察資料充分并經滲流計算充分論證后方可采用。垂直防滲應布置在臨水堤腳或堤頂靠臨水側。第44頁/共54頁圖A:封閉式垂直防滲墻的滲流控制效果單位：m第45頁/共54頁圖B:懸掛式垂直防滲墻的滲流控制效果單位：m

第46頁/共54頁圖C:半封閉式垂直防滲墻的滲流控制效果單位：m實線：有防滲墻時的浸潤線和10%水頭間隔的等勢線虛線：無防滲墻時的浸潤線和10%水頭間隔的等勢線第47頁/共54頁（三）背水側壓滲蓋重

當沒有必要采用封閉式垂直防滲幕墻或其造價太高時，可以采用背水側壓滲蓋重的方法，來防止堤基滲流對表土層的滲透破壞。如果所需蓋竽太長，應考慮與減壓溝井聯合使用的方法。其他的背水側滲流控制措施，對堤身高度較大的情況，可以設置兩層壓滲蓋重平臺。這種方法在堤防工程中廣為應用，效果明顯。

壓滲蓋重的形式很多，可以由不透水的變換到完全自由排水的。其形式的選擇，取決于材料的料源及每種形式的費用大小。第48頁/共54頁第49頁/共54頁98