工程地质学 第六章 渗透变形工程地质研究

动水压力（D）：单位体积土层所受的渗透压力
D＝
dP dw dl
ρ
g dh dl
ρ
gI
dW ρsat g dl dw dF ρ g dl dw
水下重量dQ=dW-dF=(sat- )·g·dl·dw =’ ·g·dl·dw
’——浮密度
当dp=dQ时，单元体处于临界悬浮状态，即 将发生流土。 此时渗流的水力梯度为临界水力梯度Icr —— (critical hydraulic gradient)土的抗渗强度。 则有： dw ·dh ·g= ’ ·g·dl·dw
❖ 渗透变形也给地下巷道掘进和矿山作业带来很大 危害，同时影响到地面建筑物的安全。
❖ 1974年苏联列宁格勒市兴建地下铁道时，在地下 80m深处于冻结的流砂层掘进巷道，但由于某一 地段上的流砂未完全冻结而造成破裂，数千方流 砂快速涌进已掘进好的巷道，同时在地面形成了 塌陷漏斗。
❖ 我国淮南煤矿一竖井，位于淮河泛滥淤积的粉、 细砂土中，1960年代施工时亦遇流砂涌入，引起 四周地面下陷达l.4m，井筒四周的板桩沉陷变形。 后来采用电动硅化法改良土质，才得以继续掘进。
部分颗粒或整体发生移动，引起岩土体的变形和破坏的作用 和现象。(seepage deformation)或渗透破坏(seepage failure)。 表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等。
由此产生的工程地质问题，就是渗透稳定性问题。
❖ 河流阶地上的“碟形洼地”和覆盖岩溶区的“土 洞”等现象均属之。
三、渗透变形的类型
1.管涌：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。(piping)
根据渗透方向与重力方向的 关系：
垂直管涌 水平管涌
2.流土(quick soil quick sand) ：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。 常发生于均质砂土层和亚砂土层中。
一般来说，长江中下游平原冲积地层，上面是粘性土；往下是 粉砂、细砂等，砂层间也有粘性土夹层的，再往下则是砂砾及卵 石等强透水层，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。
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（浦东南路至南浦大桥）区间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。
❖可见，渗透变形是一种可以影响建筑物和人民生命财产安全 的工程动力地质作用，因而它也是工程地质学研究的课题之 一。
❖ 由于人类工程-经济活动使渗流加强，从而产生的 渗透变形问题较多——
❖ 如基坑开挖时的流砂现象
❖ 因矿山排水或汲取地下水在覆盖岩溶区产生的地 面塌陷
❖ 土石坝坝基的渗透稳定性问题等。
❖ 这种现象不但在松散土体中发生，而且在基岩的 断裂破碎带和风化壳中也可能发生。——溃砂突 泥
二、研究意义
❖渗透变形问题在坝工建设中尤为引人 关注，这是因为在厚度很大的松散河 流堆积层上仅适宜于兴建土石坝，因 而渗透稳定性问题是土石坝的主要工 程地质问题之一。
第二节 渗透变形产生的条件
渗透变形产生的必要条件
渗透水流有足够大的动水压力和土体具 有一定的结构特性。
渗透变形产生的充分条件 宏观地质因素（地层组合关系和地形地貌条件） 和工程因素。
一、渗流的动水压力及临界水力梯度 流入：pA= h1 wg dw 流出：pB= h2 wg dw 渗透压力：dP=pA-pB=dww ·dh ·g
❖据美国的有关统计资料，在破坏的土 石坝中，有40％是坝基或坝体渗透变 形造成的。
❖我国水利水电科学研究院于l974年调 查了33座坝身有缺陷的土石坝，其中 属渗透变形的约占60％。
我国山西省东榆林水库副坝溃决事故，就是由于坝基渗透变形造成的。该副坝系均质土 坝，最大坝高8.5m；坝基为由亚砂土和粉砂土等组合的多薄层结构(图)。溃决段上游未 作防渗措施，坝下游排水沟也无反滤层保护。1979年2月中旬蓄水位达l038.77m，副坝下 游排水沟渗水增加，河坡流泥。4月上旬蓄水位1039.25m，副坝下游坝脚普遍渗水，排水 沟流泥、塌坡，平台泥泞不能行驶车辆。5月25日早晨，排水沟底部边坡集中渗出成股浑 水，出水口直径有l0－15cm左右，当天晚上蓄水位1039.18m(水深4.18m)时坝体溃决，决 口底宽l05m。溃坝的原因是第二层透水性较强的粉质亚砂土出露于坝下游排水沟边坡， 大部分渗水均从该排水沟边坡逸出；施工时库内取土，破坏了表土层(亚砂土)，使库水
第六章 渗透变形工程地质 研究
提要
❖概 述 ❖ 渗透变形产生的条件 ❖ 渗透变形的预测 ❖ 渗透变形的防治
第一节 概 述
一、概念 渗透:在岩土体空隙中运动的地下水。 渗透力：地下水在渗流过程中对岩土体作用的力，称渗透力
(seepage force)或动水压力(hydrodynamic force)。 渗透变形：岩土体在地下水渗透力（动水压力）的作用下，
沿上游的取土槽及坝踵附近以最短渗径向下游渗透。由于排水沟又无反滤层保护，破坏
了渗流出口，粉质亚砂土在渗透力作用下被水流携出，并不断向上游发展，最终沿该层 底部与龟裂土的顶部形成集中渗流通道，严重的流土而招致溃坝。
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。
❖ 3、接触冲刷
❖ 渗流沿着渗透系数相差悬殊的两种土层接 触面带走细颗粒的现象。
❖ 主要发生在漂石或卵石等巨粒土与砂类土 和粉土接触处。
❖ 4、接触流失
❖ 渗流垂直渗透系数相差悬殊的两种土层接触面运 动时，将细粒土层的颗粒带到粗粒层中的现象。
❖ 反滤层失效： ❖ ——抽水井流量减小 பைடு நூலகம் ——坝后减压井和排水沟达不到减压的目的