巖體的滲透特性

1、巖體的滲透特性巖體的滲透特性 水在巖土體孔隙中的流動(dòng)過水在巖土體孔隙中的流動(dòng)過程稱為滲透。巖土體具有滲透程稱為滲透。巖土體具有滲透的性質(zhì)稱為巖土體的滲透性。的性質(zhì)稱為巖土體的滲透性。 2.1 2.1 概述概述第第2 2章章 巖體的滲透特性巖體的滲透特性 下 游上 游浸 潤(rùn) 線流 線等 勢(shì) 線Hhl(a )(b ) 由水的滲透引起巖土體邊坡失穩(wěn)、邊坡變形、地基變形、巖溶滲透由水的滲透引起巖土體邊坡失穩(wěn)、邊坡變形、地基變形、巖溶滲透塌陷等均屬于巖土體的滲透穩(wěn)定問題。水在孔隙介質(zhì)中的滲透問題，塌陷等均屬于巖土體的滲透穩(wěn)定問題。水在孔隙介質(zhì)中的滲透問題，目前的研究在試驗(yàn)及理論上都有一定的水平，在解決實(shí)

2、際問題方面也目前的研究在試驗(yàn)及理論上都有一定的水平，在解決實(shí)際問題方面也能夠較好地反映土在孔隙介質(zhì)中的滲流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律能夠較好地反映土在孔隙介質(zhì)中的滲流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 在一定的水力梯度或壓力作用下，巖石能被水透過的性質(zhì)，稱為透水性。在一定的水力梯度或壓力作用下，巖石能被水透過的性質(zhì)，稱為透水性。對(duì)孔隙介質(zhì)巖體，一般認(rèn)為，水在巖石中的流動(dòng)，如同水在土中流動(dòng)一樣，對(duì)孔隙介質(zhì)巖體，一般認(rèn)為，水在巖石中的流動(dòng)，如同水在土中流動(dòng)一樣，也服從于線性滲流規(guī)律也服從于線性滲流規(guī)律達(dá)西定律；達(dá)西定律；滲透系數(shù)是表征巖石透水性的重要指標(biāo)，其大小取決于巖石中空隙、裂隙滲透系數(shù)是表征巖石透水性的重要指標(biāo)，其大小取決于巖石

3、中空隙、裂隙的數(shù)量、規(guī)模及連通情況等，并可在室內(nèi)根據(jù)達(dá)西定律測(cè)定。的數(shù)量、規(guī)模及連通情況等，并可在室內(nèi)根據(jù)達(dá)西定律測(cè)定。巖石的滲透性一般都很小，遠(yuǎn)小于相應(yīng)巖體的透水性，新鮮致密巖石的滲巖石的滲透性一般都很小，遠(yuǎn)小于相應(yīng)巖體的透水性，新鮮致密巖石的滲透系數(shù)一般均小于透系數(shù)一般均小于1010-7-7cm/scm/s量級(jí)。量級(jí)。同一種巖石，有裂隙發(fā)育時(shí)，滲透系數(shù)急劇增大，一般比新鮮巖石大同一種巖石，有裂隙發(fā)育時(shí)，滲透系數(shù)急劇增大，一般比新鮮巖石大4 46 6個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至更大，說明空隙性對(duì)巖石透水性的影響是很大的個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至更大，說明空隙性對(duì)巖石透水性的影響是很大的 巖石的透水性巖石的透水性：2.

4、2 2.2 巖土體的滲透性巖土體的滲透性巖體的滲透性是一個(gè)復(fù)雜的問題，根據(jù)目前的研究，巖體的滲透性是一個(gè)復(fù)雜的問題，根據(jù)目前的研究，巖體的滲流大體可劃分為準(zhǔn)均勻介質(zhì)滲流、裂隙性介巖體的滲流大體可劃分為準(zhǔn)均勻介質(zhì)滲流、裂隙性介質(zhì)滲流和巖溶性介質(zhì)滲流三種。質(zhì)滲流和巖溶性介質(zhì)滲流三種。(1)(1)準(zhǔn)均勻介質(zhì)滲流：準(zhǔn)均勻介質(zhì)滲流： 屬于這一類型的有全、強(qiáng)風(fēng)化屬于這一類型的有全、強(qiáng)風(fēng)化帶及弱風(fēng)化帶的中上部的多孔隙砂巖。在該滲流場(chǎng)中，帶及弱風(fēng)化帶的中上部的多孔隙砂巖。在該滲流場(chǎng)中，達(dá)西定律基本上適用；達(dá)西定律基本上適用；(2)(2) 裂隙性介質(zhì)滲流：裂隙性介質(zhì)滲流是巖體滲流的裂隙性介質(zhì)滲流：裂隙性介質(zhì)滲流

5、是巖體滲流的基本形式，水的滲流主要受裂隙的類型、裂隙的大小、基本形式，水的滲流主要受裂隙的類型、裂隙的大小、裂隙的產(chǎn)狀及裂隙充填情況所控制。裂隙的產(chǎn)狀及裂隙充填情況所控制。 巖體的滲透性巖體的滲透性：2.2 2.2 巖土體的滲透性巖土體的滲透性(3)(3)巖溶介質(zhì)滲流：巖溶介質(zhì)滲流是巖體滲流最復(fù)雜的一種形式，由巖溶介質(zhì)滲流：巖溶介質(zhì)滲流是巖體滲流最復(fù)雜的一種形式，由于受巖溶的發(fā)育規(guī)律所控制，巖溶的滲流具有間歇性、隱伏性、封閉于受巖溶的發(fā)育規(guī)律所控制，巖溶的滲流具有間歇性、隱伏性、封閉性和地下水系等特點(diǎn)。性和地下水系等特點(diǎn)。巖溶介質(zhì)滲流的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：巖溶介質(zhì)滲流的復(fù)雜性主要表現(xiàn)

6、在以下三個(gè)方面：多循環(huán)系統(tǒng)共存多循環(huán)系統(tǒng)共存 這是巖溶介質(zhì)滲流最突出的特點(diǎn)之一。如一個(gè)這是巖溶介質(zhì)滲流最突出的特點(diǎn)之一。如一個(gè)泉眼可能是一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的排泄點(diǎn)，也可能是幾個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的排泄點(diǎn)。泉眼可能是一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的排泄點(diǎn)，也可能是幾個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的排泄點(diǎn)。同時(shí)，單個(gè)系統(tǒng)在空間上可以相互交叉。同時(shí)，單個(gè)系統(tǒng)在空間上可以相互交叉。裂隙性滲流與管道型滲流共存。裂隙性滲流與管道型滲流共存。多種滲流特征參數(shù)共存。多種滲流特征參數(shù)共存。 巖體的滲透性巖體的滲透性：2.2 2.2 巖土體的滲透性巖土體的滲透性水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范（GB50287-99）規(guī)定，巖土滲透性可按表規(guī)定，巖土滲

7、透性可按表23分級(jí)。分級(jí)。 巖土滲透性分級(jí)巖土滲透性分級(jí)：2.2 2.2 巖土體的滲透性巖土體的滲透性滲透性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)巖體特征土類滲透系數(shù)k（cm/s）透水率q（Lu）極微透水K10-6q0.1完整巖石，含等價(jià)開度0.025mm裂隙的巖體粘土微透水10-6K10-50.1q1含等價(jià)開度0.0250.05mm裂隙的巖體粘土粉土弱透水10-5K10-41q10含等價(jià)開度0.050.01mm裂隙的巖體粉土細(xì)粒土質(zhì)砂中等透水10-4K10-210q100含等價(jià)開度0.010.5mm裂隙的巖體砂砂礫強(qiáng)透水10-2K2.5mm裂隙的巖體粒徑均勻的巨礫壩基下的滲透水流，使巖土體中的某些顆粒移動(dòng)或顆粒成分、結(jié)構(gòu)

8、壩基下的滲透水流，使巖土體中的某些顆粒移動(dòng)或顆粒成分、結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為滲透變形或滲透破壞。滲透變形對(duì)土石壩穩(wěn)定影發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為滲透變形或滲透破壞。滲透變形對(duì)土石壩穩(wěn)定影響極大，響極大，據(jù)美國(guó)發(fā)表的資料，在破壞的土石壩中，有據(jù)美國(guó)發(fā)表的資料，在破壞的土石壩中，有4040是由于壩基或壩體是由于壩基或壩體土的滲透變形所造成。土的滲透變形所造成。我國(guó)對(duì)有問題的土石壩的調(diào)查發(fā)現(xiàn)其中由滲透變形所引起者竟達(dá)我國(guó)對(duì)有問題的土石壩的調(diào)查發(fā)現(xiàn)其中由滲透變形所引起者竟達(dá)6060。四川陳倉水庫條石拱壩的實(shí)事便是一例。該壩由于清基不徹底，。四川陳倉水庫條石拱壩的實(shí)事便是一例。該壩由于清基不徹底，在三號(hào)拱基下發(fā)

9、生滲透變形，不僅把紅色風(fēng)化泥巖裂隙中的粘土沖蝕，在三號(hào)拱基下發(fā)生滲透變形，不僅把紅色風(fēng)化泥巖裂隙中的粘土沖蝕，而且把泥巖也沖蝕了而且把泥巖也沖蝕了7m7m深，連同被沖蝕的壩身成為一個(gè)高深，連同被沖蝕的壩身成為一個(gè)高13m13m，寬寬8m8m的沖蝕洞。的沖蝕洞。壩基滲透變形的主要類型是壩基滲透變形的主要類型是管涌和流土管涌和流土。 壩基下的滲透壩基下的滲透：2.3 2.3 壩基滲透穩(wěn)定性分析壩基滲透穩(wěn)定性分析在工程地質(zhì)勘測(cè)的基礎(chǔ)上壩基滲透穩(wěn)定性的分析步驟如下：在工程地質(zhì)勘測(cè)的基礎(chǔ)上壩基滲透穩(wěn)定性的分析步驟如下：（1 1）在宏觀第四紀(jì)地層結(jié)構(gòu)分析或軟弱夾層研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行壩）在宏觀第四紀(jì)地層結(jié)構(gòu)

10、分析或軟弱夾層研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行壩基滲透變形特征的分段?；鶟B透變形特征的分段。（2 2）根據(jù)巖性和顆粒分析以及物理分析試驗(yàn)資料，對(duì)各地段進(jìn)行滲）根據(jù)巖性和顆粒分析以及物理分析試驗(yàn)資料，對(duì)各地段進(jìn)行滲透變形類型的預(yù)測(cè)。透變形類型的預(yù)測(cè)。（3 3）確定壩基各點(diǎn)的實(shí)際水力坡降。確定方法有理論計(jì)算法、流網(wǎng)）確定壩基各點(diǎn)的實(shí)際水力坡降。確定方法有理論計(jì)算法、流網(wǎng)法、水電比擬法和觀察法等。初步判定可用計(jì)算法。法、水電比擬法和觀察法等。初步判定可用計(jì)算法。 雙層結(jié)構(gòu)且透水層厚度穩(wěn)定，壩下溢出平均水力坡度雙層結(jié)構(gòu)且透水層厚度穩(wěn)定，壩下溢出平均水力坡度為：為：2.3 2.3 壩基滲透穩(wěn)定性分析壩基滲透穩(wěn)定性分析

11、2502211121.)M/KML(KM)/-H(HI（4 4）確定臨界水力坡降。確定臨界水力坡降有計(jì)算法、試驗(yàn)法和經(jīng)驗(yàn)數(shù)值）確定臨界水力坡降。確定臨界水力坡降有計(jì)算法、試驗(yàn)法和經(jīng)驗(yàn)數(shù)值法。法。計(jì)算法，臨界水力坡降可用式（計(jì)算法，臨界水力坡降可用式（2-72-7）計(jì)算。）計(jì)算。試驗(yàn)法試驗(yàn)法 確定臨界水力坡降的試驗(yàn)法有室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。室內(nèi)試確定臨界水力坡降的試驗(yàn)法有室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)多在透明的有機(jī)玻璃滲透儀或水槽中進(jìn)行（圖驗(yàn)多在透明的有機(jī)玻璃滲透儀或水槽中進(jìn)行（圖2-8和圖和圖2-9）。）。 2.3 2.3 壩基滲透穩(wěn)定性分析壩基滲透穩(wěn)定性分析現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn)對(duì)于砂礫石土類有堤壩式

12、、圍堰式、現(xiàn)場(chǎng)試件式現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn)對(duì)于砂礫石土類有堤壩式、圍堰式、現(xiàn)場(chǎng)試件式等，以堤壩式較好。等，以堤壩式較好。 2.3 2.3 壩基滲透穩(wěn)定性分析壩基滲透穩(wěn)定性分析如壩基下不深處有粘土隔水層，如壩基下不深處有粘土隔水層，則可使隔水墻嵌入粘土層，將試則可使隔水墻嵌入粘土層，將試驗(yàn)砂礫層全部封閉起來（圖驗(yàn)砂礫層全部封閉起來（圖2-10）。如粘土層很深，可用半封）。如粘土層很深，可用半封閉或不封閉堤壩式（隔水墻深為閉或不封閉堤壩式（隔水墻深為設(shè)計(jì)水頭的設(shè)計(jì)水頭的1/2）。試驗(yàn)壩的底寬）。試驗(yàn)壩的底寬和長(zhǎng)度分別為設(shè)計(jì)壩的和長(zhǎng)度分別為設(shè)計(jì)壩的1/100和和1/200。 軟弱夾層滲透變形現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)有輻射

13、流法和平行流法。前者是用一個(gè)軟弱夾層滲透變形現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)有輻射流法和平行流法。前者是用一個(gè)主壓水孔，產(chǎn)生輻射滲透，在四周打孔，挖坑觀測(cè)；后者是打一排孔主壓水孔，產(chǎn)生輻射滲透，在四周打孔，挖坑觀測(cè)；后者是打一排孔聯(lián)合壓水，使試驗(yàn)地段的中心地帶，產(chǎn)生近于平行流滲透，后一種方聯(lián)合壓水，使試驗(yàn)地段的中心地帶，產(chǎn)生近于平行流滲透，后一種方法與壩基實(shí)際滲流狀態(tài)接近，具體布置如圖法與壩基實(shí)際滲流狀態(tài)接近，具體布置如圖2-11。 2.3 2.3 壩基滲透穩(wěn)定性分析壩基滲透穩(wěn)定性分析圖圖2-11軟弱夾層現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn)布置圖軟弱夾層現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn)布置圖現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也是逐級(jí)升壓，逐級(jí)穩(wěn)定，并經(jīng)歷試驗(yàn)與逐級(jí)減壓兩個(gè)階現(xiàn)場(chǎng)

14、試驗(yàn)也是逐級(jí)升壓，逐級(jí)穩(wěn)定，并經(jīng)歷試驗(yàn)與逐級(jí)減壓兩個(gè)階段。一般在每級(jí)壓力下要穩(wěn)定段。一般在每級(jí)壓力下要穩(wěn)定23h，所以試驗(yàn)歷時(shí)較長(zhǎng)。試驗(yàn)結(jié)束，所以試驗(yàn)歷時(shí)較長(zhǎng)。試驗(yàn)結(jié)束，繪制流量與壓力關(guān)系曲線或繪制流量與壓力關(guān)系曲線或1gI1gv關(guān)系曲線，以曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)求出關(guān)系曲線，以曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)求出I。（圖圖2-12） 2.3 2.3 壩基滲透穩(wěn)定性分析壩基滲透穩(wěn)定性分析控制壩基及地基的滲流，其主要任務(wù)可歸結(jié)為三點(diǎn)：控制壩基及地基的滲流，其主要任務(wù)可歸結(jié)為三點(diǎn)：一是盡量減少滲漏量；一是盡量減少滲漏量；二是提早釋放滲透壓力，保證地基與水工建筑物有足夠的靜力穩(wěn)定二是提早釋放滲透壓力，保證地基與水工建筑物有足夠的靜力

15、穩(wěn)定性；性；三是防止?jié)B透破壞，保證滲透穩(wěn)定性。三是防止?jié)B透破壞，保證滲透穩(wěn)定性。滲透變形的防治措施可分為滲流水動(dòng)力條件改變、滲流出口滲透變形的防治措施可分為滲流水動(dòng)力條件改變、滲流出口保護(hù)和土石性質(zhì)改善等三個(gè)方面。保護(hù)和土石性質(zhì)改善等三個(gè)方面。 2.4 2.4 滲透變形的防治措施滲透變形的防治措施這種防治措施主要采用人工降低地下水位的方法，使地下水位或水這種防治措施主要采用人工降低地下水位的方法，使地下水位或水頭低于基坑底板。其目的是在防治流砂的同時(shí)，又防止了地下水涌入頭低于基坑底板。其目的是在防治流砂的同時(shí)，又防止了地下水涌入基坑。也可采用板樁防護(hù)墻施工?；印Ｒ部刹捎冒鍢斗雷o(hù)墻施工。水平坑

16、道、豎井開挖遇流砂時(shí)，前者可采用盾構(gòu)法施工，后者采用水平坑道、豎井開挖遇流砂時(shí)，前者可采用盾構(gòu)法施工，后者采用沉井式支護(hù)掘井。沉井式支護(hù)掘井。目前工程中也可采用凍結(jié)法或電動(dòng)硅化法改善砂土性質(zhì)，使施工順目前工程中也可采用凍結(jié)法或電動(dòng)硅化法改善砂土性質(zhì)，使施工順利進(jìn)行。利進(jìn)行。 1)建筑物深挖基坑及地下巷道施工時(shí)流砂破壞的防治建筑物深挖基坑及地下巷道施工時(shí)流砂破壞的防治2.4 2.4 滲透變形的防治措施滲透變形的防治措施通過在過濾管與井壁間充填反濾料，以保護(hù)滲流出口。通過在過濾管與井壁間充填反濾料，以保護(hù)滲流出口。反濾料的粒徑選擇必須考慮到被保護(hù)的含水層中潛蝕顆粒的反濾料的粒徑選擇必須考慮到被保護(hù)

17、的含水層中潛蝕顆粒的大小，以細(xì)顆粒不能穿過反濾料孔隙為原則。大小，以細(xì)顆粒不能穿過反濾料孔隙為原則。 2)抽水井防止管涌的措施抽水井防止管涌的措施2.4 2.4 滲透變形的防治措施滲透變形的防治措施壩基有巖基和非巖基兩大類，非巖基也稱為松散地基。對(duì)松散地基壩基有巖基和非巖基兩大類，非巖基也稱為松散地基。對(duì)松散地基的滲流通常采用垂直和水平兩種控制手段，具體措施有：的滲流通常采用垂直和水平兩種控制手段，具體措施有：設(shè)置截水槽；設(shè)置截水槽；澆筑混凝土防滲墻或灌漿帷幕；澆筑混凝土防滲墻或灌漿帷幕；鋪筑上游水平防滲鋪蓋。鋪筑上游水平防滲鋪蓋。土石壩基的滲流控制主要是防滲和保證滲透穩(wěn)定，如我國(guó)黃河小浪土石

18、壩基的滲流控制主要是防滲和保證滲透穩(wěn)定，如我國(guó)黃河小浪底工程高底工程高154m的土石壩及三峽工程二期圍堰堰體等均采用防滲墻和的土石壩及三峽工程二期圍堰堰體等均采用防滲墻和防滲帷幕灌漿結(jié)合防止壩基滲流。防滲帷幕灌漿結(jié)合防止壩基滲流。 3)土石壩壩基滲流控制措施土石壩壩基滲流控制措施2.4 2.4 滲透變形的防治措施滲透變形的防治措施(1)防滲帷幕 在大壩靠上游面的地基中，平行壩鈾線打一排或幾排鉆孔，在在大壩靠上游面的地基中，平行壩鈾線打一排或幾排鉆孔，在高壓下將水泥等漿液壓入基巖的裂隙或斷層破碎帶中，待凝固后高壓下將水泥等漿液壓入基巖的裂隙或斷層破碎帶中，待凝固后就形成一道隔水的屏幕，稱為防滲帷幕。帷幕的深度、厚度、灌就形成一道隔水的屏幕，稱為防滲帷幕。帷幕的深度、厚度、灌漿孔距、排距、灌漿壓等參數(shù)，應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件、漿孔距、排距、灌漿壓等參數(shù)，應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件、建筑物規(guī)模及其防滲要求綜合考慮，最好由現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)確定。建筑物規(guī)模及其防滲要求綜合考慮，最好由現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)確定。 3)土石壩壩基滲流控制措施土石壩壩基滲流控制措施2.4 2.4 滲透變形的防治措施滲透變形的防治措施圖2-13 砂礫石壩基防滲處理示意圖 (2)防滲墻