項目4 土的滲透性及滲透變形防治

1、蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系判斷土的滲透變形及防治措施判斷土的滲透變形及防治措施2 2項目項目4 4 土的滲透性及滲透變形防治土的滲透性及滲透變形防治1確定土的滲透性確定土的滲透性1 1工作任務工作任務蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系學習步驟學習步驟咨咨 詢詢決決 策策計計 劃劃實實 施施檢檢 查查評評 價價蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系工作任務：常水頭滲透試驗工作任務：常水頭滲透試驗測定土的滲透系數(shù)，分析天然地基、堤壩和基坑開挖測定土的滲透系數(shù)，分析天然地基、堤壩和基坑開挖邊坡的滲流穩(wěn)定，以確定土的滲透變形，為施工選料邊坡的滲流穩(wěn)定，以確定土的滲透變形，為施工選料等提供指標和依據(jù)

2、。等提供指標和依據(jù)。試驗目的試驗目的儀器設備儀器設備（1 1）7070型滲透儀：由金屬封底圓筒、金屬孔板、濾網(wǎng)、型滲透儀：由金屬封底圓筒、金屬孔板、濾網(wǎng)、測壓管和供水瓶組成。測壓管和供水瓶組成。（2 2）溫度計：分度值）溫度計：分度值0.50.5o oC C。（3 3）其他：木擊錘、秒表、天平、量杯等。）其他：木擊錘、秒表、天平、量杯等。咨詢：工作任務咨詢：工作任務蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識1.1 1.1 達西定律達西定律ikAqv滲透定律滲透定律: :在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v v與水力坡降與水力坡降i i的一次方成正比，并

3、與土的性質有關。的一次方成正比，并與土的性質有關。iv V V：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度V V：實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度：實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度k: k: 反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)物理意義：水力坡降物理意義：水力坡降i i1 1時的滲流速度時的滲流速度單位：單位：mm/s, cm/s, m/s, m/daymm/s, cm/s, m/s, m/day任務任務1 1 確定土的滲透性確定土的滲透性1 1 達西定律及適用范圍達西定律及適用范圍蘭州資源

4、環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識粗粒土：粗粒土：在純礫以上的很粗的粗粒土如堆在純礫以上的很粗的粗粒土如堆石體中，在水力坡降較大時，達石體中，在水力坡降較大時，達西定律不再適用西定律不再適用1.2 1.2 達西定律的適用范圍達西定律的適用范圍ivovcrivib層流（線性流）層流（線性流）大部分砂土，粉土；疏松大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土的粘土及砂性較重的粘性土粘性土：粘性土：致密的粘土存在起始水力坡降致密的粘土存在起始水力坡降 iib, v=k(i - ib )ikv biikvikv 蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識1.3

5、 1.3 影響滲透系數(shù)的主要因素影響滲透系數(shù)的主要因素1.3.1 1.3.1 土粒大小與級配土粒大小與級配 細粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時，砂細粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。土的滲透系數(shù)就會大大減小。 1.3.21.3.2土的密實度土的密實度 1.3.3 1.3.3 水的溫度水的溫度 同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實度增大，孔隙同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小，比降低，土的滲透性也減小，k k值愈小。值愈小。 動力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生

6、明顯的變化。水溫愈高，水的動力粘滯系數(shù)愈小，動力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動力粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。土的滲透系數(shù)則愈大。1.3.4 1.3.4 封閉氣體的含量封閉氣體的含量 一般情況下飽和度愈低，一般情況下飽和度愈低， k k值愈小。這是因為低飽和土中的孔隙中存在較值愈小。這是因為低飽和土中的孔隙中存在較多氣泡減小過水斷面積，阻塞滲流通道。多氣泡減小過水斷面積，阻塞滲流通道。2020TTkkT、20分別為分別為T和和20時水的動時水的動力粘滯系數(shù)，可查表力粘滯系數(shù)，可查表 蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識2 滲透系數(shù)的測定AtLhkk

7、iAtqtV時間時間t內流出的水量內流出的水量hAtVLk 2.1 常水頭試驗常水頭試驗整個試驗整個試驗過程中水頭保持不變過程中水頭保持不變 適用于透水性大（適用于透水性大（k103cm/s）的土，例如砂土。的土，例如砂土。 蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識2.2變水頭試驗變水頭試驗整個試驗過程水頭隨時間變化整個試驗過程水頭隨時間變化 截面面積截面面積a任一時刻任一時刻t的水頭差為的水頭差為h，經時段，經時段dt后，細玻璃管中水位降落后，細玻璃管中水位降落dh，在時段在時段dt內流經試樣的水量內流經試樣的水量 dV=adh 在時段在時段dt內流經試樣的水量內流經試

8、樣的水量 dV=kiAdt=kAh/Ldt 管內減少水量流經試樣水量管內減少水量流經試樣水量 adh=kAh/Ldt 分離變量積分分離變量積分 2112lnhhttAaLk2112lg3 .2hhttAaLk適用于透水性差，滲透系數(shù)適用于透水性差，滲透系數(shù)小的粘性土小的粘性土 蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識常水頭試驗常水頭試驗變水頭試驗變水頭試驗條件條件已知已知測定測定算定算定取值取值h=consth變化變化h，A，LQ，t重復試驗后，取均值重復試驗后，取均值a，A，Lh，t 2112lnhhttAaLk QLk=Aht不同時段試驗，取均值不同時段試驗，取均值適

9、用適用粗粒土粗粒土粘性土粘性土蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識2.32.3成層土的滲透系數(shù)成層土的滲透系數(shù)2.3.1 水平滲透系數(shù)水平滲透系數(shù) H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通過整個土層的總滲流量通過整個土層的總滲流量qx應為各土層滲流量之總和應為各土層滲流量之總和 niixnxxxxqqqqq121iHkqxx達西定律達西定律nnniixiHkiHkiHkq22111整個土層與層面平整個土層與層面平行的等效滲透系數(shù)行的等效滲透系數(shù) 平均滲透系數(shù)平均滲透系數(shù)niiixHkHk11蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識2.3

10、.2 垂直滲透系數(shù)垂直滲透系數(shù) H1H2H3k1k2k3H根據(jù)水流連續(xù)定理，通過根據(jù)水流連續(xù)定理，通過整個土層整個土層的滲流量等于通過的滲流量等于通過各土層各土層的滲流量的滲流量 nyyyyqqqq21垂直滲垂直滲透系數(shù)透系數(shù)q3yq2yq1yqy各土層的相應的水力坡降為各土層的相應的水力坡降為i1、i2、in，總的水力坡降為，總的水力坡降為i AikAikAikiAknny2211總水頭損失等于各層總水頭損失等于各層水頭損失之和水頭損失之和 nniHiHiHHi2211代入代入nnnnyikikikHiHiHiHk22112211)(1整個土層與層面垂直整個土層與層面垂直的等效滲透系數(shù)的等效

11、滲透系數(shù) nnykHkHkHHk2211蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識1.1 1.1 滲透力滲透力任務任務2 2 判斷土的滲透變形計滲透變形的防治措施判斷土的滲透變形計滲透變形的防治措施1 1 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形h2h1h21L水流流經這段土體，受水流流經這段土體，受到土顆粒的阻力，阻力到土顆粒的阻力，阻力引起的水頭損失為引起的水頭損失為hhAfwhAfjw滲流力的大小與水力梯度成正比，滲流力的大小與水力梯度成正比，其作用方向與滲流（或流向）方向其作用方向與滲流（或流向）方向一致，是一種體積力。一致，是一種體積力。土粒對水流的阻力為土粒對水流的阻力

12、為 水流對土粒的滲透力為水流對土粒的滲透力為 蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識滲流作用于單位土體的力滲流作用于單位土體的力wwiALhAALjJ說明：說明：滲透力滲透力J是滲流對單位土體的作用力，是一種體積力，其是滲流對單位土體的作用力，是一種體積力，其大小與水力坡降成正比，作用方向與大小與水力坡降成正比，作用方向與滲流方向滲流方向一致，單位為一致，單位為kN/m3 abc滲透力方向與滲透力方向與重力一致，促重力一致，促使土體壓密、使土體壓密、強度提高，有強度提高，有利于土體穩(wěn)定利于土體穩(wěn)定滲流方向近乎水平，使?jié)B流方向近乎水平，使土粒產生向下游移動的土粒產生向下游

13、移動的趨勢，對穩(wěn)定不利趨勢，對穩(wěn)定不利滲流力與重力方向相滲流力與重力方向相反，當滲透力大于土反，當滲透力大于土體的有效重度，土粒體的有效重度，土粒將被水流沖出將被水流沖出蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識1.2 1.2 滲透變形的基本形式滲透變形的基本形式 滲透水流將土體的細顆粒沖走、帶走或局部土體產生移動，滲透水流將土體的細顆粒沖走、帶走或局部土體產生移動，導致土體變形導致土體變形滲透變形問題（流土，管涌）滲透變形問題（流土，管涌） 1.2.1流土流土在滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內在滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內土土 粒群同時發(fā)生移動的現(xiàn)

14、象。粒群同時發(fā)生移動的現(xiàn)象。 蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處，不發(fā)生于土體內部。開流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處，不發(fā)生于土體內部。開挖基坑或渠道時常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。細砂、粉砂、挖基坑或渠道時常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。細砂、粉砂、淤泥等較易發(fā)生流土破壞。淤泥等較易發(fā)生流土破壞。 蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識1.2.2 管涌管涌在滲流作用下，無粘性土中的細小顆粒通過較大顆在滲流作用下，無粘性土中的細小顆粒通過較大顆粒的孔隙，發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象。粒的孔隙，發(fā)生移動并被帶出

15、的現(xiàn)象。 土體在滲透水流作用下，細小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成土體在滲透水流作用下，細小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成能穿越地基的細管狀滲流通道，掏空地基或壩體，使其變形或失能穿越地基的細管狀滲流通道，掏空地基或壩體，使其變形或失穩(wěn)。管涌既可以發(fā)生在土體內部，也可以發(fā)生在滲流出口處，發(fā)穩(wěn)。管涌既可以發(fā)生在土體內部，也可以發(fā)生在滲流出口處，發(fā)展一般有個時間過程，是一種漸進性的破壞。展一般有個時間過程，是一種漸進性的破壞。 蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識1.2.3流土與管涌的判別流土與管涌的判別滲透變形的形式與土的類別、顆粒級滲透變形的形式與土的類別、顆粒級配以

16、及水力條件等因素有關配以及水力條件等因素有關 粘性土由于粒間具有粘聚力，粘結較緊，一般不出現(xiàn)管涌而粘性土由于粒間具有粘聚力，粘結較緊，一般不出現(xiàn)管涌而只發(fā)生流土破壞；一般認為不均勻系數(shù)只發(fā)生流土破壞；一般認為不均勻系數(shù)Cu10的勻粒砂土，在的勻粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地區(qū)較易發(fā)生流土破壞一定的水力梯度下，局部地區(qū)較易發(fā)生流土破壞 對對Cu10的砂和礫石、卵石，分兩種情況的砂和礫石、卵石，分兩種情況: :（1）當孔隙中細粒含量較少（小于當孔隙中細粒含量較少（小于30%）時，由于阻力較小，）時，由于阻力較小，只要較小的水力坡降，就易發(fā)生管涌只要較小的水力坡降，就易發(fā)生管涌（2）如孔隙中細粒

17、含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時細料如孔隙中細粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時細料含量約為含量約為30%35%），此時的阻力最大，一般不出現(xiàn)管涌），此時的阻力最大，一般不出現(xiàn)管涌而會發(fā)生流土現(xiàn)象而會發(fā)生流土現(xiàn)象蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識流土與管涌的比較流土與管涌的比較 流土流土土體局部范圍的顆粒同時土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動發(fā)生移動管涌管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中可發(fā)生在任何土中破壞過程短破壞過程短導致下游坡面產生局部滑動等導致下游坡面產生局部滑動等現(xiàn)象現(xiàn)象位置位置土類土類歷時歷時

18、后果后果土體內細顆粒通過粗粒形成土體內細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內部和滲流可發(fā)生于土體內部和滲流溢出處溢出處一般發(fā)生在特定級配的一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長破壞過程相對較長導致結構發(fā)生塌陷或潰口導致結構發(fā)生塌陷或潰口蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識1.3 1.3 流土和管涌的臨界水力坡降流土和管涌的臨界水力坡降 scrFiiiFs: 安全系數(shù)安全系數(shù)1.52.0 i : 允許坡降允許坡降F i icr :土體發(fā)生流土破壞土體發(fā)生流土破壞n 工程設計：工程設計：n 在自下而上的滲流逸出處

19、，任何土，包括粘性土和在自下而上的滲流逸出處，任何土，包括粘性土和無粘性土，只要滿足滲透坡降大于臨界水力坡降這無粘性土，只要滿足滲透坡降大于臨界水力坡降這一水力條件，均要發(fā)生流土：一水力條件，均要發(fā)生流土：1.3.1 1.3.1 流土的臨界水力坡降流土的臨界水力坡降)1)(1(nGiscr蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識1.3.2 1.3.2 管涌的臨界水力坡降管涌的臨界水力坡降管涌土的臨界水力梯度可通過公式計算，也可以通過試驗來測定。試驗時管涌土的臨界水力梯度可通過公式計算，也可以通過試驗來測定。試驗時除了根據(jù)肉眼觀察細土粒的移動來判斷管涌外，還可借助于水力梯度

20、除了根據(jù)肉眼觀察細土粒的移動來判斷管涌外，還可借助于水力梯度i i與流與流速速v v之間的變化來判斷管涌是否出現(xiàn)。之間的變化來判斷管涌是否出現(xiàn)。2052)1)(1(2 . 2ddnGiscr蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識2 2 滲透變形的防治滲透變形的防治2.1水工建筑物防滲措施水工建筑物防滲措施 水工建筑物的防滲工程措施一般以水工建筑物的防滲工程措施一般以“上堵下疏上堵下疏”為原則，上為原則，上游截滲、延長滲徑，下游通暢滲透水流，減小滲透壓力，防止?jié)B游截滲、延長滲徑，下游通暢滲透水流，減小滲透壓力，防止?jié)B透變形。透變形。 垂直截滲垂直截滲 主要目的主要目的:

21、:延長滲徑，降低上、下游的水力坡度，若垂直截滲能延長滲徑，降低上、下游的水力坡度，若垂直截滲能完全截斷透水層，防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁完全截斷透水層，防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁等均屬于垂直截滲。等均屬于垂直截滲。 蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識設置水平鋪蓋設置水平鋪蓋 上游設置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長了水流滲透路徑。上游設置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長了水流滲透路徑。 粘土鋪蓋粘土鋪蓋設置反濾層設置反濾層 砂墊層砂墊層水位水位加筋土工布加筋土工布回填中粗砂回填中粗砂拋石棱體拋石棱體設置反濾層，既可通暢水流，又起到保護土體

22、、防止細粒流失而產生滲透變形設置反濾層，既可通暢水流，又起到保護土體、防止細粒流失而產生滲透變形的作用。的作用。蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識排水減壓排水減壓 粘性土粘性土含水層含水層減壓井減壓井為減小下游滲透壓力，在水工建筑物下游、基坑開挖時，設置減壓井或深為減小下游滲透壓力，在水工建筑物下游、基坑開挖時，設置減壓井或深挖排水槽。挖排水槽。 蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識2.2 基坑開挖防滲措施基坑開挖防滲措施工程降水工程降水 采用明溝排水和井點降水的方法人工降低地下水位。采用明溝排水和井點降水的方法人工降低地下水位。在基坑內（

23、外）設置排在基坑內（外）設置排水溝、集水井，用抽水水溝、集水井，用抽水設備將地下水從排水溝設備將地下水從排水溝或集水井排出或集水井排出原地下水位原地下水位明溝排水明溝排水原水位面原水位面一級抽水后水位一級抽水后水位二級抽水后水位二級抽水后水位多級井點降水多級井點降水要求地下水位降得較深，要求地下水位降得較深，采用井點降水。在基坑周采用井點降水。在基坑周圍布置一排至幾排井點，圍布置一排至幾排井點，從井中抽水降低水位從井中抽水降低水位 蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術學院水利工程系咨詢：相關知識咨詢：相關知識設置板樁設置板樁 沿坑壁打入板樁，它一方面可以加固坑壁，同時增加了地沿坑壁打入板樁，它一方面可以加固坑壁，同時增加了地下水