渗透变形分析

渗透变形的工程地质分析班级：2012级水利水电建筑工程4班姓名:杨鹏学号：2011011120指导教师：杨普济1、渗透变形的工程地质分析渗透变形：岩土体在地下水渗透力（动水压力）的作用下，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。表现为鼓胀、浮动、断裂、泉眼、沙浮、土体翻动等。渗透水流作用于岩土上的力称为渗透水压或动水压力，只要有渗流存在就存在这种压力，当此力达到一定大小时，岩土中的某颗粒就会被渗透水流携带和搬运，从而引起沿岩土的结构变松，强度降低，甚至整体发生破坏。在土堤、土坝、闸坝地基和基坑边坡中均可能发生，严重时将导致工程的失事。渗透变形的形式一般有管涌与流土、接触冲刷和接触流土等。渗透变形以及与渗透有关的问题是造成堤防在洪水期间险情的主要原因。研究堤基的渗透变形发展过程对于合理的评价堤防的安全性、预测渗透破坏的发生形式以及具体位置、对堤防抢险加固进行科学的指导等,都具有重要的理论和实践意义。堤基渗透变形过程实际上是“土中水”问题转变为“水中土”问题的过程。在渗透变形发生的“集中渗流通道”区域,已经不再满足土力学达西定律,转而满足流体力学方程。本文在模型试验研究的基础上,提出了一套基于渗流-管流耦合的渗透变形发展理论体系,并用无单元计算方法实现了基于上述理论体系的渗透变形过程数值模拟。主要的研究工作和创新性成果包括以下四个方面:1.通过模型试验研究堤基渗透变形发展的规律、机理。采用彩色砂示踪等新方法研究粘土层下砂土的运动情况;在探索悬挂式防渗墙对于抑制堤基渗透变形的作用机理的同时,讨论了防渗墙的不同位置对于其作用效果的影响。2.以模型试验成果为基础,研究堤基渗透变形的内在影响因素。将水力学以及泥沙动力学相关理论引入渗透变形发展过程分析,建立和完善了堤基渗透变形发展理论及判断体系。3.根据上述理论体系,首次提出了渗流与管流耦合的无单元实现方法。利用无单元法的积分网格和节点相互独立的优点,实现了计算过程中渗流域与管流域之间边界的自动实时移动;利用无单元节点删减、移动自由的特点,实现了计算过程中计算节点的局部加密。综合上述三方面的研究成果,编制了适合堤基渗透变形过程模拟的无单元法计算程序,并针对文中的大比例模型试验进行了数值验证。最后选择一个长江堤防的典型断面进行渗透变形过程的数值模拟。从数值分析的角度解释了一些在渗透变形过程中常见的现象,并评价了悬挂式防渗墙对于控制渗透变形的作用效果。实际计算结果表明本文提出的渗透变形理论体系是可行和有效的。水在土中的渗流不仅对于某一接触面作用有浮力,而且土粒本身也受到孔隙水流拖曳力用渗流对于土体作用的孔隙水压力可以分为两种:¹静水压力,即由粒间孔隙中的水所传递的压力,它与土粒间的接触情况无关,对土体骨架的结构形式以及对土的剪应力等力学性质不产生影响;º动水压力,当饱和土体内有水头差时,水体就通过土粒间的孔隙流动,沿渗流方向给土粒以拖曳力,使土粒有前移的趋势。静水压力和动水压力关系着土体的渗透稳定性。虽然静水压力所产生的浮力不直接破坏土体,但它减小了土体的有效重量,降低了土体抵抗破坏的能力。因而,静水压力是一个消极的破坏力,而动水压力所产生的渗透力则是一个积极的破坏力,它影响着渗透变形的破坏程度。用下,表层某一范围内的土颗粒或颗粒群体同时发生移动的现象。管涌是指土体在渗透力作用下,土体中的细颗粒通过在渗透力作用下,土体常产生流土和管涌两种渗透变形。所谓流土是指土体在渗透力作粗颗粒的孔隙被水流冲走的现象。只要堤防的临水侧和背水侧存在水头差，堤防就有渗流产生。随着汛期水位的升高，堤身内的浸润线逐步形成并不断抬高，堤基和堤身内的渗透比降也逐渐增大。当渗流产生的实际渗透比降J大于土的临界渗透比降JC时，土体将产生渗透破坏。堤防的内在隐患会加速渗透破坏的发生和发展。一、渗透破坏的土力学分类和判别渗透破坏也称渗透变形。由于渗流条件和土体条件的不同，渗透破坏的机理、发展过程及后果也不一样。从渗透破坏发生的机理角度，可以将渗透破坏分为四种类型：1.流土在渗透力作用下，土体中的颗粒群同时起动而流失的现象称为流土。这种破坏形式在粘性土和无粘性土中均可以发生。粘性土发生流土破坏的外观表现为：土体隆起、鼓胀、浮动、断裂等。无粘性土发生流土破坏的外观表现是：泉眼（群）、砂沸、土体翻滚最终被渗透托起等。2.管涌在渗透力的作用下，土体中的细颗粒（填料颗粒）沿着土体骨架颗粒间的孔道移动或被带出土体，这种现象叫管涌。它通常发生在砂砾石地层中。3.接触冲刷渗流沿着两种不同介质的接触面流动并带走细颗粒的现象称为接触冲刷。如穿堤建筑物与堤身的结合面和裂缝的渗透破坏等。4.接触流土渗流垂直于两种不同介质的接触面运动，并把一层土的颗粒带入另一土层的现象称为接触流土。这种现象一般发生在颗粒粗细相差较大的两种土层的接触带，如反滤层的机械淤堵等。对粘性土，只有流土、接触冲刷或接触流土三种破坏形式，不可能产生管涌破坏。对无粘性土，则四种破坏形式均可发生。对无粘性土，管涌和流土的判别可以按照表3—1进行。表3－1无粘性土管涌和流土的判别土类土颗粒组成特点渗透变形形式正常级配砂砾石Cu10流土10Cu20流土或管涌Cu20管涌缺少中间颗粒的砂砾石Pz25％-30%管涌Pz30％流土注：Cu为土的不均匀系数，Cu=d60/d10；Pz为小於颗粒级配曲线上断裂点A的粒径含量；d60为过筛重量占60%的颗粒直径，d10为过筛重量占10%的颗粒直径。二、土的抗渗强度土的抗渗强度表明了土体抵抗渗透破坏的能力，包括抗渗临界比降和允许比降。允许比降JB由临界比降JC除以安全系数得到。土的抗渗强度决定于土的性质和渗流条件（渗透破坏形式）两个方面。1.流土流土首先发生于渗流出口，不可能在土体内部直接发生。当渗流自下向上运动时，一旦渗透力克服了重力的作用，则土体就会产生流土破坏，此时土体的临界比降可以通过原状土室内试验求得，也可以由下式近似确定：JC=(ρs/ρw-1)(1-n)(3-1)式中：ρs为土颗粒的密度，ρw为水的密度，n为土体的孔隙率。由公式（3-1）求得的JC偏小，大约小于试验值的15%～25%，这主要是因为在该式中没有考虑土的抗剪强度的影响（包括内摩擦角和凝聚力两个方面），因此也是偏于安全的。表3-2给出了无粘性土不发生流土破坏的允许比降经验值，细砂取小值，较粗的砂土取大值。2.管涌管涌可能发生在渗流出口，也可能发生在土体内部。由于颗粒移动中的堵塞作用，可能会有管涌中断现象发生，有的是暂时性中断，而后继续发生，有的是永久性中断，即发生了自愈情况。还有一种情况，由于土体中细颗粒填料较少，它的带出不影响土体骨架颗粒的稳定，当细颗粒被带完后，只出清水，不出浑水，管涌终止。由于计算管涌临界比降的公式目前还不成熟，因此管涌临界比降一般通过室内试验测定。根据经验，对水流向上的垂直管涌，允许比降一般为0.1～0.25，水平管涌的允许比降为垂直管涌的允许比降乘以摩擦系数tgφ。表3—2给出了无粘性土不发生管涌破坏的允许比降的经验值。表3－2无粘性土抗流土或管涌破坏的允许坡降JB的经验值项目渗透变形型式流土型过渡型管涌型Cu3Cu=3-5Cu5级配连续级配不连续JB0.25-0.350.35-0.500.50-0.800.25-0.400.15-0.250.10-0.153.接触冲刷接触冲刷发生在堤身和堤基的内部，但其颗粒仍旧是从渗流出口处带出。接触冲刷不断发展会形成漏水通道，而引起堤防溃决。在两种性质不同的土层界面上发生接触冲刷时，其临界比降可以通过室内试验或按伊斯托明娜的试验结果（图3－1）获得。图中的纵坐标为接触冲刷的临界比降，横坐标为D10/d10tgφ，其中D10为粗粒土层的有效粒径（过筛重量占总土重10%的颗粒直径），d10为细粒土层的有效粒径，tgφ为细粒和粗粒土层之间的摩擦系数。在土层与刚性建筑物接触界面上发生接触冲刷时，对比一些试验资料和建闸的经验将非管涌土地基的允许渗透比降值列入表3－3，供参考。表中渗透比降的允许值是由临界比降除以1.5的安全系数得到的，但没有考虑渗流出口处的保护。如果渗流出图3－1接触冲刷临界坡降曲线口有反滤保护，则表中的数据可以适当提高30％～50％。表3－3各种土基上水闸设计的允许渗流坡降地基土质类别允许渗流坡降地基土质类别允许渗流坡降水平段Jx出口Jo水平段Jx出口Jo粉砂细砂中砂粗砂中细砾粗砾夹卵石0.05～0.070.07～0.100.10～0.130.13～0.170.17～0.220.22～0.280.25～0.300.30～0.350.35～0.400.40～0.450.45～0.500.50～0.55砂壤土粘壤土夹砂礓土软粘土较坚实粘土极坚实粘土0.15～0.250.25～0.350.30～0.400.40～0.500.50～0.600.40～0.500.50～0.600.60～0.700.70～0.800.80～0.904.接触流土接触流土的抗渗临界比降应通过室内试验获得。5.堤坡的抗冲刷能力当渗流从堤坡上出逸而产生渗水（亦称散浸）后，渗水对堤坡具有一定的冲刷作用，有可能产生渗透破坏。其中最易产生破坏的地方是出逸点。堤坡抗冲刷破坏的临界比降可以用下式估算：Jc=γ'/γw(tgφ-tgβ)cosβ+c/r(3-2)式中：γ'为土的浮容重；γw为水的容重；tgφ为土的摩擦系数；φ为土在水下的内摩擦角；c为土的凝聚力；β为堤坡的坡角。出逸点处的渗流比降为J=sinβ，设土的浮容重为1，忽略凝聚力c，当J=Jc时由式（3-2）得到：tgβ=0.5tgφ（3-3）因此，堤坡不产生冲刷破坏的条件是tgβ0.5tgφ，即坡角的正切必须小于饱和土内摩擦角正切的一半，或者说坡角约等于土的休止角的一半，这是无粘性土堤坡不产生局部冲刷破坏的一个最低要求。6.粘性土的抗渗强度粘性土的渗透破坏特性取决于容重、含水率、粘土矿物成分、交换性阳离子的数量和成份、孔隙液体的含盐浓度和成分等物理化学因素，因此，它远比无粘性土渗透破坏特性复杂。粘性土可分为分散性粘土，非分散性粘土和过渡型粘土。图3－2区别分散性和非分散性粘土图如图3－2，其中A区为分散性粘土，B区为非分散性粘土，C区为过渡性粘土。该图的纵坐标为钠的百分比，横坐标TDS为金属阳离子总量。分散性粘土遇水后土颗粒逐渐脱落而形成悬液，极易被水流带走，其破坏要比细砂和粉土更为容易。而非分散性粘性土由于其凝聚力很大，只会发生流土破坏，不会发生管涌破坏，有反滤保护时，其临界比降可以超过20以上，而一般取4～5为粘性土的抗渗允许坡降7.软弱夹层的抗渗强度软弱夹层的渗透破坏不同于无粘性土，也不同于粘性土，而是介于两者之间。其渗透破坏的特征为：(1)泥夹碎片层，当结构发生破坏时，沿层面出水，出口细粒跳动，形成小洞眼，直至出现渗透通道;(2)含泥沙砾层，当结构破坏时，渗流出口有细粒移动并呈浑水，直至破坏。软弱夹层的抗渗强度应通过试验得到。三、堤防渗透破坏的成因和分类堤防工程中对渗透破坏的分类主要是从宏观现象考虑。比如，由于堤基的渗透破坏在后期多表现为集中渗流对土体的冲刷，并往往冒水翻砂，形如??亦称泡泉），这是宏观上的体验。其实，堤防工程中常说的管涌基本上都是土力学中的流土破坏。（一）堤身渗透破坏的成因和分类堤身的渗透破坏包括三种类型：渗水（散浸）造成的堤坡冲刷、漏洞和集中渗流造成的接触冲刷。分述如下：1.堤坡冲刷堤坡冲刷系由背水堤坡渗水所致。一种是堤坡的出逸比降大于允许比降而产生的渗透破坏，另一种是渗水集中后造成对坡面的水流冲刷。应当说，对背水侧地下水位（或水头）较高的情况，当发生持续高水位时堤坡渗水是必然的。关键是出逸点不应过高，渗流量不应过大，以免造成堤坡的渗透破坏和水流冲刷，甚至导致滑坡，对这种有害渗水必须采取措施进行除险。造成出逸点过高的主要原因有：堤身断面宽度不够，堤坡偏陡；堤身尤其是后加高的堤身透水性强，或填筑层面明显，导致堤身的水平向渗透系数偏大；新老堤身、堤段施工接头处存在薄弱结合面。如清基不彻底或根本未清基，堤段结合部压实不密