坝基土体渗透变形分析(作业)

坝基土体渗透变形分析一、目的通过某土坝坝基工程地质条件分析，学会预测坝基渗透稳定性的步骤和方法，进—步掌握实际水力梯度、临界水力梯度和允许水力梯度的概念。二、已知条件2.1水工设计在某河段第四系松软地基上修筑—均质土坝，最大坝高37m，坝顶高程135m，坝顶宽5m，设计洪水位132m，坝下游相应河水位为102m，要求安全系数Kc=2。2.2主要工程地质条件坝基为全新世及晚更新世河流冲积物，岩性有粘性土、砂土及砾土，厚度10～22m，下伏基岩为志留系页岩，据坝轴线方向上第四系地层岩性及地质结构不同，可分为三个地段(见剖面图)。剖面图I在河槽部位，河槽宽约100m，地面高程98m，坝底宽220m，岩性为砾土①，厚20m。剖面Ⅱ在漫滩部位，漫滩宽150m，地面高程100m，该段坝基具二元结构特点，坝底宽210m，上部为细砂土②，厚2m。剖面Ⅲ在一级阶地部位，阶地宽50m，地面高程105m，坝后无表水，上部为粉质亚粒土③，厚5m，下部为中砂土④，厚8m。剖面中各层土的粒度成分如图5-4所示，各层土的物理、力学参数列于表5-1。表5-1坝基土体物理力学参数参数层号孔隙度n(%)密度(g/cm3)摩擦角φ(度)粘聚力C（MPa）侧压力系数ξ渗透系数K(cm/s)①1342.75360.20.058②2382.65330.30.006③3402.44250.351×10-5④4362.5320.30.009三、要求1.分析坝基可能发生渗透变形的地段，渗透变形的形式。2.计算临界水梯度及实际水力梯度。3.对坝基渗透稳定性进行评价，指出各段是否需要进行处理，指出处理范围及措施类型，并写出简要文字说明。四、分析坝基可能发生渗透变形的地段，渗透变形的形式4.1条件分析题目在对坝基工程地质勘察资料深入分析研究的基础上，从评价坝基土体渗透变形的要求出发，根据坝基工程地质条件差异性，已对坝基进行了工程地质区段的划分。从题目分析结果中总结成下列表5-2，方便查阅。表5-2题目已划分的坝基工程地质区段情况剖面部位宽度（m）地面高程(m)库水位H1（m）坝后水位H2（m）坝底宽2b(m)岩性厚度（m）渗透系数K(cm/s）剖面一河槽10098132102220砾土200.058剖面二漫滩150100132102210细砂土20.006砾土200.058剖面三一级阶地50105132105-----粉质粘土50.00001砂土80.009各剖面图如下图5-1至图5-3：对于河槽部位，由于其坝底岩性为单层的碎石土，不均匀系数Cu5；且粗细颗粒的界限粒径df==0.0027mm,查土粒累计曲线得：细颗粒含量为70%左右，远大于35%，故可能发生的渗透形式为流土。对于河漫滩部位，由于其坝底岩性上为细砂土，下为碎石土，且上部粗细颗粒的不均匀系数Cu5；界限粒径df=0.19mm,查土粒累计曲线得：细颗粒含量为40%左右，与界限值35%接近，故可能发生的渗透形式为流土或管涌。对于阶地部位，由于其坝底岩性上为粉质粘土，下为中砂土，且上部粘土粗细颗粒的不均匀系数Cu5；界限粒径df==0.20mm,查土粒累计曲线得：细颗粒含量为20%左右，小于界限值35%，故可能发生的渗透形式为管涌。据图5-4各土层土颗粒累计曲线和如上分析，可得各层土的不平均系数Cu、细颗粒含量Pc，初步判出各土层可能发生的渗透变形形式，如下表示：表5-3各土层肯发生的渗透变形形式汇表参数层号不均匀系数Cu细颗粒含量Pc可能渗透变形形式①2024%管涌②1428%流土③150022%管涌④542%流土4.2讨论根据已知条件，可见在三个坝基工程地质区段发生渗透变形的基本条件（可能被带走的松软土石、强烈的水动力条件和渗流出逸的临空条件）都是满足的，那么地段是否发生渗透变形就决定于各地段土层的渗透压力是否大于土层的抗渗强度了。实践表明，由于坝基各部位的渗透压力分布不均匀，而且同一土颗粒移动的难易程度即抗渗强度在不同方向（即不同部位）的渗透压力作用下也是不同的，这就造成不同部位发生渗透变形的可能性大不相同，因此，我们应该说：各地段各个部位是否发生渗透变形决定于各地段土层各个部位的渗透压力是否大于土层的抗渗强度了。从实用上看，可以认为各地段土层各部位渗流的实际水力坡度大于土的临界水力坡度时，该部分就发生了渗透变形。对于图5-1至图5-3这样的坝基渗透模式，各部分土的临界水力坡度由大到小为：坝后出逸段坝下水平渗透段坝前入渗段。而各部分土的实际水力坡度大小关系为：坝后出逸段和坝前入渗段远大于坝下水平渗透段。而且，坝后部位靠后，起到了中流砥柱的作用。有文献也说了：水力坡度大的部位如坝后出逸段，其值不仅远大于坝基的平均水力坡度，而且还大于临界水力坡度。因此，可以说：一般情况下，坝基各地段是否发生渗透变形取决于坝后是否发生渗透变形。因上缘故，在此，对于各剖面地段，我们重点研究坝后出逸段的渗透变形情况，辅以水平段的渗透变形情况加以对比，以判断该地段是否会发生渗透变形。在实际应用中，为了安全起见，我们通常给临界水力坡度一个安全系数，即用临界水力坡度除以一个大于1的安全系数的到一个称为“允许水力坡度”的值来和实际水力坡度做对比，判断是否发生渗透变形。当实际水力坡度大于允许水力坡度时，我们认为坝基该地段发生了渗透变形。条件中安全系数Kc=2已给定。4.3临界水力坡度、实际水力坡度、允许水利坡度的计算由扎马林公式：Jc=(ρs—1)(1—n)+0.5n、安全系数Kc=2以及Jy=Jc/Kc和JB=（H1—H2）／（2T1+2b*)2*2/(1*1TKTk）可得各土层的临界水力坡度Jc，各地段坝后渗流出逸段实际水力坡度JB、坝下水平渗透段实际水利坡度JH，并通过安全系数Kc=2换算成允许水利坡度，汇成表5-4、表5-5如下所示：表5-4各土层的临界水力坡度Jc层号临界水压力坡度Jc允许水压力坡度Jy12.951.4722.911.4532.641.3242.731.37表5-5各地段JB和JH计算值剖面部位坝后实际水压力坡度JB坝基水平渗透段JH剖面I河槽0.140.14剖面Ⅱ漫滩1.180.12剖面Ⅲ一级阶地1.940.054.4各地段坝基稳定性评价3.4.1剖面I稳定性评价此地段(河槽)只沉积了一层碎石土层。由前面计算结果可知JB、JHJy，即此地段理论上讲不会发生渗透变形。而且JB（=0.14）很小,大约是Jy（=1.47）的十分之一。分析其原因，此地段碎石土孔隙较大即渗透系数较大（0.058cm/s），坝底最宽（220m）导致渗径最长，碎石土层又是最厚（20m）的一层，这些因素都降低了此地段坝基的实际水力坡度，使得此地段土体不容易发生渗透变形。3.4.2剖面Ⅱ稳定性评价此地段（漫滩）土层具二元结构，上层细砂土仅厚2m，渗透系数仅为0.006cm/s，这些都将导致坝后出逸区的实际水力坡度JB增大。下层还是20m厚的碎石土。由水力坡度计算我们也可以发现，JB=1.18是坝下水平渗透段实际水利坡度JH（=0.12）的约十倍。然而JBJy（=1.45），故现今阶段理论上讲此地段不会发生渗透变形，但要可能需要考虑浸没灾害的影响。这里由于不知临界深度，此也非本体重点，故不予讨论。3.4.3剖面Ⅲ稳定性评价此地段(一级阶地)土层也具有二元结构，上层粉质粘土层厚5m，渗透系数仅为极小的1×10-5cm/s，这些都将导致坝后出逸区的实际水力坡度JB大大增加，分析分析此地段很有可能发生渗透变形！下层中砂土层厚8m，渗透系数也不大，为0.009cm/s。但是坝底宽度2b条件题目未明确给出，故决定根据比例，估计坝底宽度保守值为150m，前述计算结果由此而来。不出所料，我们发现JB（=1.94）Jy（=1.32），此地段坝基发生了渗透变形。由于JB比Jy大很多，故渗透变形严重，严重时可导致渗透破坏，使坝溃决。故此地段需要进行防治处理。处理时建议在上游地下水的补给区和径流取以防渗截流措施为主，在下游地下水出逸段应以排水减压和反滤盖重措施为主。由于此地段的土层为渗透系数极小的粉质粘土和中砂土，故没有必要将它们挖除，问题在于它们在坝前的厚度不够，致使坝后易发生渗透变形段产生变形。故可以采用水平防渗铺盖在坝前铺填粘性土，约使厚度再增加7m左右，且其长度一般为上下游水头差的5~10倍，其厚度由坝趾处向上游逐渐变薄，上游末端厚0.5~1.0m，下游与坝体的斜墙连接。在坝后，由于弱透水层总厚13m，故宜采用钻探法开凿若干减压井，辅以少量排水沟；也可同时采用透水性较大土料覆盖设置反滤层，沿渗流方向由细到粗设三层，每层厚15-50cm。