土的渗流及管涌流土变形分析课件.ppt

1、土的渗透问题土的渗透问题及管涌流土变形分析及管涌流土变形分析1ppt孔隙水孔隙水在水头差作用下在水头差作用下渗透：水通过土渗透：水通过土孔隙流动的现象孔隙流动的现象 渗透性：土允许水渗透性：土允许水流透过的性质流透过的性质造成水量损失，影响工程效益造成水量损失，影响工程效益 引起土体内部应力状态的变化，引起土体内部应力状态的变化，从而改变水工构筑物、土木建从而改变水工构筑物、土木建筑物或地基的稳定条件，甚者筑物或地基的稳定条件，甚者将酿成破坏事故将酿成破坏事故 主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，渗透力、及渗透变形等问题。 2ppt渗流量渗流量渗透变形渗透变形（管涌）（管涌）石坝石坝浸润线浸

2、润线透水层透水层渗流控制渗流控制渗流渗流渗透性渗透性土具有被水、气等液体透过的性质土具有被水、气等液体透过的性质水、气等在土体孔隙中流动的现象水、气等在土体孔隙中流动的现象原因：土体具有连续的孔隙（内因）；水头差（外因）原因：土体具有连续的孔隙（内因）；水头差（外因）3ppt渗透压力（隆起）渗透压力（隆起）渗流量渗流量（降水方法）（降水方法）渗透变形（流土）渗透变形（流土）透水层透水层基坑基坑板桩墙板桩墙4pptABL透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑 土中水的渗流是由土中水的渗流是由水头势能水头势能驱动，由水头高（势能大）驱动，由水头高（势能大）的地方流向水头低（势能小）的地方的地方流向水

3、头低（势能小）的地方。ABhhLhiL水力梯度（坡降）：水力梯度（坡降）：渗流中的渗流中的水头水头与与水力坡降水力坡降5pptl达西定律达西定律1856年法国学者年法国学者DarcyDarcy对对砂土砂土的渗的渗透性进行研究透性进行研究 水在土中的渗透速度与水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比试样的水力梯度成正比 渗透速度：渗透速度：v=kiv=kikiAvAq渗流量：渗流量：6ppt渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形渗透力渗透力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差管，测压管水面高差h

4、h水流流经这段土体，受水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为引起的水头损失为h土粒对水流土粒对水流的阻力应为的阻力应为 hAFw土样土样面积面积根据牛顿第三定律，试样的根据牛顿第三定律，试样的总渗流力总渗流力J J和土粒对水流的阻和土粒对水流的阻力力F F大小相等，方向相反大小相等，方向相反 hAFJw动水压力动水压力7ppt渗流作用于单位土体的力渗流作用于单位土体的力wwiALhAALJj说明：说明：渗透力渗透力j是渗流对是渗流对单位土体单位土体的作用力，其大小与水力坡降的作用力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致成正比，作用方向与渗流方向一

5、致. .渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响土体稳定性有显著的影响abc渗透力方向与渗透力方向与重力一致，促重力一致，促使土体压密、使土体压密、强度提高，有强度提高，有利于土体稳定利于土体稳定渗流方向近乎水平，使渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒体的有效重度，土粒将被水流冲出将被水流冲出小大：小大：j = j = w wi i方向：方向：与渗流方向一致与渗流方向一

6、致作用对象：作用对象：土骨架土骨架 8ppt临界水力坡降临界水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降 GJ当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于力作用，好像处于悬浮悬浮状态，这时的水力坡降即为状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降。临界水力坡降。JG crwiwcri 在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数F Fs s(1.5(1.53)3)，作为，作为允许水力坡降允许水力坡降 i i 。设计时，为保证建筑物的设计时，为保证建筑物的安全，将渗

7、流逸出处的水力坡降控制在允许坡降安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降 i i 内内scrFiii9ppt渗透变形渗透变形 渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形导致土体变形渗透变形问题（流土，管涌）渗透变形问题（流土，管涌） 流土流土土中发生土中发生自下而上自下而上渗流时，渗透力大小超过土的浮渗流时，渗透力大小超过土的浮重度，导致土粒间重度，导致土粒间有效应力有效应力为零，颗粒悬浮、土体表面隆起、土为零，颗粒悬浮、土体表面隆起、土粒流动的现象粒流动的现象。10ppt流砂或流土流砂或流土 在自下而上的渗流发生时，

8、渗透力的大小超过土重度，致在自下而上的渗流发生时，渗透力的大小超过土重度，致使土粒间的使土粒间的有效应力为零有效应力为零，土体的表面隆起、浮动或某颗粒，土体的表面隆起、浮动或某颗粒群悬浮、移动的现象称为流砂或流土。群悬浮、移动的现象称为流砂或流土。 11ppt 管涌管涌在渗流作用下，在渗流作用下，一定级配的无粘性一定级配的无粘性土中的细小颗粒，土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。通的管道。12ppt流土流土形成条件形成条件 scrFiii F Fs s: : 安全系数安全系数1.51.53 3

9、 i : i : 允许坡降允许坡降i ii ii icrcr : :土体处于稳定状态土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体发生流土破坏土体处于临界状态土体处于临界状态判断判断 流土流土发生于地基或土坝下游发生于地基或土坝下游渗流出逸处渗流出逸处，不发生于土体不发生于土体内部。内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。发开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。发生在颗粒级配均匀的生在颗粒级配均匀的饱和细、粉砂、粉土、淤泥饱和细、粉砂、粉土、淤泥层中。层中。它的发生它的发生一般是突发性的，对工程危害极大。一般是突发性的，对工程危害极大。13ppt 管涌管涌在渗流作用下，在渗流作用

10、下，一定级配的无粘性一定级配的无粘性土中的细小颗粒，土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。通的管道。 管涌既可以发生在管涌既可以发生在土体内部土体内部，也可以发生在，也可以发生在渗流出口处。渗流出口处。多发生在无粘性土中，多发生在无粘性土中，其特征是颗粒大小差别较大，往往缺少其特征是颗粒大小差别较大，往往缺少某种粒径，孔隙直径大且相互连通。某种粒径，孔隙直径大且相互连通。发展一般有个时间过程，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏。是一种渐进性的破坏。 14ppt管涌管涌15ppt管涌的治理管

11、涌的治理反滤倒渗反滤倒渗16ppt反滤围井反滤围井管涌的治理管涌的治理17ppt内因内因有足够多的粗颗有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔粒形成大于细粒直径的孔隙（隙（几何条件：几何条件：Cu10Cu10 的的土容易发生管涌土容易发生管涌）外因外因渗透力足够大渗透力足够大（水力条件：水力条件： i icrcr 的计的计算算尚未成熟尚未成熟） 管涌既可以发生在管涌既可以发生在土体内部土体内部，也可以，也可以发生在发生在渗流出口处。多发生在无粘性渗流出口处。多发生在无粘性土中，土中，其特征是颗粒大小差别较大，其特征是颗粒大小差别较大，往往缺少某种粒径，孔隙直径大且相往往缺少某种粒径，孔隙直径大且相

12、互连通。互连通。发展一般有个时间过程，是发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏。一种渐进性的破坏。 形成条件形成条件2052112 . 2ddnGiscr18pptl 管涌的临界坡降管涌的临界坡降 对中小型工程及初步设计对中小型工程及初步设计时，当渗流方向为由下向上时，可用南京水利科时，当渗流方向为由下向上时，可用南京水利科学研究院的经验公式推算：学研究院的经验公式推算：3342nKdJc式中式中 d d3 3相应于粒径曲线上含量为相应于粒径曲线上含量为3%3%的粒径的粒径 K K渗透系数，渗透系数，cm/scm/s；n n土壤孔隙率。土壤孔隙率。19pptl流土的临界坡降流土的临界坡降 当

13、渗流自下向上作用时，常当渗流自下向上作用时，常采用根据极限平衡得到的太沙基公式计算采用根据极限平衡得到的太沙基公式计算)1)(1(nGJB 式中式中 G G土粒比重；土粒比重；n n土的孔隙率。土的孔隙率。 J JB B一般在一般在0.80.81.21.2之间变化。之间变化。南京水利科学研究院建议把南京水利科学研究院建议把上式乘以上式乘以1.171.17。容许渗透坡降。容许渗透坡降 J JB B 也要采用一定的安全系数，也要采用一定的安全系数，对用粘性土，可用对用粘性土，可用1.51.5；对于非粘性土，可用；对于非粘性土，可用2.02.02 .52 .520ppt 流土与管涌的判别流土与管涌的

14、判别与与土的类别土的类别、颗粒级配颗粒级配以及以及水力条件水力条件等因素有关等因素有关 。 粘性土粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生只发生流土破坏流土破坏；一般认为不均匀系数一般认为不均匀系数Cu10的匀粒砂土，在一的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏。定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏。 对对Cu10的砂和砾石、卵石，分两种情况的砂和砾石、卵石，分两种情况: :1.1.当孔隙中细粒含量较少（小于当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管

15、涌要较小的水力坡降，就易发生管涌2.2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量约为量约为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象发生流土现象21ppt流土流土土体局部范围的颗粒同土体局部范围的颗粒同时发生移动时发生移动管涌管涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可只要渗透力足够大，可发生在任何土中发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动导致下游坡面产生局部滑动现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒土体内细颗

16、粒通过粗粒形成的孔隙通道移动形成的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生在特定级配的一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口共同点：共同点：因土体损失导致土体（及结构）变形因土体损失导致土体（及结构）变形22pptl【例】某土坝地基土的比重某土坝地基土的比重Gs= =2.68，孔隙比孔隙比e= =0.82，下游渗下游渗流出口处经计算水力坡降流出口处经计算水力坡降i为为0.2，若取安全系数，若取安全系数Fs为为2.5，试，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏

17、。问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏。 【解答】解答】临界水力坡降临界水力坡降 由于实际水力坡降由于实际水力坡降i i，故土坝地基出口处土体不会发故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏生流土破坏 92.082.01168.211eGiscr允许水力坡降允许水力坡降 37.05.292.0scrFii23ppt【例】某基坑开挖某基坑开挖, ,施工抽水稳定后施工抽水稳定后, ,实测水位如图。场地土体为实测水位如图。场地土体为: :细砂层细砂层, , satsat= =18.7 kN/m3, ,k k= =4.510-2mm/s, , 试求渗流平均速度试求渗流平均速度v v和渗流力和渗流力J,

18、J, 并判并判别是否产生流砂现象。别是否产生流砂现象。基坑开挖示意图3.0 m10.0 m5.5 m粘土层细砂层5.53.00.2510.0i224.5 100.251.125 10 mm/svkiw310 0.252.5 kN/mji细砂层的有效重度细砂层的有效重度3satw18.7108.7 kN/m 33 (2.5kN/m8.7kN/m )j故不会因基坑抽水而产生流砂现象故不会因基坑抽水而产生流砂现象111satscrwwdie24ppt scrFiii土石坝土石坝浸润线浸润线透水层透水层减小或消除水头差（基坑外的井点降水法）；减小或消除水头差（基坑外的井点降水法）；增长渗流路径；增长渗

19、流路径；在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力；平衡渗流力；土层加固处理，如冻结法、注浆法等。土层加固处理，如冻结法、注浆法等。防治防治流土流土25ppt防治防治管涌管涌改善几何条件：改善几何条件：设反滤层等设反滤层等改善水力条件：改善水力条件：减小渗透坡降减小渗透坡降透水层透水层基坑基坑板桩墙板桩墙 设置反滤层设置反滤层，既可，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失流失而产生渗透变形的作用而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替。组成，也可由土

20、工布代替。26pptl 接触冲刷接触冲刷 当渗流沿两种不同土壤的接触面流动时，当渗流沿两种不同土壤的接触面流动时，把其中细颗粒带走的现象，称为接触冲刷。接触冲刷可能把其中细颗粒带走的现象，称为接触冲刷。接触冲刷可能使临近接触面的不同土层混合起来。使临近接触面的不同土层混合起来。l 接触流土和接触管涌接触流土和接触管涌 渗流方向渗流方向垂直于两种不同土壤垂直于两种不同土壤的接触面的接触面时，例如在粘土心墙（或斜墙）与坝壳砂砾料之时，例如在粘土心墙（或斜墙）与坝壳砂砾料之间，坝体或坝基与排水设施之间，以及坝基内不同土层之间，坝体或坝基与排水设施之间，以及坝基内不同土层之间的渗流，可能把其中间的渗流

21、，可能把其中一层的细颗粒带到另一层的粗颗粒一层的细颗粒带到另一层的粗颗粒中去，称为接触管涌。中去，称为接触管涌。当其中一层为粘性土，由于含水量当其中一层为粘性土，由于含水量增大凝聚力降低而成块移动，甚至形成剥蚀时，称为接触增大凝聚力降低而成块移动，甚至形成剥蚀时，称为接触流土。流土。27ppt防止渗透变形的工程措施防止渗透变形的工程措施 反滤层的结构反滤层的结构 反滤层一般是由反滤层一般是由层层不同粒不同粒径的非粘性土、砂和砂砾石组成的。层次排列应尽量径的非粘性土、砂和砂砾石组成的。层次排列应尽量与渗流的方向垂直，各层次的与渗流的方向垂直，各层次的粒径则按渗流方向逐层粒径则按渗流方向逐层增加增

22、加，如图所示。，如图所示。 设置反滤层是提高抗渗破坏能力、防止各类渗透变形设置反滤层是提高抗渗破坏能力、防止各类渗透变形特别是防止管涌的有效措施。特别是防止管涌的有效措施。在任何渗流流入排水设施处在任何渗流流入排水设施处一般都要设置反滤层。一般都要设置反滤层。28ppt反滤层的材料反滤层的材料 1 1）被保护土壤的颗粒不得穿过反滤层。）被保护土壤的颗粒不得穿过反滤层。但对细小的颗粒（如但对细小的颗粒（如粒径小于粒径小于0.1mm0.1mm的砂土），则可允许被带走。因为它的被带的砂土），则可允许被带走。因为它的被带走不会使土的骨架破坏，不至于产生渗透变形。走不会使土的骨架破坏，不至于产生渗透变形

23、。2 2）各层的颗粒不得发生移动。）各层的颗粒不得发生移动。3 3）相临两层间，较小的一层颗粒）相临两层间，较小的一层颗粒不得穿过不得穿过较粗一层的孔隙。较粗一层的孔隙。4 4）反滤层不能被堵塞，）反滤层不能被堵塞，而且应具有足够的而且应具有足够的透水性透水性，以保证排，以保证排水畅通。水畅通。5 5）应保证耐久、稳定，其工作性能和效果应）应保证耐久、稳定，其工作性能和效果应不随时间的推移不随时间的推移和环境的改变而遭受破坏。和环境的改变而遭受破坏。 29ppt反滤层级配的设计反滤层级配的设计 碾压式土石坝设计规范碾压式土石坝设计规范中提出如下的设计方法：对于被保护的第一层反中提出如下的设计方

24、法：对于被保护的第一层反滤层，建议用：滤层，建议用：58515dD51515dD式中式中 反滤层的粒径，小于该粒径的土重占总重的反滤层的粒径，小于该粒径的土重占总重的15%； 被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总重的被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总重的85%； 被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总重的被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总重的15%。15D85d15d30ppt土坝，高土坝，高90m90m，长长1000m1000m，19751975年建成，年建成，次年次年6 6月失事月失事渗透破坏：冲蚀渗透破坏：冲蚀 水力劈裂水力劈裂TetonTeton坝失事现场现状坝失事现场现状原因原因土

25、石坝坝基坝身渗流破坏实例土石坝坝基坝身渗流破坏实例31ppt沟后面板砂砾石坝沟后面板砂砾石坝 位于青海省，位于青海省，高高7171米，长米，长265265米，米，建于建于19891989年。年。 1993 1993年年8 8月月7 7日日突然发生溃坝，是突然发生溃坝，是现代碾压堆石坝垮现代碾压堆石坝垮坝的先例。坝的先例。溃坝原因：溃坝原因：面板止水失效，下游坝体排水不畅，面板止水失效，下游坝体排水不畅，造成坝坡失稳造成坝坡失稳土石坝坝基坝身渗流破坏实例土石坝坝基坝身渗流破坏实例32ppt广州京广广场基坑塌方广州京广广场基坑塌方基坑渗流破坏基坑渗流破坏33ppt珠海祖国广场基坑失事珠海祖国广场基

26、坑失事基坑渗流破坏基坑渗流破坏34ppt西藏易贡巨型滑坡西藏易贡巨型滑坡F时间：时间：20002000年年4 4月月9 9日约日约2020时时F规模：滑坡体自相对高差近规模：滑坡体自相对高差近3330m3330m的雪峰阳坡滑下，历的雪峰阳坡滑下，历时约时约1010分钟，滑程分钟，滑程8km8km。堆积体长、宽各约。堆积体长、宽各约2500m2500m，平，平均厚均厚60m60m，最厚，最厚100m100m，体积约，体积约2.82.8亿亿-3.0-3.0亿亿m m3 3。F地质：滑坡堆积体地质：滑坡堆积体80%80%以上是砂性土以上是砂性土F险情：堵塞易贡藏布江成堰塞湖，湖水面积险情：堵塞易贡藏布江成堰塞湖，湖水面积22km22km2 2，湖，湖长长17km17km，水位以每天，水位以每天0.5-0.6m0.5-0.6m的速度上涨，湖水无下的速度上涨，湖水无下泄通道，预计泄通道，预计6 6月底湖水将上涨至堆积体顶，拦存湖水月底湖水将上涨至堆积体顶，拦存湖水将达将达4040亿亿-60-60亿亿m m3 3 降雨入渗引起的滑坡降雨入渗引起的滑坡35ppt湖水每天上涨湖水每天上涨50cm50cm！易贡巨型滑坡现场易贡巨型滑坡现场36ppt