13渗透变形的工程地质2012.ppt

* 第十三章 渗透变形的工程地质分析 工程地质分析原理 13.1 基本概念及研究意义 凡有渗流就有渗流力 （seepage force)或称水动压力(hydrodynamic force)。此压力达一定值时，土中的某些颗粒就会被渗透水流携带和搬运，这种地下水的侵蚀作用称为潜蚀(suffosion)。严格说来，潜蚀应包括化学潜蚀和机械潜蚀。前者是土石中某些可溶组分被渗透水流溶解和搬运；后者为不溶颗粒被渗透水流带走。可使土石结构变松，强度降低，这种变化可称为土石渗透变形(seepage deformation)或渗透破坏。 13.1 基本概念及研究意义 强烈的渗透变形会在渗流出口处侵蚀成孔洞，孔洞又会促使渗透途径已经减短、水力梯度有所增大的渗流向它集中，而在孔洞末端集中的渗透水流就具有更大的侵蚀能力，所以孔洞就不断沿最大水力梯度线溯源发展，终至形成一条水流集中的管道(图13-1)，由管道中涌出的水携带较大量的土颗粒，这就是管涌(piping)。可见它是潜蚀强烈发展而出现的一种特有的不良地质作用，往往形成地质灾害。我国工程技术界则常用于泛称一般的机械潜蚀作用。 渗透水流导致孔洞通道不断向源延伸和扩大的作用： (1) 淋蚀(eluviation)或渗流侵蚀(seepage erosion) 当土层中细小颗粒小于与之呈互层状产出的砂、砾层中的孔隙，则细小颗粒可被渗透水流所携带，并穿过这些孔隙通道而被搬运走。土中的细微裂缝、虫孔、兽穴、根孔等大孔洞，也可成为地下水流搬运细小颗粒的通道。这种渗透水流的选择性侵蚀，可能是土中管道开始形成的主导方式。 (2 ) 渗流面蚀(seeface erosion) 饱水敏感土于斜坡面出露，集中渗流可携带其出口处的土粒顺流而下将之搬运走，于是出口处首先形成一凹坑并累进性切入坡内，逐步发展为一个地下管道。使渗流流线聚敛的因素有地形、岩性或细微裂隙等。 (3) 孔道冲刷(tunnel scour) 土或易蚀基岩中的孔洞或管道开始形成之后，通过这类孔道流动的集中水流即可冲刷孔道壁、冲走可由壁上脱落下来的颗粒而使孔道不断扩大。 管涌可以多种方式出现，如渗流面管涌、土裂隙管涌和虫(兽)穴管涌等。在自然条件下，潜蚀和管涌可以在干旱区黄土中形成地下洞穴，也可在红层中形成洞穴。洞穴末端陷落即形成落水洞，而当大部分顶拱塌落即形成残留有“天生桥’’的深冲沟等。这些地貌形态组合由于类似于喀斯特故一般称为假喀斯特(pseudokarst)。在温湿区在洪泛平原被河流下切形成的岸坡上，可形成渗流—面蚀管涌，管涌发展使地下汇水区内部分被掏空引起地表下陷而出现潜蚀洼地；或在较陡斜坡上由于潜蚀而引起滑坡。 由于工程活动所引起的潜蚀和管涌更为常见。如开挖深基坑或采矿竖井穿过饱水粉细砂层，在基坑或竖井中大量排除地下水，造成坑(井)内与边壁之间的大水头差，地下水层便会携带大量砂土由边壁涌入坑(井)之中，这就是工程中通称的流砂(quick sand)，有时也会在坑底出现喷砂或砂沸(sand boil) ；钻井快速抽取地下水，含水层中的水即向集水井流动，由于愈接近井筒水力梯度愈大，高水力梯度地下水流的潜蚀可将细小砂粒携入井中，使井筒逐渐被砂淤满，抽水机具被埋。 管涌更多的与修建堤坝相联系。大河两岸修建防洪堤后，洪水期间堤内外之间有一定的水头差，而建坝壅水之后坝上、下游之间的水头差更会显著增大，渗流力或水动压力与水力梯度呈正比增大，所以产生潜蚀的水动力条件就形成了。如果坝为土石坝、坝基土石为透水的砂质土且具有产生强烈潜蚀的颗粒成分及结构条件，而防渗措施又不得当，往往会造成管涌甚至造成溃坝、溃堤。 典型的管涌可以黑龙江的龙风山坝(图13-2)为例。该坝为斜墙砂壳坝，坝基表面为厚约1.0m的淤泥质亚粘土，其下为渗透性强的砂砾石层，厚约10~15 m。出险段坝高仅18m，上游未做铺盖，下游亚粘土层既未挖除也未加反滤压重，当坝前水深升高到7.5m时，下游坝脚处20m范围内即广泛出现孔径3~5mm的小泉，两个月后坝前水深增到11m，泉数减小但有些泉孔径变大，最大者直径达l0cm，流出的水中也开始有灰黄色淤泥。次日水深达12.3m，坝外3~6m范围内多处向外涌水，涌水口孔径大者达15cm且翻水冒泥，流量也不断增大。此后不得不降低库水位，但涌水孔径仍继续扩大，冒水高度增高，表明上下游之间已经形成连通的集中渗流管道，即潜蚀已发展成管涌。只好采取“围井”措施，即在涌水孔周围围以土堤，但随围井升高涌水也升高。两天后库水位虽已降至11.2m，围井却已高达8.3m，流量达lm3／s而无法制止，所以只好由潜水员在上游找出