土的渗流及管涌流土变形分析.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,大家好,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,土的渗透问题,及管涌流土变形分析,大家好,1,孔隙水,在水头差作用下,渗透：水通过土孔隙流动的现象,渗透性：土允许水流透过的性质,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，从而改变水工构筑物、土木建筑物或地基的稳定条件，甚者将酿成破坏事故,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。,大家好,2,渗流量,渗透变形（管涌）,石坝,浸润线,透水层,不透水层,坝基坝身渗流,渗流控制,渗流,渗透性,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,原因：土体具有连续的孔隙（内因）；水头差（外因）,大家好,3,渗透压力（隆起）,渗流量,（降水方法）,渗透变形（流土）,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流,大家好,4,A,B,L,透水层,不透水层,基坑,土中水的渗流是由,水头势能,驱动，由水头高（势能大）的地方流向水头低（势能小）的地方,。,水力梯度（坡降）：,渗流中的,水头,与,水力坡降,大家好,5,达西定律,1856,年法国学者,Darcy,对,砂土,的渗透性进行研究,水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比,渗透速度：,v=ki,渗流量：,大家好,6,渗透力与渗透变形,渗透力,渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力,h,2,h,1,h,2,1,L,沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差,h,水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为,h,土粒对水流的阻力应为,土样面积,根据牛顿第三定律，试样的总渗流力,J,和土粒对水流的阻力,F,大小相等，方向相反,动水压力,大家好,7,渗流作用于单位土体的力,说明：,渗透力,j,是渗流对,单位土体,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,.,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,a,b,c,渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定,渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利,渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出,小大：,j=,w,i,方向：,与渗流方向一致,作用对象：,土骨架,大家好,8,临界水力坡降,使土体开始发生渗透变形的水力坡降,G,J,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,悬浮,状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降。,在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数,F,s,(1.5,3),，作为,允许水力坡降,i,。,设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降,i,内,大家好,9,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，导致土体变形,渗透变形问题（流土，管涌）,流土,土中发生,自下而上,渗流时，渗透力大小超过土的浮重度，导致土粒间,有效应力,为零，颗粒悬浮、土体表面隆起、土粒流动的现象,。,大家好,10,流砂或流土,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,有效应力为零,，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。,管涌,在渗流作用下，,一定级配的无粘性,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的管道。,大家好,12,流土,形成条件,F,s,:,安全系数1.5,3,i :,允许坡降,i i,cr,:,土体处于稳定状态,土体发生流土破坏,土体处于临界状态,判断,流土,发生于地基或土坝下游,渗流出逸处,，,不发生于土体内部。,开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。发生在颗粒级配均匀的,饱和细、粉砂、粉土、淤泥,层中。,它的发生一般是突发性的，对工程危害极大。,大家好,13,管涌,在渗流作用下，,一定级配的无粘性,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的管道。,管涌既可以发生在,土体内部,，也可以发生在,渗流出口处。多发生在无粘性土中，,其特征是颗粒大小差别较大，往往缺少某种粒径，孔隙直径大且相互连通。,发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏。,大家好,14,管涌,管涌的治理,反滤倒渗,反滤围井,管涌的治理,内因,有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙（,几何条件：,Cu10,的土容易发生管涌,）,外因,渗透力足够大,（,水力条件：,i,cr,的计,算,尚未成熟,）,管涌既可以发生在,土体内部,，也可以发生在,渗流出口处。多发生在无粘性土中，,其特征是颗粒大小差别较大，往往缺少某种粒径，孔隙直径大且相互连通。,发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏。,形成条件,大家好,18,管涌的临界坡降,对中小型工程及初步设计时，当渗流方向为由下向上时，可用南京水利科学研究院的经验公式推算：,式中,d,3,相应于粒径曲线上含量为,3%,的粒径,K,渗透系数，,cm/s,；,n,土壤孔隙率。,大家好,19,流土的临界坡降,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,式中,G,土粒比重；,n,土的孔隙率。,J,B,一般在,0.8,1.2,之间变化。,南京水利科学研究院建议把上式乘以,1.17,。容许渗透坡降,J,B,也要采用一定的安全系数，对用粘性土，可用,1.5,；对于非粘性土，可用,2.0,2.5,大家好,20,流土与管涌的判别,与,土的类别,、,颗粒级配,以及,水力条件,等因素有关。,粘性土,由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生,流土破坏,；,一般认为不均匀系数,C,u,10,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。,对,C,u,10,的砂和砾石、卵石，分两种情况:,1.当孔隙中细粒含量较少（小于,30%,）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌,2.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,30%,35%,），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象,大家好,21,流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时发生移动,管涌,只发生在水流渗出的表层,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产生局部滑动,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,共同点：,因土体损失导致土体（及结构）变形,大家好,22,【例】,某土坝地基土的比重,G,s,=,2.68,，,孔隙比,e,=,0.82,，,下游渗流出口处经计算水力坡降,i,为,0.2,，若取安全系数,F,s,为,2.5,，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏。,【,解答】,临界水力坡降,由于实际水力坡降,i,i,，,故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏,允许水力坡降,大家好,23,【,例,】,某基坑开挖,施工抽水稳定后,实测水位如图。场地土体为,:,细砂层,sat,=,18.7,kN/m,3,k,=,4.5,10,-2,mm/s,试求渗流平均速度,v,和渗流力,J,并判别是否产生流砂现象。,细砂层的有效重度,故不会因基坑抽水而产生流砂现象,大家好,24,土石坝,浸润线,透水层,减小或消除水头差（基坑外的井点降水法）；,增长渗流路径；,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；,土层加固处理，如冻结法、注浆法等。,防治,流土,大家好,25,防治,管涌,改善几何条件：,设反滤层等,改善水力条件：,减小渗透坡降,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,设置反滤层,，既可,通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失,而产生渗透变形的作用,。,反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替。,大家好,26,接触冲刷,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。接触冲刷可能使临近接触面的不同土层混合起来。,接触流土和接触管涌,渗流方向,垂直于两种不同土壤的接触面,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的渗流，可能把其中,一层的细颗粒带到另一层的粗颗粒中去，称为接触管涌。,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，称为接触流土。,大家好,27,防止渗透变形的工程措施,反滤层的结构,反滤层一般是由,层,不同粒径的非粘性土、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,粒径则按渗流方向逐层增加,，如图所示。,设置反滤层是提高抗渗破坏能力、防止各类渗透变形特别是防止管涌的有效措施。,在任何渗流流入排水设施处一般都要设置反滤层。,大家好,28,反滤层的材料,1,）被保护土壤的颗粒不得穿过反滤层。,但对细小的颗粒（如粒径小于,0.1mm,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。,2,）各层的颗粒不得发生移动。,3,）相临两层间，较小的一层颗粒,不得穿过,较粗一层的孔隙。,4,）反滤层不能被堵塞，,而且应具有足够的,透水性,，以保证排水畅通。,5,）应保证耐久、稳定，其工作性能和效果应,不随时间的推移和环境的改变而遭受破坏。,大家好,29,反滤层级配的设计,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滤层，建议用：,式中,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,85%,；,被保护土的粒径，小于该粒径的土重占总重的,15%,。,大家好,30,土坝，高,90m,，长,1000m,，,1975,年建成，,次年,6,月失事,渗透破坏：冲蚀 水力劈裂,Teton,坝失事现场现状,原因,土石坝坝基坝身渗流破坏实例,大家好,31,沟后面板砂砾石坝,位于青海省，高,71,米，长,265,米，建于,1989,年。,1993,年,8,月,7,日突然发生溃坝，是现代碾压堆石坝垮坝的先例。,溃坝原因：,面板止水失效，下游坝体排水不畅，造成坝坡失稳,土石坝坝基坝身渗流破坏实例,大家好,32,广州京广广场基坑塌方,基坑渗流破坏,大家好,33,珠海祖国广场基坑失事,基坑渗流破坏,大家好,34,西藏易贡巨型滑坡,时间：,2000,年,4,月,9,日约,20,时,规模：滑坡体自相对高差近,3330m,的雪峰阳坡滑下，历时约,10,分钟，滑程,8km,。堆积体长、宽各约,2500m,，平均厚,60m,，最厚,100m,，体积约,2.8,亿,-3.0,亿,m,3,。,地质：滑坡堆积体,80%,以上是砂性土,险情：堵塞易贡藏布江成堰塞湖，湖水面积,22km,2,，湖长,17km,，水位以每天,0.5-0.6m,的速度上涨，湖水无下泄通道，预计,6,月底湖水将上涨至堆积体顶，拦存湖水将达,40,亿,-60,亿,m,3,降雨入渗引起的滑坡,大家好,35,湖水每天上涨,50cm,！,易贡巨型滑坡现场,大家好,36,结束,大家好,37,