岩石渗透性分级.doc

第2章 岩体的渗透特性

学习指导：本章讲述岩土体的渗透性，冻胀过程中土中水分的迁移与积聚，渗流方程及流网的概念，渗透变形产生的条件，坝基渗透稳定性分析，渗透变形的防治措施等内容。
重点：掌握岩土体的渗透性，渗透变形破坏的类型，渗透变形破坏的条件，动水压力的概念，临界水力坡降，渗透水力坡降的试验确定方法及坝基渗透稳定性分析等。了解冻胀过程中土中水分的迁移与积聚及渗透变形破坏的防治措施等内容。
2.1 概述
水在岩土体孔隙中的流动过程称为渗透。岩土体具有渗透的性质称为岩土体的渗透性。图2-1(a)土石坝渗流的例子，图2-1（b）为隧洞开挖时，地下水的渗流。由水的渗透引起岩土体边坡失稳边坡变形、地基变形、岩溶渗透塌陷等均属于岩土体的渗透稳定问题。水在孔隙介质中的渗透问题，目前的研究在试验及理论上都有一定的水平，在解决实际问题方面也能够较好地反映土在孔隙介质中的渗流的运动规律。孔隙介质中的渗流场理论，基本上描述了水在孔隙介质中的渗透特性。水在裂隙介质中的渗透，目前的研究还很不完善。由于裂隙介质的复杂性，水在裂隙介质中的渗透无论在理论上或是试验方面都存在很多问题，在解决工程实际问题方面还很不成熟。岩土体的渗透性对工程设计、施工和安全运行都有重要的影响。
本章主要介绍岩土体的渗透性的基本概念及土体渗透变形破坏的类型、渗透变形破坏产生的条件及坝基渗透稳定性分析，其它内容请参考有关书籍。
2.2 岩土体的渗透性
2.2.2 岩石的透水性
在一定的水力梯度或压力作用下，岩石能被水透过的性质，称为透水性。对孔隙介质岩体，一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样，也服从于线性渗流规律——达西定律，(见2-1式)。

渗透系数是表征岩石透水性的重要指标，其大小取决于岩石中空隙、裂隙的数量、规模及连通情况等，并可在室内根据达西定律测定。某些岩石的渗透系数如表2-2，由表可知，岩石的渗透性一般都很小，远小于相应岩体的透水性，新鲜致密岩石的渗透系数一般均小于10-7cm/s量级。同一种岩石，有裂隙发育时，渗透系数急剧增大，一般比新鲜岩石大4～6个数量级，甚至更大，说明空隙性对岩石透水性的影响是很大的。
应当指出，对裂隙岩体来说，不仅其透水性远比岩块大，而且水在岩体中的渗流规律也比达西定律所表达的线性渗流规律要复杂得多。因此，达西定律在多数情况下不适用于裂隙岩体，必须用裂隙岩体渗流理论来解决其水力学问题。
2.2.3岩体的渗透性
    岩体的渗透性是一个复杂的问题，目前的研究成果在解决实际问题时还有很多不足的地方。根据目前的研究，岩体的渗流大体可划分为准均匀介质渗流、裂隙性介质渗流和岩溶性介质渗流三种。
(1)准均匀介质渗流
 属于这一类型的有全、强风化带及弱风化带的中上部的多孔隙砂岩。在该渗流场中，达西定律基本上适用，主要参数仍然是渗透系数。
(2) 裂隙性介质渗流
裂隙性介质渗流是岩体渗流的基本形式，水的渗流主要受裂隙的类型、裂隙的大小、裂隙的产状及裂隙充填情况所控制。
(3)岩溶介质渗流
岩溶介质渗流是岩体渗流最复杂的一种形式，由于受岩溶的发育规律所控制，岩溶的渗流具有间歇性、隐伏性、封闭性和地下水系等特点。岩溶介质渗流的复杂性主要表现在以下三个方面：
①多循环系统共存  这是岩溶介质渗流最突出的特点之一。如一个泉眼可能是一个循环系统的排泄点，也可能是几个循环系统的排泄点。同时，单个系统在空间上可以相互交叉。
②裂隙性渗流与管道型渗流共存。
③多种渗流特征参数共存。
岩体的渗透多用试验及数学模型来表述。具体的研究详见岩体水力学。
2.2.4岩土渗透性分级
《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）规定，岩土渗透性可按表2－3分级。
表2－3            岩土渗透性分级

渗透性等级
标准

岩体特征

土类
渗透系数k
（cm/s）
透水率q
（Lu）
极微透水
K<10-6
q<0.1
完整岩石，含等价开度<0.025mm裂隙的岩体
粘土
微透水
10-6≤K<10-5
0.1≤q<1
含等价开度0.025～0.05mm裂隙的岩体
粘土－粉土
弱透水
10-5≤K<10-4
1≤q<10
含等价开度0.05～0.01mm裂隙的岩体
粉土－细粒土质砂
中等透水
10-4≤K<10-2
10≤q<100
含等价开度0.01～0.5mm裂隙的岩体
砂―砂砾
强透水
10-2≤K<100
q≤100
含等价开度0.5～2.5mm裂隙的岩体
砂砾－砾石、卵石
极强透水
K≤10-5
q≤100
含连通孔洞或等价开度>2.5mm裂隙的岩体
粒径均匀的巨砾
注：Lu为吕荣单位，是1Mpa压力下，每米试段的平均压入流量，以L／min计。
2.3坝基渗透稳定性分析
坝基下的渗透水流，使岩土体中的某些颗粒移动或颗粒成分、结构发生改变的现象称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形对土石坝稳定影响极大，据美国发表的资料，在破坏的土石坝中，有40％是由于坝基或坝体土的渗透变形所造成。我国对有问题的土石坝的调查发现其中由渗透变形所引起者竟达60％。此外防洪堤和边坡的塌滑，岩溶区覆盖土层中洞穴和地表塌陷的形成，供水井、坝基排水孔和减压井的淤塞，开挖基坑和地下工程中遇到的流砂，断层破碎带、软弱夹层、裂隙和洞穴中松散物质的带出等都是由渗透变形引起的。四川陈仓水库条石拱坝的实事便是一例。该坝由于清基不彻底，在三号拱基下发生渗透变形，不仅把红色风化泥岩裂隙中的粘土冲蚀，而且把泥岩也冲蚀了7m深，连同被冲蚀的坝身成为一个高13m，宽8m的冲蚀洞。
坝基渗透变形的主要类型是管涌和流土。
在工程地质勘测的基础上坝基渗透稳定性的分析步骤如下：
（1）在宏观第四纪地层结构分析或软弱夹层研究的基础上，进行坝基渗透变形特征的分段。
    （2）根据岩性和颗粒分析以及物理分析试验资料，对各地段进行渗透变形类型的预测。
    （3）确定坝基各点的实际水力坡降。确定方法有理论计算法、流网法、水电比拟法和观察法等。初步判定可用计算法。
     双层结构且透水层厚度稳定，坝下溢出平均水力坡度为：
                    (2-18)
H1、H2――坝上、下游水位；
M1、M2――上、下透水层的厚度；
K1、K2――上、下透水层的渗透系数；
     L――坝基底宽。
（4）确定临界水力坡降。确定临界水力坡降有计算法、试验法和经验数值法。
    ①计算法，临界水力坡降可用式（2-7）计算。
②试验法确定临界水力坡降的试验法有室内试验和现场试验。室内试验多在透明的有机玻璃渗透仪或水槽中进行（图2-8和图2-9）。试样应拌匀分层装入，符合天然级配和密实程度，并浸水饱和两天。然后逐级提高水头，每级水头下维持稳定30min进行观察，直至观察到渗透变形现象（同时记录水位、流量水文等），再逐渐降低水头至渗透变形停止，再提高水头至渗透变形发生，如此反复数次，以最低的开始发生渗透变形的水头作为临界水头，从而求得临界水力坡降。
    现场渗透变形试验对于砂砾石土类有堤坝式、围堰式、现场试件式等，以堤坝式较好。如坝基下不深处有粘土隔水层，则可使隔水墙嵌入粘土层，将试验砂砾层全部封闭起来（图2-10）。如粘土层很深，可用半封闭或不封闭堤坝式（隔水墙深为设计水头的1/2）。试验坝的底宽和长度分别为设计坝的1/100和1/200。
软弱夹层渗透变形现场试验有辐射流法和平行流法。前者是用一个主压水孔，产生辐射渗透，在四周打孔，挖坑观测；后者是打一排孔联合压水，使试验地段的中心地带，产生近于平行流渗透，在下打孔、挖坑观测。后一种方法与坝基实际渗流状态接近，具体布置如图2-11。
现场试验也是逐级升压，逐级稳定，并经历试验与逐级减压两个阶段。一般在每级压力下要稳定2～3h，所以试验历时较长。试验结束，绘制流量与压力关系曲线或1gI~1gv关系曲线，以曲线转折点求出I。（图2-12）
（5）确定允许水力坡降。临界水力坡降除以安全系数即为允许水力坡降。安全系数在1.5—3.0之间选取，这要考虑到工程的等级、水文工程地质条件，试验成果的代表性和精度等因素。把允许水力坡降与实际水力坡降相比较，如果实际水力坡降小于允许水力坡降则是安全的，否则是危险的。当预测到有发生渗透变形危险时，为保证坝基稳定，应采取加长渗流途径和排水减压措施，以降低水力坡降，以及在渗流出口处设置反滤层等措施。
2.6渗透变形的防治措施
控制坝基及地基的渗流，其主要任务可归结为三点：一是尽量减少渗漏量；二是提早释放渗透压力，保证地基与水工建筑物有足够的静力稳定性；三是防止渗透破坏，保证渗透稳定性。因此，渗透变形的防治措施可分为渗流水动力条件改变、渗流出口保护和土石性质改善等三个方面。
1)建筑物深挖基坑及地下巷道施工时流砂破坏的防治
这种防治措施主要采用人工降低地下水位的方法，使地下水位或水头低于基坑底板。其目的是在防治流砂的同时，又防止了地下水涌入基坑。也可采用板桩防护墙施工。
水平坑道、竖井开挖遇流砂时，前者可采用盾构法施工，后者采用沉井式支护掘井。目前工程中也可采用冻结法或电动硅化法改善砂土性质，使施工顺利进行。
2)抽水井防止管涌的措施
通过在过滤管与井壁间充填反滤料，以保护渗流出口。反滤料的粒径选择必须考虑到被保护的含水层中潜蚀颗粒的大小，以细颗粒不能穿过反滤料孔隙为原则。
3)土石坝坝基渗流控制措施
坝基有岩基和非岩基两大类，非岩基也称为松散地基。对松散地基的渗流通常采用垂直和水平两种控制手段，具体措施有：①设置截水槽；②浇筑混凝土防渗墙或灌浆帷幕；③铺筑上游水平防渗铺盖。土石坝基的渗流控制主要是防渗和保证渗透稳定，如我国黄河小浪底工程高154m的土石坝及三峡工程二期围堰堰体等均采用防渗墙和防渗帷幕灌浆结合防止坝基渗流。
(1)防渗帷幕
     在大坝靠上游面的地基中，平行坝铀线打一排或几排钻孔，在高压下将水泥等浆液压入基岩的裂隙或断层破碎带中，待凝固后就形成一道隔水的屏幕，称为防渗帷幕。帷幕的深度、厚度、灌浆孔距、排距、灌浆压等参数，应根据水文地质工程地质条件、建筑物规模及其防渗要求综合考虑，最好由现场灌浆试验确定。
     防渗帷幕的防渗标准，按规范规定，不同坝高在防渗帷幕体内要求岩体的单位吸水量为:高坝ω<0·O1L/(min·m·m);中坝ω=0.01～0.03L/(min·m.m);低坝ω<0.03～0·05L/(min·m·m)。一般帷幕应深人到相对不透水层岩体内3～5m，成为接地式帷幕。当不透水层很深时，也可作悬挂式帷幕。帷幕深度可在0.3～0.7倍坝高范围内选取，帷幕的厚度应根据地质条件、帷幕的允许水力坡降、幕体的密实程度和防渗标准、稳定性而定。一般高坝设两排帷幕，中低坝设一排帷幕。一排帷幕的厚度约:为0.7～0.8孔距。孔距一般为1.5～4.0m，排距略小于孔距。帷幕应向两岸延伸至设计水位与不透水层相交处为止;或延伸至设计水位与蓄水前天然地下水位相交处为止，以防止绕坝渗漏。灌浆压力可在l～3倍水头范围内选取。乌江渡拱形重力坝坝高165m，建于岩溶地区，帷幕灌浆压力达60～80xl05Pa，灌浆后ω降低到0.OOlL/(min·m·m)，建成了质量较高的防渗
帷幕。
    砂砾石层坝基的防渗帷幕，设于心墙、斜墙或铺盖之下。
     (2)防渗墙和铺盖
    当砂砾石透水层不厚时，可挖出梯形糟回填粘土成为截水槽。当透水层厚时可用板桩、混凝土连锁管柱和混凝土防渗墙等垂直防渗措施截断透水层。用大直径钻孔造圆孔或槽孔，然后回填混凝土与不透水层相接，各孔相互搭接成为连续的横河防渗墙，效果较好(图2-14) 。当透水层很厚时，则宜在坝上游采用粘土铺盖。
　　（3）坝基排水
为了阻截透过防渗帷幕的渗水，减少坝基扬压力，一般都在防渗帷幕下游设置排水孔组成主排水幕。在主排水幕下游视情况增设１～３道辅助排水幕，并设专门排水廊道，供排水孔施工、观测和检查维修用。岸坡坝段亦设纵横向排水廊道。由排水幕和纵横廊道组成了坝基排水系统，把水流汇集于高程低于下游水位的集水井，由水泵抽水排向下游，于是形成了闭路式抽水减压排水系统（图2-14）。
砂砾石坝基在防渗的同时，在下游也常采用排渗沟和减压井（图2-15）进一步降低剩余水头压力，确保大坝安全。