第2章巖體的滲透特性

1、第2章 巖體的滲透特性,華北水利水電學(xué)院巖土工程系巖石力學(xué)課程組,水在巖土體孔隙中的流動(dòng)過(guò)程稱為滲透。巖土體具有滲透的性質(zhì)稱為巖土體的滲透性。,2.1 概述,第2章 巖體的滲透特性,,由水的滲透引起巖土體邊坡失穩(wěn)、邊坡變形、地基變形、巖溶滲透塌陷等均屬于巖土體的滲透穩(wěn)定問(wèn)題。水在孔隙介質(zhì)中的滲透問(wèn)題，目前的研究在試驗(yàn)及理論上都有一定的水平，在解決實(shí)際問(wèn)題方面也能夠較好地反映土在孔隙介質(zhì)中的滲流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。,在一定的水力梯度或壓力

2、作用下，巖石能被水透過(guò)的性質(zhì)，稱為透水性。對(duì)孔隙介質(zhì)巖體，一般認(rèn)為，水在巖石中的流動(dòng)，如同水在土中流動(dòng)一樣，也服從于線性滲流規(guī)律——達(dá)西定律；滲透系數(shù)是表征巖石透水性的重要指標(biāo)，其大小取決于巖石中空隙、裂隙的數(shù)量、規(guī)模及連通情況等，并可在室內(nèi)根據(jù)達(dá)西定律測(cè)定。巖石的滲透性一般都很小，遠(yuǎn)小于相應(yīng)巖體的透水性，新鮮致密巖石的滲透系數(shù)一般均小于10-7cm/s量級(jí)。同一種巖石，有裂隙發(fā)育時(shí)，滲透系數(shù)急劇增大，一般比新鮮巖石大4～6個(gè)數(shù)量

3、級(jí)，甚至更大，說(shuō)明空隙性對(duì)巖石透水性的影響是很大的,巖石的透水性：,2.2 巖土體的滲透性,巖體的滲透性是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，根據(jù)目前的研究，巖體的滲流大體可劃分為準(zhǔn)均勻介質(zhì)滲流、裂隙性介質(zhì)滲流和巖溶性介質(zhì)滲流三種。(1)準(zhǔn)均勻介質(zhì)滲流： 屬于這一類型的有全、強(qiáng)風(fēng)化帶及弱風(fēng)化帶的中上部的多孔隙砂巖。在該滲流場(chǎng)中，達(dá)西定律基本上適用；(2)  裂隙性介質(zhì)滲流：裂隙性介質(zhì)滲流是巖體滲流的基本形式，水的滲流主要受裂隙的類型、

4、裂隙的大小、裂隙的產(chǎn)狀及裂隙充填情況所控制。,巖體的滲透性：,2.2 巖土體的滲透性,(3)巖溶介質(zhì)滲流：巖溶介質(zhì)滲流是巖體滲流最復(fù)雜的一種形式，由于受巖溶的發(fā)育規(guī)律所控制，巖溶的滲流具有間歇性、隱伏性、封閉性和地下水系等特點(diǎn)。巖溶介質(zhì)滲流的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：①多循環(huán)系統(tǒng)共存 這是巖溶介質(zhì)滲流最突出的特點(diǎn)之一。如一個(gè)泉眼可能是一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的排泄點(diǎn)，也可能是幾個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的排泄點(diǎn)。同時(shí)，單個(gè)系統(tǒng)在空間上可以相互交叉。

5、②裂隙性滲流與管道型滲流共存。③多種滲流特征參數(shù)共存。,巖體的滲透性：,2.2 巖土體的滲透性,《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-99）規(guī)定，巖土滲透性可按表2－3分級(jí)。,巖土滲透性分級(jí)：,2.2 巖土體的滲透性,壩基下的滲透水流，使巖土體中的某些顆粒移動(dòng)或顆粒成分、結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為滲透變形或滲透破壞。滲透變形對(duì)土石壩穩(wěn)定影響極大，據(jù)美國(guó)發(fā)表的資料，在破壞的土石壩中，有40％是由于壩基或壩體土的滲透變形所造

6、成。我國(guó)對(duì)有問(wèn)題的土石壩的調(diào)查發(fā)現(xiàn)其中由滲透變形所引起者竟達(dá)60％。四川陳倉(cāng)水庫(kù)條石拱壩的實(shí)事便是一例。該壩由于清基不徹底，在三號(hào)拱基下發(fā)生滲透變形，不僅把紅色風(fēng)化泥巖裂隙中的粘土沖蝕，而且把泥巖也沖蝕了7m深，連同被沖蝕的壩身成為一個(gè)高13m，寬8m的沖蝕洞。壩基滲透變形的主要類型是管涌和流土。,壩基下的滲透：,2.3 壩基滲透穩(wěn)定性分析,在工程地質(zhì)勘測(cè)的基礎(chǔ)上壩基滲透穩(wěn)定性的分析步驟如下：（1）在宏觀第四紀(jì)地層結(jié)構(gòu)分析或軟弱

7、夾層研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行壩基滲透變形特征的分段。（2）根據(jù)巖性和顆粒分析以及物理分析試驗(yàn)資料，對(duì)各地段進(jìn)行滲透變形類型的預(yù)測(cè)。（3）確定壩基各點(diǎn)的實(shí)際水力坡降。確定方法有理論計(jì)算法、流網(wǎng)法、水電比擬法和觀察法等。初步判定可用計(jì)算法。 雙層結(jié)構(gòu)且透水層厚度穩(wěn)定，壩下溢出平均水力坡度為：,2.3 壩基滲透穩(wěn)定性分析,,（4）確定臨界水力坡降。確定臨界水力坡降有計(jì)算法、試驗(yàn)法和經(jīng)驗(yàn)數(shù)值法。①計(jì)算法，臨界水力坡降可用式（2-7）

8、計(jì)算。②試驗(yàn)法 確定臨界水力坡降的試驗(yàn)法有室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)多在透明的有機(jī)玻璃滲透儀或水槽中進(jìn)行（圖2-8和圖2-9）。,2.3 壩基滲透穩(wěn)定性分析,,,,現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn)對(duì)于砂礫石土類有堤壩式、圍堰式、現(xiàn)場(chǎng)試件式等，以堤壩式較好。,2.3 壩基滲透穩(wěn)定性分析,,,,,如壩基下不深處有粘土隔水層，則可使隔水墻嵌入粘土層，將試驗(yàn)砂礫層全部封閉起來(lái)（圖2-10）。如粘土層很深，可用半封閉或不封閉堤壩式（隔水墻深為設(shè)計(jì)水頭的1

9、/2）。試驗(yàn)壩的底寬和長(zhǎng)度分別為設(shè)計(jì)壩的1/100和1/200。,軟弱夾層滲透變形現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)有輻射流法和平行流法。前者是用一個(gè)主壓水孔，產(chǎn)生輻射滲透，在四周打孔，挖坑觀測(cè)；后者是打一排孔聯(lián)合壓水，使試驗(yàn)地段的中心地帶，產(chǎn)生近于平行流滲透，后一種方法與壩基實(shí)際滲流狀態(tài)接近，具體布置如圖2-11。,2.3 壩基滲透穩(wěn)定性分析,,,,,圖2-11軟弱夾層現(xiàn)場(chǎng)滲透變形試驗(yàn)布置圖,,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也是逐級(jí)升壓，逐級(jí)穩(wěn)定，并經(jīng)歷試驗(yàn)與逐級(jí)減壓兩個(gè)階段。一

10、般在每級(jí)壓力下要穩(wěn)定2～3h，所以試驗(yàn)歷時(shí)較長(zhǎng)。試驗(yàn)結(jié)束，繪制流量與壓力關(guān)系曲線或1gI~1gv關(guān)系曲線，以曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)求出I。（圖2-12）,2.3 壩基滲透穩(wěn)定性分析,,,,,,,控制壩基及地基的滲流，其主要任務(wù)可歸結(jié)為三點(diǎn)：一是盡量減少滲漏量；二是提早釋放滲透壓力，保證地基與水工建筑物有足夠的靜力穩(wěn)定性；三是防止?jié)B透破壞，保證滲透穩(wěn)定性。滲透變形的防治措施可分為滲流水動(dòng)力條件改變、滲流出口保護(hù)和土石性質(zhì)改善等三個(gè)方面。,

11、2.4 滲透變形的防治措施,這種防治措施主要采用人工降低地下水位的方法，使地下水位或水頭低于基坑底板。其目的是在防治流砂的同時(shí)，又防止了地下水涌入基坑。也可采用板樁防護(hù)墻施工。水平坑道、豎井開挖遇流砂時(shí)，前者可采用盾構(gòu)法施工，后者采用沉井式支護(hù)掘井。目前工程中也可采用凍結(jié)法或電動(dòng)硅化法改善砂土性質(zhì)，使施工順利進(jìn)行。,1)建筑物深挖基坑及地下巷道施工時(shí)流砂破壞的防治,2.4 滲透變形的防治措施,通過(guò)在過(guò)濾管與井壁間充填反濾料，以保

12、護(hù)滲流出口。反濾料的粒徑選擇必須考慮到被保護(hù)的含水層中潛蝕顆粒的大小，以細(xì)顆粒不能穿過(guò)反濾料孔隙為原則。,2)抽水井防止管涌的措施,2.4 滲透變形的防治措施,壩基有巖基和非巖基兩大類，非巖基也稱為松散地基。對(duì)松散地基的滲流通常采用垂直和水平兩種控制手段，具體措施有：①設(shè)置截水槽；②澆筑混凝土防滲墻或灌漿帷幕；③鋪筑上游水平防滲鋪蓋。土石壩基的滲流控制主要是防滲和保證滲透穩(wěn)定，如我國(guó)黃河小浪底工程高154m的土石壩及三峽工

13、程二期圍堰堰體等均采用防滲墻和防滲帷幕灌漿結(jié)合防止壩基滲流。,3)土石壩壩基滲流控制措施,2.4 滲透變形的防治措施,(1)防滲帷幕 在大壩靠上游面的地基中，平行壩鈾線打一排或幾排鉆孔，在高壓下將水泥等漿液壓入基巖的裂隙或斷層破碎帶中，待凝固后就形成一道隔水的屏幕，稱為防滲帷幕。帷幕的深度、厚度、灌漿孔距、排距、灌漿壓等參數(shù)，應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)工程地質(zhì)條件、建筑物規(guī)模及其防滲要求綜合考慮，最好由現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)確定。,3)土石壩壩基滲流控制

14、措施,2.4 滲透變形的防治措施,,圖2-13 砂礫石壩基防滲處理示意圖,(2)防滲墻和鋪蓋 當(dāng)砂礫石透水層不厚時(shí)，可挖出梯形糟回填粘土成為截水槽。當(dāng)透水層厚時(shí)可用板樁、混凝土連鎖管柱和混凝土防滲墻等垂直防滲措施截?cái)嗤杆畬?。用大直徑鉆孔造圓孔或槽孔，然后回填混凝土與不透水層相接，各孔相互搭接成為連續(xù)的橫河防滲墻，效果較好(圖2-14) 。當(dāng)透水層很厚時(shí)，則宜在壩上游采用粘土鋪蓋。,3)土石壩壩基滲流控制措施,2.4 滲透變形的防