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土力学与地基基础学习课件第1页，本讲稿共19页 水水在在岩岩土土体体孔孔隙隙中中的的流流动动过过程程称称为为渗渗透透。岩岩土土体体具具有有渗渗透透的的性性质质称称为为岩岩土体的渗透性。土体的渗透性。2.1 2.1 概述概述第第2 2章章 岩体的渗透特性岩体的渗透特性 由由水水的的渗渗透透引引起起岩岩土土体体边边坡坡失失稳稳、边边坡坡变变形形、地地基基变变形形、岩岩溶溶渗渗透透塌塌陷陷等等均均属属于于岩岩土土体体的的渗渗透透稳稳定定问问题题。水水在在孔孔隙隙介介质质中中的的渗渗透透问问题题，目目前前的的研研究究在在试试验验及及理理论论上上都都有有一一定定的的水水平平，在在解解决决实实际际问问题题方方面面也也能能够够较较好好地地反反映映土土在在孔孔隙隙介介质质中中的的渗渗流流的的运动规律运动规律。第2页，本讲稿共19页在在一一定定的的水水力力梯梯度度或或压压力力作作用用下下，岩岩石石能能被被水水透透过过的的性性质质，称称为为透透水水性性。对对孔孔隙隙介介质质岩岩体体，一一般般认认为为，水水在在岩岩石石中中的的流流动动，如如同同水水在在土土中中流流动动一一样样，也也服服从从于于线线性性渗渗流流规规律律达达西西定定律；律；渗渗透透系系数数是是表表征征岩岩石石透透水水性性的的重重要要指指标标，其其大大小小取取决决于于岩岩石石中中空空隙隙、裂裂隙隙的的数数量量、规规模及模及连连通情况等，并可在室内根据达西定律通情况等，并可在室内根据达西定律测测定。定。岩岩石石的的渗渗透透性性一一般般都都很很小小，远远小小于于相相应应岩岩体体的的透透水水性性，新新鲜鲜致致密密岩岩石石的的渗渗透透系系数数一一般般均小于均小于1010-7-7cm/scm/s量量级级。同同一一种种岩岩石石，有有裂裂隙隙发发育育时时，渗渗透透系系数数急急剧剧增增大大，一一般般比比新新鲜鲜岩岩石石大大4 46 6个个数数量量级级，甚至更大，甚至更大，说说明空隙性明空隙性对对岩石透水性的影响是很大的岩石透水性的影响是很大的 岩石的透水性岩石的透水性：2.2 2.2 岩土体的渗透性岩土体的渗透性第3页，本讲稿共19页岩岩体体的的渗渗透透性性是是一一个个复复杂杂的的问问题题，根根据据目目前前的的研研究究，岩岩体体的的渗渗流流大大体体可可划划分分为为准准均均匀匀介介质质渗渗流流、裂裂隙隙性性介介质质渗渗流和岩溶性介质渗流三种。流和岩溶性介质渗流三种。(1)(1)准准均均匀匀介介质质渗渗流流：属属于于这这一一类类型型的的有有全全、强强风风化化带带及及弱弱风风化化带带的的中中上上部部的的多多孔孔隙隙砂砂岩岩。在在该该渗渗流流场场中中，达达西西定定律律基本上适用；基本上适用；(2)(2)裂裂隙隙性性介介质质渗渗流流：裂裂隙隙性性介介质质渗渗流流是是岩岩体体渗渗流流的的基基本本形形式式，水水的的渗渗流流主主要要受受裂裂隙隙的的类类型型、裂裂隙隙的的大大小小、裂裂隙隙的的产产状及裂隙充填情况所控制。状及裂隙充填情况所控制。岩体的渗透性岩体的渗透性：2.2 2.2 岩土体的渗透性岩土体的渗透性第4页，本讲稿共19页(3)(3)岩岩溶溶介介质质渗渗流流：岩岩溶溶介介质质渗渗流流是是岩岩体体渗渗流流最最复复杂杂的的一一种种形形式式，由由于于受受岩岩溶溶的的发发育育规规律律所所控控制制，岩岩溶溶的的渗渗流流具具有有间间歇歇性性、隐隐伏伏性性、封封闭闭性性和和地地下下水水系系等特点。等特点。岩溶介质渗流的复杂性主要表现在以下三个方面：岩溶介质渗流的复杂性主要表现在以下三个方面：多多循循环环系系统统共共存存 这这是是岩岩溶溶介介质质渗渗流流最最突突出出的的特特点点之之一一。如如一一个个泉泉眼眼可可能能是是一一个个循循环环系系统统的的排排泄泄点点，也也可可能能是是几几个个循循环环系系统统的的排排泄泄点点。同同时时，单单个个系系统统在在空空间间上上可可以以相相互交叉。互交叉。裂隙性渗流与管道型渗流共存。裂隙性渗流与管道型渗流共存。多种渗流特征参数共存。多种渗流特征参数共存。岩体的渗透性岩体的渗透性：2.2 2.2 岩土体的渗透性岩土体的渗透性第5页，本讲稿共19页水利水电工程地质勘察规范水利水电工程地质勘察规范（GB50287-99）规定，岩土渗透性可按表）规定，岩土渗透性可按表23分级。分级。岩土渗透性分级岩土渗透性分级：2.2 2.2 岩土体的渗透性岩土体的渗透性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K10-6q0.1完整岩石，含等价开度0.025mm裂隙的岩体粘土微透水10-6K10-50.1q1含等价开度0.0250.05mm裂隙的岩体粘土粉土弱透水10-5K10-41q10含等价开度0.050.01mm裂隙的岩体粉土细粒土质砂中等透水10-4K10-210q100含等价开度0.010.5mm裂隙的岩体砂砂砾强透水10-2K2.5mm裂隙的岩体粒径均匀的巨砾第6页，本讲稿共19页坝坝基基下下的的渗渗透透水水流流，使使岩岩土土体体中中的的某某些些颗颗粒粒移移动动或或颗颗粒粒成成分分、结结构构发发生生改改变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，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，据据美美国国发发表表的的资资料料，在在破破坏坏的的土土石石坝坝中中，有有4040是是由由于于坝坝基基或或坝坝体体土土的的渗渗透变形所造成。透变形所造成。我我国国对对有有问问题题的的土土石石坝坝的的调调查查发发现现其其中中由由渗渗透透变变形形所所引引起起者者竟竟达达6060。四四川川陈陈仓仓水水库库条条石石拱拱坝坝的的实实事事便便是是一一例例。该该坝坝由由于于清清基基不不彻彻底底，在在三三号号拱拱基基下下发发生生渗渗透透变变形形，不不仅仅把把红红色色风风化化泥泥岩岩裂裂隙隙中中的的粘粘土土冲冲蚀蚀，而而且且把把泥泥岩也冲蚀了岩也冲蚀了7m7m深，连同被冲蚀的坝身成为一个高深，连同被冲蚀的坝身成为一个高13m13m，宽，宽8m8m的冲蚀洞。的冲蚀洞。坝基渗透变形的主要类型是坝基渗透变形的主要类型是管涌和流土管涌和流土。坝基下的渗透坝基下的渗透：2.3 2.3 坝基渗透稳定性分析坝基渗透稳定性分析第7页，本讲稿共19页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：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 1）在在宏宏观观第第四四纪纪地地层层结结构构分分析析或或软软弱弱夹夹层层研研究究的的基基础础上上，进进行行坝坝基基渗渗透透变形特征的分段。变形特征的分段。（2 2）根根据据岩岩性性和和颗颗粒粒分分析析以以及及物物理理分分析析试试验验资资料料，对对各各地地段段进进行行渗渗透透变变形形类类型型的的预预测。测。（3 3）确确定定坝坝基基各各点点的的实实际际水水力力坡坡降降。确确定定方方法法有有理理论论计计算算法法、流流网网法法、水水电比拟法和观察法等。初步判定可用计算法。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：双层结构且透水层厚度稳定，坝下溢出平均水力坡度为：2.3 2.3 坝基渗透稳定性分析坝基渗透稳定性分析第8页，本讲稿共19页（4 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。）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。计算法，临界水力坡降可用式（计算法，临界水力坡降可用式（2-72-7）计算。）计算。试试验验法法确确定定临临界界水水力力坡坡降降的的试试验验法法有有室室内内试试验验和和现现场场试试验验。室室内内试试验验多多在在透透明的有机玻璃渗透仪或水槽中进行（图明的有机玻璃渗透仪或水槽中进行（图2-8和图和图2-9）。）。2.3 2.3 坝基渗透稳定性分析坝基渗透稳定性分析第9页，本讲稿共19页现现场场渗渗透透变变形形试试验验对对于于砂砂砾砾石石土土类类有有堤堤坝坝式式、围围堰堰式式、现现场场试试件件式式等等，以以堤堤坝式较好。坝式较好。2.3 2.3 坝基渗透稳定性分析坝基渗透稳定性分析如坝基下不深处有粘土隔水层，则如坝基下不深处有粘土隔水层，则可使隔水墙嵌入粘土层，将试验砂可使隔水墙嵌入粘土层，将试验砂砾层全部封闭起来（图砾层全部封闭起来（图2-10）。如）。如粘土层很深，可用半封闭或不封闭堤粘土层很深，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试验坝的底宽和长度分别为设计坝的1/100和和1/200。第10页，本讲稿共19页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，后一种方法与坝基实际渗流状态接近，具体布中心地带，产生近于平行流渗透，后一种方法与坝基实际渗流状态接近，具体布置如图置如图2-11。2.3 2.3 坝基渗透稳定性分析坝基渗透稳定性分析图图2-11软弱夹层现场渗透变形试验布置图软弱夹层现场渗透变形试验布置图第11页，本讲稿共19页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。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一般在每级压力下要稳定23h，所以试验历时较长。试验结束，绘制流量与，所以试验历时较长。试验结束，绘制流量与压力关系曲线或压力关系曲线或1gI1gv关系曲线，以曲线转折点求出关系曲线，以曲线转折点求出I。（图。（图2-12）2.3 2.3 坝基渗透稳定性分析坝基渗透稳定性分析第12页，本讲稿共19页控制坝基及地基的渗流，其主要任务可归结为三点：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；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；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。三是防止渗透破坏，保证渗透稳定性。渗渗透透变变形形的的防防治治措措施施可可分分为为渗渗流流水水动动力力条条件件改改变变、渗渗流流出出口口保保护护和和土石性质改善等三个方面。土石性质改善等三个方面。2.4 2.4 渗透变形的防治措施渗透变形的防治措施第13页，本讲稿共19页这这种种防防治治措措施施主主要要采采用用人人工工降降低低地地下下水水位位的的方方法法，使使地地下下水水位位或或水水头头低低于于基基坑坑底底板板。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。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。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。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。1)建筑物深挖基坑及地下巷道施工时流砂破坏的防治建筑物深挖基坑及地下巷道施工时流砂破坏的防治2.4 2.4 渗透变形的防治措施渗透变形的防治措施第14页，本讲稿共19页通过在过滤管与井壁间充填反滤料，以保护渗流出口。通过在过滤管与井壁间充填反滤料，以保护渗流出口。反反滤滤料料的的粒粒径径选选择择必必须须考考虑虑到到被被保保护护的的含含水水层层中中潜潜蚀蚀颗颗粒粒的的大大小小，以以细细颗粒不能穿过反滤料孔隙为原则。颗粒不能穿过反滤料孔隙为原则。2)抽水井防止管涌的措施抽水井防止管涌的措施2.4 2.4 渗透变形的防治措施渗透变形的防治措施第15页，本讲稿共19页坝坝基基有有岩岩基基和和非非岩岩基基两两大大类类，非非岩岩基基也也称称为为松松散散地地基基。对对松松散散地地基基的的渗渗流流通通常常采采用垂直和水平两种控制手段，具体措施有：用垂直和水平两种控制手段，具体措施有：设置截水槽；设置截水槽；浇筑混凝土防渗墙或灌浆帷幕；浇筑混凝土防渗墙或灌浆帷幕；铺筑上游水平防渗铺盖。铺筑上游水平防渗铺盖。土土石石坝坝基基的的渗渗流流控控制制主主要要是是防防渗渗和和保保证证渗渗透透稳稳定定，如如我我国国黄黄河河小小浪浪底底工工程程高高154m的的土土石石坝坝及及三三峡峡工工程程二二期期围围堰堰堰堰体体等等均均采采用用防防渗渗墙墙和和防防渗渗帷帷幕幕灌灌浆浆结结合合防防止止坝坝基渗流。基渗流。3)土石坝坝基渗流控制措施土石坝坝基渗流控制措施2.4 2.4 渗透变形的防治措施渗透变形的防治措施第16页，本讲稿共19页(1)防渗帷幕在在大大坝坝靠靠上上游游面面的的地地基基中中，平平行行坝坝铀铀线线打打一一排排或或几几排排钻钻孔孔，在在高高压压下下将将水水泥泥等等浆浆液液压压入入基基岩岩的的裂裂隙隙或或断断层层破破碎碎带带中中，待待凝凝固固后后就就形形成成一一道道隔隔水水的的屏屏幕幕，称称为为防防渗渗帷帷幕幕。帷帷幕幕的的深深度度、厚厚度度、灌灌浆浆孔孔距距、排排距距、灌灌浆浆压压等等参参数数，应应根根据据水水文文地地质质工工程程地地质质条条件件、建建筑筑物物规规模模及及其其防防渗渗要要求求综综合合考考虑虑，最最好好由由现现场场灌浆试验确定。灌浆试验确定。3)土石坝坝基渗流控制措施土石坝坝基渗流控制措施2.4 2.4 渗透变形的防治措施渗透变形的防治措施图2-13 砂砾石坝基防渗处理示意图 第17页，本讲稿共19页(2)防渗墙和铺盖当当砂砂砾砾石石透透水水层层不不厚厚时时，可可挖挖出出梯梯形形糟糟回回填填粘粘土土成成为为截截水水槽槽。当当透透水水层层厚厚时时可可用用板板桩桩、混混凝凝土土连连锁锁管管柱柱和和混混凝凝土土防防渗渗墙墙等等垂垂直直防防渗渗措措施施截截断断透透水水层层。用用大大直直径径钻钻孔孔造造圆圆孔孔或或槽槽孔孔，然然后后回回填填混混凝凝土土与与不不透透水水层层相相接接，各各孔孔相相互互搭搭接接成成为为连连续续的的横横河河防防渗渗墙墙，效效果果较较好好(图图2-14)。当当透透水水层层很很厚厚时，则宜在坝上游采用粘土铺盖。时，则宜在坝上游采用粘土铺盖。3)土石坝坝基渗流控制措施土石坝坝基渗流控制措施2.4 2.4 渗透变形的防治措施渗透变形的防治措施图2-14基岩坝基排水系统示意图 第18页，本讲稿共19页（3）坝基排水为为了了阻阻截截透透过过防防渗渗帷帷幕幕的的渗渗水水，减减少少坝坝基基扬扬压压力力，一一般般都都在在防防渗渗帷帷幕幕下下游游设设置置排排水水孔孔组组成成主排水幕。（图主排水幕。（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）。）。3)土石坝坝基渗流控制措施土石坝坝基渗流控制措施2.4 2.4 渗透变形的防治措施渗透变形的防治措施图2-15砂砾石坝基排水减压示意图（a）排渗暗沟；（b）减压井（完整井）；（c）减压井（非完整井）第19页，本讲稿共19页