第2章巖體的滲透特性

1、第2章 巖體的滲透特性,華北水利水電學院巖土工程系巖石力學課程組,水在巖土體孔隙中的流動過程稱為滲透。巖土體具有滲透的性質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)定問題。水在孔隙介質中的滲透問題，目前的研究在試驗及理論上都有一定的水平，在解決實際問題方面也能夠較好地反映土在孔隙介質中的滲流的運動規(guī)律。,在一定的水力梯度或壓力

2、作用下，巖石能被水透過的性質，稱為透水性。對孔隙介質巖體，一般認為，水在巖石中的流動，如同水在土中流動一樣，也服從于線性滲流規(guī)律——達西定律；滲透系數(shù)是表征巖石透水性的重要指標，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)達西定律測定。巖石的滲透性一般都很小，遠小于相應巖體的透水性，新鮮致密巖石的滲透系數(shù)一般均小于10-7cm/s量級。同一種巖石，有裂隙發(fā)育時，滲透系數(shù)急劇增大，一般比新鮮巖石大4～6個數(shù)量

3、級，甚至更大，說明空隙性對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復雜的問題，根據(jù)目前的研究，巖體的滲流大體可劃分為準均勻介質滲流、裂隙性介質滲流和巖溶性介質滲流三種。(1)準均勻介質滲流： 屬于這一類型的有全、強風化帶及弱風化帶的中上部的多孔隙砂巖。在該滲流場中，達西定律基本上適用；(2)  裂隙性介質滲流：裂隙性介質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)巖溶介質滲流：巖溶介質滲流是巖體滲流最復雜的一種形式，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。巖溶介質滲流的復雜性主要表現(xiàn)在以下三個方面：①多循環(huán)系統(tǒng)共存 這是巖溶介質滲流最突出的特點之一。如一個泉眼可能是一個循環(huán)系統(tǒng)的排泄點，也可能是幾個循環(huán)系統(tǒng)的排泄點。同時，單個系統(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,《水利水電工程地質勘察規(guī)范》（GB50287-99）規(guī)定，巖土滲透性可按表2－3分級。,巖土滲透性分級：,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或顆粒成分、結構發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為滲透變形或滲透破壞。滲透變形對土石壩穩(wěn)定影響極大，據(jù)美國發(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。我國對有問題的土石壩的調(diào)查發(fā)現(xiàn)其中由滲透變形所引起者竟達60％。四川陳倉水庫條石拱壩的實事便是一例。該壩由于清基不徹底，在三號拱基下發(fā)生滲透變形，不僅把紅色風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,在工程地質勘測的基礎上壩基滲透穩(wěn)定性的分析步驟如下：（1）在宏觀第四紀地層結構分析或軟弱

7、夾層研究的基礎上，進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資料，對各地段進行滲透變形類型的預測。（3）確定壩基各點的實際水力坡降。確定方法有理論計算法、流網(wǎng)法、水電比擬法和觀察法等。初步判定可用計算法。 雙層結構且透水層厚度穩(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算法、試驗法和經(jīng)驗數(shù)值法。①計算法，臨界水力坡降可用式（2-7）

8、計算。②試驗法 確定臨界水力坡降的試驗法有室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗。室內(nèi)試驗多在透明的有機玻璃滲透儀或水槽中進行（圖2-8和圖2-9）。,2.3 壩基滲透穩(wěn)定性分析,,,,現(xiàn)場滲透變形試驗對于砂礫石土類有堤壩式、圍堰式、現(xiàn)場試件式等，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，將試驗砂礫層全部封閉起來（圖2-10）。如粘土層很深，可用半封閉或不封閉堤壩式（隔水墻深為設計水頭的1

9、/2）。試驗壩的底寬和長度分別為設計壩的1/100和1/200。,軟弱夾層滲透變形現(xiàn)場試驗有輻射流法和平行流法。前者是用一個主壓水孔，產(chǎn)生輻射滲透，在四周打孔，挖坑觀測；后者是打一排孔聯(lián)合壓水，使試驗地段的中心地帶，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)場滲透變形試驗布置圖,,現(xiàn)場試驗也是逐級升壓，逐級穩(wěn)定，并經(jīng)歷試驗與逐級減壓兩個階段。一

10、般在每級壓力下要穩(wěn)定2～3h，所以試驗歷時較長。試驗結束，繪制流量與壓力關系曲線或1gI~1gv關系曲線，以曲線轉折點求出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，其主要任務可歸結為三點：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力條件改變、滲流出口保護和土石性質改善等三個方面。,

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，又防止了地下水涌入基坑。也可采用板樁防護墻施工。水平坑道、豎井開挖遇流砂時，前者可采用盾構法施工，后者采用沉井式支護掘井。目前工程中也可采用凍結法或電動硅化法改善砂土性質，使施工順利進行。,1)建筑物深挖基坑及地下巷道施工時流砂破壞的防治,2.4 滲透變形的防治措施,通過在過濾管與井壁間充填反濾料，以保

12、護滲流出口。反濾料的粒徑選擇必須考慮到被保護的含水層中潛蝕顆粒的大小，以細顆粒不能穿過反濾料孔隙為原則。,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)，應根據(jù)水文地質工程地質條件、建筑物規(guī)模及其防滲要求綜合考慮，最好由現(xiàn)場灌漿試驗確定。,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 當砂礫石透水層不厚時，可挖出梯形糟回填粘土成為截水槽。當透水層厚時可用板樁、混凝土連鎖管柱和混凝土防滲墻等垂直防滲措施截斷透水層。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) 。當透水層很厚時，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