1、第十三章第十三章 渗透变形的工程地质分析渗透变形的工程地质分析工程地质分析原理工程地质分析原理n13.1 基本概念及研究意义基本概念及研究意义n 凡有渗流就有渗流力凡有渗流就有渗流力 （ seepage force)或称水动或称水动压力压力 (hydrodynamic force)。此压力达一定值时，土。此压力达一定值时，土中的某些颗粒就会被渗透水流携带和搬运，这种地中的某些颗粒就会被渗透水流携带和搬运，这种地下水的侵蚀作用称为下水的侵蚀作用称为 潜蚀潜蚀 (suffosion)。严格说来，潜。严格说来，潜蚀应包括蚀应包括 化学潜蚀化学潜蚀 和和 机械潜蚀机械潜蚀 。前者是土石中某些。前者是土
2、石中某些可溶组分被渗透水流溶解和搬运；后者为不溶颗粒可溶组分被渗透水流溶解和搬运；后者为不溶颗粒被渗透水流带走。可使土石结构变松，强度降低，被渗透水流带走。可使土石结构变松，强度降低，这种变化可称为土石这种变化可称为土石 渗透变形渗透变形 (seepage deformation)或或 渗透破坏渗透破坏 。n13.1 基本概念及研究意义基本概念及研究意义n 强烈的渗透变形会在渗流出口处侵蚀成孔洞，强烈的渗透变形会在渗流出口处侵蚀成孔洞，孔洞又会促使渗透途径已经减短、水力梯度有所增孔洞又会促使渗透途径已经减短、水力梯度有所增大的渗流向它集中，而在孔洞末端集中的渗透水流大的渗流向它集中，而在孔洞末
3、端集中的渗透水流就具有更大的侵蚀能力，所以孔洞就不断沿最大水就具有更大的侵蚀能力，所以孔洞就不断沿最大水力梯度线溯源发展，终至形成一条水流集中的管道力梯度线溯源发展，终至形成一条水流集中的管道 (图图 13-1)，由管道中涌出的水携带较大量的土颗粒，由管道中涌出的水携带较大量的土颗粒，这就是这就是 管涌管涌 (piping)。可见它是潜蚀强烈发展而出现。可见它是潜蚀强烈发展而出现的一种特有的不良地质作用，往往形成地质灾害。的一种特有的不良地质作用，往往形成地质灾害。我国工程技术界则常用于泛称一般的机械潜蚀作用我国工程技术界则常用于泛称一般的机械潜蚀作用。渗透水流导致孔洞通道不断向源延伸和扩大的
4、渗透水流导致孔洞通道不断向源延伸和扩大的 作用作用 ：(1) 淋蚀淋蚀 (eluviation)或或 渗流侵蚀渗流侵蚀 (seepage erosion) 当土层中细小颗粒小于与之呈互层状产出的砂、砾层中的当土层中细小颗粒小于与之呈互层状产出的砂、砾层中的孔隙，则细小颗粒可被渗透水流所携带，并穿过这些孔隙通道孔隙，则细小颗粒可被渗透水流所携带，并穿过这些孔隙通道而被搬运走。土中的细微裂缝、虫孔、兽穴、根孔等大孔洞，而被搬运走。土中的细微裂缝、虫孔、兽穴、根孔等大孔洞，也可成为地下水流搬运细小颗粒的通道。这种渗透水流的选择也可成为地下水流搬运细小颗粒的通道。这种渗透水流的选择性侵蚀，可能是土中管
5、道开始形成的主导方式。性侵蚀，可能是土中管道开始形成的主导方式。(2 ) 渗流面蚀渗流面蚀 (seepage-face erosion)饱水敏感土于斜坡面出露，集中渗流可携带其出口处的土饱水敏感土于斜坡面出露，集中渗流可携带其出口处的土粒顺流而下将之搬运走，于是出口处首先形成一凹坑并累进性粒顺流而下将之搬运走，于是出口处首先形成一凹坑并累进性切入坡内，逐步发展为一个地下管道。使渗流流线聚敛的因素切入坡内，逐步发展为一个地下管道。使渗流流线聚敛的因素有地形、岩性或细微裂隙等。有地形、岩性或细微裂隙等。(3) 孔道冲刷孔道冲刷 (tunnel scour) 土或易蚀基岩中的孔洞或管道开始形成之后，
6、通过这类孔土或易蚀基岩中的孔洞或管道开始形成之后，通过这类孔道流动的集中水流即可冲刷孔道壁、冲走可由壁上脱落下来的道流动的集中水流即可冲刷孔道壁、冲走可由壁上脱落下来的颗粒而使孔道不断扩大。颗粒而使孔道不断扩大。n 管涌可以多种方式出现，如渗流面管涌、土裂隙管管涌可以多种方式出现，如渗流面管涌、土裂隙管涌和虫涌和虫 (兽兽 )穴管涌等。在自然条件下，潜蚀和管涌可以穴管涌等。在自然条件下，潜蚀和管涌可以在干旱区黄土中形成地下洞穴，也可在红层中形成洞穴在干旱区黄土中形成地下洞穴，也可在红层中形成洞穴。洞穴末端陷落即形成落水洞，而当大部分顶拱塌落即。洞穴末端陷落即形成落水洞，而当大部分顶拱塌落即形成
7、残留有形成残留有 “天生桥天生桥 的深冲沟等。这些地貌形态组合由的深冲沟等。这些地貌形态组合由于类似于喀斯特故一般称为于类似于喀斯特故一般称为 假喀斯特假喀斯特 (pseudokarst)。在。在温湿区在洪泛平原被河流下切形成的岸坡上，可形成渗温湿区在洪泛平原被河流下切形成的岸坡上，可形成渗流流 面蚀管涌，管涌发展使地下汇水区内部分被掏空引面蚀管涌，管涌发展使地下汇水区内部分被掏空引起地表下陷而出现潜蚀洼地；或在较陡斜坡上由于潜蚀起地表下陷而出现潜蚀洼地；或在较陡斜坡上由于潜蚀而引起滑坡。而引起滑坡。n 由于工程活动所引起的潜蚀和管涌更为常见。如开挖由于工程活动所引起的潜蚀和管涌更为常见。如开
8、挖深基坑或采矿竖井穿过饱水粉细砂层，在基坑或竖井中大量深基坑或采矿竖井穿过饱水粉细砂层，在基坑或竖井中大量排除地下水，造成坑排除地下水，造成坑 (井井 )内与边壁之间的大水头差，地下水内与边壁之间的大水头差，地下水层便会携带大量砂土由边壁涌入坑层便会携带大量砂土由边壁涌入坑 (井井 )之中，这就是工程中之中，这就是工程中通称的通称的 流砂流砂 (quick sand)，有时也会在坑底出现，有时也会在坑底出现 喷砂喷砂 或或 砂沸砂沸(sand boil) ；钻井快速抽取地下水，含水层中的水即向集水；钻井快速抽取地下水，含水层中的水即向集水井流动，由于愈接近井筒水力梯度愈大，高水力梯度地下水井流
9、动，由于愈接近井筒水力梯度愈大，高水力梯度地下水流的潜蚀可将细小砂粒携入井中，使井筒逐渐被砂淤满，抽流的潜蚀可将细小砂粒携入井中，使井筒逐渐被砂淤满，抽水机具被埋。水机具被埋。n 管涌更多的与修建堤坝相联系。大河两岸修建防洪堤后管涌更多的与修建堤坝相联系。大河两岸修建防洪堤后，洪水期间堤内外之间有一定的水头差，而建坝壅水之后坝，洪水期间堤内外之间有一定的水头差，而建坝壅水之后坝上、下游之间的水头差更会显著增大，渗流力或水动压力与上、下游之间的水头差更会显著增大，渗流力或水动压力与水力梯度呈正比增大，所以产生潜蚀的水动力条件就形成了水力梯度呈正比增大，所以产生潜蚀的水动力条件就形成了。如果坝为土
10、石坝、坝基土石为透水的砂质土且具有产生强。如果坝为土石坝、坝基土石为透水的砂质土且具有产生强烈潜蚀的颗粒成分及结构条件，而防渗措施又不得当，往往烈潜蚀的颗粒成分及结构条件，而防渗措施又不得当，往往会造成管涌甚至造成溃坝、溃堤。会造成管涌甚至造成溃坝、溃堤。 n 典型的管涌可以黑龙江的龙风山坝典型的管涌可以黑龙江的龙风山坝 (图图 13-2)为例。该坝为斜为例。该坝为斜墙砂壳坝，坝基表面为厚约墙砂壳坝，坝基表面为厚约 1.0m的淤泥质亚粘土，其下为渗透性的淤泥质亚粘土，其下为渗透性强的砂砾石层，厚约强的砂砾石层，厚约 1015 m。出险段坝高仅。出险段坝高仅 18m，上游未做铺，上游未做铺盖，下
11、游亚粘土层既未挖除也未加反滤压重，当坝前水深升高到盖，下游亚粘土层既未挖除也未加反滤压重，当坝前水深升高到7.5m时，下游坝脚处时，下游坝脚处 20m范围内即广泛出现孔径范围内即广泛出现孔径 35mm的小泉，的小泉，两个月后坝前水深增到两个月后坝前水深增到 11m，泉数减小但有些泉孔径变大，最大，泉数减小但有些泉孔径变大，最大者直径达者直径达 l0cm，流出的水中也开始有灰黄色淤泥。次日水深达，流出的水中也开始有灰黄色淤泥。次日水深达12.3m，坝外，坝外 36m范围内多处向外涌水，涌水口孔径大者达范围内多处向外涌水，涌水口孔径大者达 15cm且翻水冒泥，流量也不断增大。此后不得不降低库水位，
12、但涌水且翻水冒泥，流量也不断增大。此后不得不降低库水位，但涌水孔径仍继续扩大，冒水高度增高，表明上下游之间已经形成连通孔径仍继续扩大，冒水高度增高，表明上下游之间已经形成连通的集中渗流管道，即潜蚀已发展成管涌。只好采取的集中渗流管道，即潜蚀已发展成管涌。只好采取 “围井围井 ”措施，措施，即在涌水孔周围围以土堤，但随围井升高涌水也升高。两天后库即在涌水孔周围围以土堤，但随围井升高涌水也升高。两天后库水位虽已降至水位虽已降至 11.2m，围井却已高达，围井却已高达 8.3m，流量达，流量达 lm3 s而无法而无法制止，所以只好由潜水员在上游找出进水口并以砂袋堵塞，这样制止，所以只好由潜水员在上游
13、找出进水口并以砂袋堵塞，这样下游涌水才基本停止。渗透水流由坝基带出泥砂总计达下游涌水才基本停止。渗透水流由坝基带出泥砂总计达 2000m3，经开挖检查，上下游均挖出渗流通道。，经开挖检查，上下游均挖出渗流通道。 n 建于风化层未清除干净的基岩上的砌石坝也出现过建于风化层未清除干净的基岩上的砌石坝也出现过因渗透变形而失事的例子。第十一章所述的四川永川的因渗透变形而失事的例子。第十一章所述的四川永川的陈食和合川的渣口石两座砌石连拱坝，坝高陈食和合川的渣口石两座砌石连拱坝，坝高 23m，建于，建于风化层未完全清除的红色泥岩、砂岩上。坝基风化岩石风化层未完全清除的红色泥岩、砂岩上。坝基风化岩石中有平行
14、于河谷的陡倾裂隙，有的开口中有平行于河谷的陡倾裂隙，有的开口 20cm，粘土充，粘土充填。水库蓄水之后即沿此裂隙产生渗流。随库水位升高填。水库蓄水之后即沿此裂隙产生渗流。随库水位升高，渗流加剧，且涌水时清时浊，表明充填的粘土已被渗，渗流加剧，且涌水时清时浊，表明充填的粘土已被渗透水流冲刷。冲刷与渗流相互促进，终致在透水流冲刷。冲刷与渗流相互促进，终致在 3号拱下形号拱下形成涌水洞，在十几分钟内近百万方库水通过此洞泄流殆成涌水洞，在十几分钟内近百万方库水通过此洞泄流殆尽，将坝基冲蚀了尽，将坝基冲蚀了 7m深，连同被冲蚀的坝身成为高深，连同被冲蚀的坝身成为高 13m宽宽 8m的冲蚀洞。坝基中若有埋藏较深的缓倾软弱夹层的冲蚀洞。坝基中若有埋藏较深的缓倾软弱夹层，还需考虑由于潜蚀使软弱夹层强度降低，以致产生深，还需考虑由于潜蚀使软弱夹层强度降低，以致产生深层滑动的可能。层滑动的可能。
