高等土力学读书报告

指导教师：张 远 芳   教授

学生姓名：  周 海 雷    

学    号：   09020099   

专    业：  水利水电工程

20##年03月

目录

第一章 土的渗透性............................................................ 1

第一节 概述.............................................................. 1

第二节 土中渗透的基本定律................................................ 1

第三节 无粘性土渗透系数的确定............................................ 2

第四节 粘性土的渗透系数确定.............................................. 3

第二章  无粘性土颗粒组成的类型与基本性质..................................... 4

第一节 无粘性土颗粒组成类型与分类........................................ 4

第二节 不均匀土颗粒级配曲线形状与基本性质................................ 4

第三节 特征粒径与特征参数................................................ 6

第三章  无粘性土的渗透稳定特性及抗渗强度..................................... 6

第一节 无粘性土的渗透破坏形式和判别方法.................................. 6

第二节 无粘性土的抗渗强度................................................ 8

第三节 结论.............................................................. 9

第四章  粘性土的抗渗强度..................................................... 9

第一节 粘性土的分类及性质................................................ 9

第二节 分散性粘性土的基本性质、鉴别方法及抗渗强度....................... 10

第三节 非分散性土正常条件下的抗渗强度................................... 11

第四节 裂缝土的抗渗强度................................................. 14

第五节 粘性土的允许抗渗比降............................................. 14

第五章 设计反滤层的基本原理与方法........................................... 16

第一节 无粘性土反滤层的作用、基本原理和设计方法......................... 16

第二节 无粘性被保护土的控制粒径......................................... 17

第三节 粘性土反滤层设计的基本原理和方法................................. 18

第四节 设计反滤层的内容、步骤和方法..................................... 18

第六章 土石坝及地基的渗流控制............................................... 22

第一节 渗流控制的重要性................................................. 22

第二节 渗流控制的基本要素、破坏过程和控制方法........................... 22

第三节  土石坝渗流控制.................................................. 22

第四节  土质防渗体裂缝的渗流控制........................................ 24

第五节  混凝土面板坝的渗流控制.......................................... 24

 

第一章 土的渗透性

第一节  概述

    液体和气体在孔隙介质中的流动叫渗透。土的渗透性是指水在土的孔隙中的流动过程及其性质；常以渗透系数来表示。因为土的渗透性与土的强度、变形有密切联系，由有效应力将三者联系在一起，形成一个体系。同时渗透系数反映土的颗粒组成、结构、紧密程度、孔隙大小等因素的综合指标，在土木工程的各个领域里的许多课题中都会用到。所以渗透性质的研究是土力学及渗流力学中极其重要的一环。

一、  土中渗透的基本定律

二、  无粘性土渗透系数的确定

三、  粘性土的渗透系数确定

第二节  土中渗透的基本定律

1、达西定律

   

    — 渗透系数

注：式中流速是土样全断面上的平均流速，小于孔隙中的实际流速

2、平均流速与实际流速

  

式中     —平均流速；

     —实际流速；

      ——渗水量；

     ——单位时间通过的面积；

     ——单位时间通过的土粒孔隙的面积；

     ——土体的孔隙率；

3、适用范围

呈线性阻力关系的层流运动。

临界雷诺数Re<10；

       渗流速度<0.5～0.7cm/s。

符合达西定律时的水力比降i和有效粒径d₁₀ 的对应关系。

 i800、100、12、0.8、0.1

  d₁₀=0.05、0.1 、0.2 、0.5、 1.0mm

4、达西定律揭示了流体的本构关系；渗流的实际流速远远大于平均流速；达西定律是有适用范围的。

第三节  无粘性土渗透系数的确定

一、试验方法 

试验方法  室内    常水头（粗粒土）砂质土

                  变水头（细粒土）粘性土和粉质土

          现场    抽水（重要建筑物）

                  注水（重要、次要建筑物）

二、两种计算方法

1、两种半经验半理论的计算方法

1）水力半径理论—柯森—卡门

K——渗透系数；

A——毛细管截面形状及渗透长度修正系数；

——流体的运动粘滞系数；

g——重力加速度；

n——孔隙率；

s——比表面积；

2）孔隙平均直径法

 a: 均匀土的平均直径

     D0=(0.2～0.3)d

 b: 不均匀土的平均直径

Ⅰ 加权

Ⅱ           

        一般采用d₂=d₂₀

             对不均匀土

     c：无粘性土孔隙平均直径的试验确定

               水利水电科研院

     d: 孔隙平均直径计算k值

              k₁₀=AD₀²

     e: 无粘性土的k值——水科院

             

                        

                     d₂₀——等效粒径

    2、常见的几种确定渗透系数的半经验半理论公式

 a: 哈增公式  k=cd₁₀²    c=100～500

 b: 柯森公式      

 c: 扎乌叶布列公式

               （c=134～350）

     d: 康德拉且公式

                   

e: 水科院

   

第四节  粘性土的渗透系数确定

一、两个概念：

土的组构：土中的颗粒、粒团和孔隙的排列称为土的组构。

土的结构：指颗粒间诸力、成分和组构的综合效应。 它是由单个颗粒及粒团组成的

                  组构单元，并由不同的化学和物理化学力相联结，而按一定的方式排列

          和组成。

注：粘土的粒团成杂乱排列时成凝聚结构，具有较大的孔隙。

    粒团定向排列时形成分散性结构，平均孔隙较小。

实践证明，土的结构对粘性土的渗透性质同样有巨大的影响。（过去对压实粘性土多重视干密度，即孔隙率的大小，往往忽视土的结构状态）。

二、压实含水量对粘性土渗透性的影响

1、偏干时，以凝聚结构为主，杂乱排列，孔隙连通性好，k值大。

2、偏湿时，分散结构，定向排列，孔隙通道尺寸小，k值小。

三、干密度对粘性土渗透系性的影响。

压实试验表明，压实含水量相同而干密度不同的土样，其所消耗的压实功是不一样的。由于结构的不同，使无粘性土的孔隙率对渗透系数的影响程度可达两个数量级以上。无粘性土，表明压实土的结构性远强于无粘性土，致使确定无粘性土渗透系数的数学模型不适用于粘性土。

   四、结论

影响压实粘性土渗透性的重要因素是压实含水量和压实功能以及由此而引起的土的不同结构形态。含水量对渗透系数的影响要比干密度对渗透系数的影响大。

第二章  无粘性土颗粒组成的类型与基本性质

第一节  无粘性土颗粒组成类型与分类

一、 颗粒组成

颗粒组成是研究无粘性土基本性质的主要依据，通常以各粒径含量的累积曲线，或分布曲线表示。

均匀土：分布曲线上是单峰形式，各粒径都有一定的含量，峰值粒径含量占绝对优势，其破坏形式主要是流土破坏。

         单峰形：峰值远离中值，呈左偏峰，出现双峰时右峰较低，两峰连续，谷点里粒径至少占4%至5%，曲线无明显平缓段，集中在某段，无峰值。

      不均匀土：级配连续和级配不连续

双峰形：双峰间有间断，有的相连接，但最低点粒径含量小于或等于3%，累积曲线呈椅子形，出现台阶。

二、 均匀土的区分原则和方法

均匀土特点：级配不良，压实性差，孔隙率大，稳定性差。

太沙基指出的砂最不稳定。

对于均匀土的确定尚不统一,下列有几种方法标准：

1.的土叫均匀土

2.的土叫均匀土

3.之间的叫均匀土

  三、结论

    把不均匀土进一步分为级配连续和级配不连续的两种。

第二节  不均匀土颗粒级配曲线形状与基本性质

一、级配不连续的土的基本性质

1、颗粒组成特征

这类土的粒径大于5㎜的砾卵石，细料为砂土类粒径普遍小于1.0㎜在颗分曲线上有双峰值，谷底粒径含量小于3%。

     2、土孔隙体积、粗料的骨架作用与细料含量的关系

     细料含量：指谷底粒径（0.5～5mm）小于谷底粒径累积百分含量值。

细料含量少时，不足以充满粗料孔隙，也就不破坏粗料的骨架作用，其性质仍取决于粗料。但随细料的含量的增加，混合料密度增加，孔隙相应减小，到细料超出一定含量时，混合料性质就取决于细料。

最优级配的细料含量P=25%到30%。

3、混合料中开始参与骨架作用的细料含量

     理想状态下的计算式：

其中；

在理想状态下：；并考虑到无粘性土一般；得出细料含量与孔隙率的关系。

为使P含量与实际相符，就要考虑粗料孔隙体积被撑开的影响，由实验分析知随增大而增大，且；我们取粗料孔隙率为0.3，则            

∴   

但在实际中，混合料中细料是多少要撑开粗料孔隙的，所以理论计算的P要小于实际中的。

实际值小于它时表明细料没填满粗料孔隙；

实际值大于它时细料填满粗料孔隙且与粗料共同组成骨架；

当实际值等于它时认为混合料有最优级配料。

4、渗透系数与细料含量的关系；

P〈30%时填不满孔隙，对渗透系数起控制作用的是粗料。

P〉30%时孔隙与细料产生关系。

P〉70%时粗料只起填充作用，对渗透系数的影响减少直到消失。

二、级配连续土的基本性质

1、级配连续土的性质：       C_u>10       1<C_c<3

    2、确定粗细料的区分粒径的标准进行探讨：

       1)d=1～2㎜为区分粒径（主要用于区分土的渗透稳定性）；

       2)d=5㎜为区分粒径（用于区分和研究土的压实性）；

       3) 粗料被细料撑开为准则，p_op=30%～35%。

三、结论

    将细料含量进一步引伸到级配连续中来，关键变成：确定细料含量的粒径值。

第三节  特征粒径与特征参数

一、 特征粒径

有效粒径d₁₀；等效粒径d₂₀；  哈增粒径d₆₀  ；

分界粒径d₃₀，土中小于或等于d₃₀的部分为填料，大于d₃₀的部分为土的骨架；        

控制粒径d₇₀,不均匀土中粗料开始起控制作用的粒径，                                      

   太沙基控制粒径d_85。。

二、 特征参数

1、 不均匀系数C_u

是反映土的组成离散程度的参数，C_u值越大，土越不均匀。但不能反映颗粒级配曲线的形状、类型及细料含量的多少。

2、 曲率系数C_c

表明颗粒级配曲线的类型及细料含量。

C_c〈1.0，级配不连续，且细料含量大于30%。

C_c〈5.0，级配不连续，且细料含量小于30%。

1〈C_c〈5，级配连续土，内部结构稳定。

3、 细料含量P

表示不均匀土中粗颗粒的孔隙被细颗粒填充程度的指标。一般以细料占总重量的30%作为评价细料填满粗料孔隙体积的界限指标。

  

第三章  无粘性土的渗透稳定特性及抗渗强度

第一节  无粘性土的渗透破坏形式和判别方法

一、无粘性土的渗透破坏形式

    从渗透破坏机理的角度将破坏形式分为：流土，管涌，接触流失和接触冲刷四类。

1、流土：局部土体的集体流失，发生在渗流出口无任何保护的情况下

2、管涌：细颗粒被集体带出，多发生在砂砾石土层中，根据发展形态的不同分为：

    ①发展型：细颗粒连续不断的带出，土体不能承受更大的水头，甚至出现土体所承受的水头有所下降的情况 

    ②非发展型：出现管涌现象不久，细颗粒停止流失，当继续增大水头，管涌继续出现，土体承受的水力比降增大，土体最后以流土的形式破坏。（实际是过渡型）

3、接触流失：发生在垂直方向上，粗、细颗粒   的接触层面间，包括接触管涌和接触流失

4、接触冲刷：发生在水平方向上

以上四种破坏形式中，前两种发生在单一土层中，后两种发生在成层土中。

 单一土层的渗透破坏形式又可细分为：流土、管涌、过渡型三种。对于过渡型，当土体处于密实状态可能呈流土型，疏松状态呈管涌型。

二、渗透破坏形式的判别方法：

主要有三种：

1、单一因素法：

1）依斯托美娜的不均匀系数法：

a.  Cu<10:  流土型，允许抗渗比降 [i] =0.4

b. 10<Cu<20：过渡型，[i] =0.2,不适用(没有区分连续和不连续,也没有考虑细料含量，过于笼统)

c.  Cu>20：管涌型，[i] =0.1 ,不适用(理由同上)

2） 普拉维登的细料粒径对比法：（适用于级配连续土）

     a.  D₀/d1.3  非管涌土

     b.  D₀/d﹥1.3  管涌土

其中：D₀为孔隙平均粒径,主要取决于细料直径，d取为d₃。

D₀由下式计算：

当满足判别式：

时，为流土，否则就为管涌。

2、双因素法：

     康德拉且夫同时考虑了曲线形状和混合料中粗料的孔隙率两种因素，以混合料中粗料的孔隙率n_ck与粗料单独存在时的孔隙率n₂相比较，给出判别渗透破坏形式的准则： 

     1） n_ck> n₂时，粗料处于互不接触的状态，破坏形式为流土，由分析结果认为 n₂〉50%

2）n_ck< n₂时，为管涌

a. D₀>(d70)z时，为整体管涌：细颗粒不断被渗流带出土体

b. D₀<(d70)z时，为局部管涌，即：过渡型

       该方法的缺点在于：将级配连续土全归于过渡型。

3、 综合分析方法：

将无粘性土先根据颗粒组成特征分成几种类型，分别提出相应得判别标准，这样使得分析方法更加简单，分析结果更为可靠。

不均匀土，又分为级配连续和级配不连续土。

1） 均匀土：破坏形式为流土

2） 不均匀土：

① 级配不连续土的渗透破坏特性：

    a. 破坏形式取决于细料含量

细料全部充满粗料孔隙：破坏形式为流土

细料未充满粗料孔隙：破坏形式为管涌或过渡型

    b. 以最优细料含量P_op作为判别渗透破坏形式的标准

P_op=（0.3+3n²-n）/（1-n）

谷底粒径含量P<0.9P_op，管涌（P<25%,从工程实际出发）

                   P>1.1P_op，流土（P>35%）

P=0.9～1.1P_op，过渡型（P=25%～35%）

 ② 级配连续土的渗透破坏特性：

   a. 分界粒径：（最优细料含量法）

       P<0.9P_op,管涌，P<25%

       P>1.1P_op，流土，P>35%

       P=0.9～1.1P_op,过渡型, P=25%～35%

b. 孔隙平均直径法： D_o=0.63nd₂₀

    D_o> d₃ ，  管涌

D_o< d₃ ，  流土   

D_o= d₃～d₅ ，过渡型

      ③ 天然无粘性土渗透破坏形式的综合判别法：水利水电科学研究院法，从均匀土和非均匀土来划分。

第二节  无粘性土的抗渗强度

一、流土型：

1、太沙基公式：i_Bn=(G_s-1)(1-n) ，比实际值约小15%～20%

2、扎马林公式：i_Bn=(G_s-1)(1-n)+0.5n

二、管涌型：

1、依斯托美娜：

d_B——允许的可移动的细颗粒粒径

——土体孔隙平均直径，可有文献[1] 的关系确定。

2、康德拉且夫方法：

①紊流：

②层流：

三、 水科院确定无粘性土抗渗比降的方法：

 1、 连续级配管涌型土的抗渗比降：

i_cr =2.2(1-n)²(G_s-1)d₅/d₂₀

2、级配不连续土的抗渗比降：

可引用以上公式或者通过试验确定

       3、根据渗透系数K确定抗渗比降：

根据图1-1和J-K关系曲线确定。P58。

4、 无粘性土抗渗比降的变化范围及其允许值：

注：表中所列数据只适用于渗流出口无反滤保护的情况，大值用于3～4级建筑物，小值用于1～2级建筑物

J允许=[J]= J破坏/安全系数

   在上表中，确定J允许时：考虑流土是整体破坏，故采用2为安全系数，管涌破坏时的安全系数采用1.5左右即可。

第三节  结论

    本章的实质是从渗流的角度和它的颗粒特性来研究颗粒间的相互制约程度，破坏机理，最终得到抗渗比降，从而得到允许比降，为设计者分析建筑物的渗透稳定性并进行渗流理论提供理论基础和方法。

  第四章  粘性土的抗渗强度

第一节  粘性土的分类及性质

一、粘性土（一般为粘土、南方红粘土、分散土）特点

特点：W_L>26%，I_P>4～7，粘粒含量>10%(d<0.005mm)，C0，中等密实状态，

K<1×10^-4cm/s，因此可作为防渗材料。

二、粘性土的渗透稳定特性

粘性土的渗透稳定特性取决于粘土的矿物成分、交换阳离子的成分和含量，孔隙液体含盐量及成分等物理化学因素。

三、粘性土分类

1、南方红粘土：残积土为主，亲水性差，W_L>40%，高岭石为主，抗渗强度高。

2、北方一般粘土：沉积为主，具有湿化崩解性，高岭石、伊理石为主。

3、分散性土：纳蒙脱石为主，遇纯净水迅速崩解水化成原级配，抗冲蚀能力差，PH>8.5。

4、黄土。

第二节  分散性粘性土的基本性质、鉴别方法及抗渗强度

一、分散性土的基本性质

分散性粘性土是一种在纯净水中团粒能够大部或全部自行分散成原级颗粒的土。

1、其他物理化学性质及矿物成份

1) 塑性不高（中塑性）、粘土及粘质粘土，粘粒含量>30%时也如此。

2）矿物成份：Na⁺蒙脱石（钙蒙脱石不易分散）

二、分散性土的鉴别方法：

1、针孔试验 —— 是通过土的抗冲蚀能力鉴别分散性的一种方法

1）使渗流很快通过土体观察各级水力比降下针孔冲蚀的情况。φ=1.0mm的针孔，在多各级比降下观察针孔的冲蚀情况：L=100cm，D=3.5～4.0cm，试样长3.8cm，预埋1.3cm的锥体，第一次水头5cm，实际比降为2.0，在5～10min，

①出水浑浊且渗透流速逐渐增大，冲蚀后φ》3.0mm,则为分散性土。②出水不浑浊且渗透流速稳定，i提高到40，渗流速度没有多大变化，具有高抗蚀能力，则为分散性土。

针孔试验分散性鉴定标准

注：D—分散，ND—非分散。

2）注意的问题：

试样制备：含水量应在塑限为w_op2%,干密度应大于饱和含水量为液限时的干密度

针孔的扩大情况：分散性土针孔是由下游向上游呈均匀的扩大，如果发现仅仅是出口扩大,或出口远大进口表明是由于出口的渗透破坏引起的针孔扩大，此时应放小出口砾石的粒径，进一步观察针孔的冲蚀情况

2、双比重计试验——即两次比重计试验

1)方法

①常规

②不加分散剂，不煮沸，不搅拌只是将土样用蒸馏水浸泡，抽气10分钟，抽走孔隙中的气体，倒人量筒，摇晃均匀后用比重计测定粘粒含量。比较两次测定的粘粒含量得土的分散度D：

2）标准：D<30%            非分散性土,

D=30%～50%       过渡型,

               D>50%           分散性土

3）注意的问题：

①　试验土样要用天然含水量或半风干状态的土,不能用烘干土。

②　不加分散剂的试样不能浸泡时间过长,以免部分团粒自行分散,使非分散性土误定名为分散性土。

3、 孔隙水溶液试验 —— 是通过孔隙水溶液中钠离子含量的多少鉴别土的分散性

1）方法：将土用蒸馏水拌合成液限的稠度,再用真空法将孔隙水汲出,测定孔隙水中四种金属阳离子(钠、镁、钾和钙)的总量。以毫摩尔每升计(mmol/L)

 

2） 标准：T_DS>60%        分散性土

             40%<T_DS<60%    分散性土

T_DS<40%        非分散性土 

4、 土块试验：土块投入盛有蒸馏水的量杯中，浸放5～10min后观察粒团中胶粒的分散状

1）试样制备：将保持自然含水量的土块,或室内针孔试验后的土样制成1cm³左右的土块

2）标准：非分散性土 —土块水解后在量杯底部以细颗粒状平堆，水色是清的，或者稍浑后很快又变清。

  过渡型—土块水解后四周有微量浑浊水，但扩散范围很小

                  分散性土 —土块水解后浑浊水很快扩散到整个量杯底部，水呈雾状，经久不清

三、分散性土的抗渗强

1、影响因素：

1）水的纯净程度

2）金属阳离子的成分

3）有无裂缝

4）渗流出口临空面的大小等因素

2、提高分散性土抗渗强度的方法：

1）渗水中含有一定量的二价钙离子，

2）或土中掺入3%～5%的石灰， 均可降低土的分散性，甚至变成非分散性土，抗渗强度变成非分散性土的强度。

3）在渗流出口用细反滤作保护，同样可以具有较高的抗渗强度。

由上可知，分散性土不宜于作均质坝。用作心墙防渗材料时在与岩石和岸坡接触带多掺入3%～5％的石灰外，并且整个下游面用渗透性相当于中细砂的材料作反滤层可保证防渗体具有足够的抗渗强度

第三节  非分散性土正常条件下的抗渗强度

非分散性土和分散性土的区别就是遇到纯净的水后粒团是否分散，正常条件是指土体的整体性未被裂缝破坏的情况，粘性土的主要特征是具有较大的内聚力，细颗粒都呈粒团存在。工程性质主要决定于粒团遇水后的稳固程度。

一、粘性土渗透破坏的机理

1、基本因素 性质

密度、

水流方向

渗流出口无保护的临空面的大小

2、达维登柯夫给出了粘性土渗透破坏时抗渗强度的本构关系

式中——抗渗强度；

C  ——与土性有关的抗拉内聚力；

D——反映渗流出口土表面无保护临空面大小的参数，以孔隙直径表示，单位cm；

——土体浮容重。

α——土体表面与水平面的夹角，正号表示适用于渗流向上，负号表示渗流向下的情况

3、注意

其实质说明抗拉内聚力C不是常数，它不仅决定于土的密度和含水量，同时决定于粒团遇水后的稳固程度(即水化能力)，特别是实际达到的水化程度，而水化能力的高低要看粘土矿物成分而定，实际能以达到的水化程度取决于渗流出口无保护面积的大小以及是否被水所淹没两种因素，它随着土表面水化程度的增加而减小

     4、粘性土渗透破坏的三个原因

      1）单纯在渗透水流下作用的破坏

      2）渗流出口土体表面的水化崩解造成的破坏

      3）渗透力和土体水化崩解同时作用的破坏

二、粘性土的抗渗强度

1、抗渗强度与土密度间的关系

由单纯研究抗渗强度与干密度之间关系的试验资料表明：土的抗渗比降与密度呈以下双曲线函数关系．

在半对数坐标中则呈直线关系，式中a、b，是系数，决定于土的基本性质

2、抗渗强度与土性的关系

反映土性的指标：液限干密度

因为处于液限状态时各种土性的抗拉内聚力C都很小，理论上其值应当接近于零, 由，不同土性的土料具有基本相同的抗渗强度

所以用液限状态时的抗渗强度作为基本抗渗强(相当于一个常数和  相当于一种倍数关系)，用，代入上式

从而导出以孔隙率表示的抗渗比降。

经整理上式得式中 是试验常数

3、出口无保护临空面的孔径与抗渗强度的关系

临空面孔径的增大，抗渗强度逐渐降低

通过对试验资料的整理得出抗渗强度与临空面孔径呈双曲余切函数的关系，回归分析结果为

4、粘性土的抗渗强度

由         （1）（是线性关系）

由（1）把个不同土，不同临空面孔径的试验数据绘成图如图（4-9）（注意横纵坐标）,在由把图（4-9）的横纵坐标变为则图（4-9）中各直线就在一直线上

在回归分析可得

               

综合大量试验资料，对粘性土的抗渗强度可采用下列一般表达式：

式中，c值是反映土体的水化能力及水化程度的系数，其值变化于0．06～0．15之间，大值适合于粘土矿物以蒙脱石为主的粘性土，小值适合于南方红粘土。

第四节  裂缝土的抗渗强度

土质防渗体裂缝后抗渗强度大幅度降低，同时在渗流作用下有以下特征：

1)在小的水力比降下裂缝会自行愈合，而且在缓慢蓄水过程中愈合部分可以得到渗透压密，抗渗强度会有一定提高。

2)裂缝愈合能力取决于三种固素，①是土的水化崩解能力，即粘土矿物成分，②是开始作用的水力比降，③是出口反滤层的粗细。水化能力强，开始的水力比降小，出口反滤层细，裂缝愈合性能好，否则愈合性能差。

 3)如果渗流出口有合适的反滤层作保护，即使在大的水力比降作用下，裂缝也不会受冲蚀，因而能够自行愈合．

一、土体裂缝后的自愈能力

1）土体的自愈能力遇水后才有明显表现，干燥状态的土，裂缝是不会自愈

2）开始作用的水头小，裂缝自愈性能好，大水头时，具有反滤层保护。但自愈后的抗渗性要差于小水头作用下的情况。

3）南方红粘土的湿化崩解能力弱，裂缝自愈能力差，但仍能有较高的抗渗强度。

二、裂缝土的抗渗强度

1、主要决定于

 土性、

裂缝是否自愈

反滤层的粗细

红粘土>一般粘土>蒙脱石为主的粘土 

2、同种类型的土的i_cr

裂缝未愈合<愈台后无合适反滤层保护的土<反滤层较细时仍具有较高的抗渗强度 <未发生裂缝的情况

3、在相同的反滤层保护下

分散性高的土其抗渗强度低于分散性低的土

第五节  粘性土的允许抗渗比降

一、正常情况下组成粘性土允许抗渗比降安全系数的因素

土的施工含水量低于设计含水量；

施工干密度对抗渗强度的影响：

土体饱和度对抗渗强度的影响；

反滤层铺设条件的影响程度；

工程实际中的出逸水力比降大于工程常用的平均水力比降的问题

     1、施工含水量的影响

施工含水量偏高——变化不明显，

低于最优含水量——抗渗强度明显地降低

由试验得

（如图4-14）

2、土体干密度的影响（按规范规定，大坝实际填筑的干密度，只要90%以上的试样达到没计干密度，即认为满足设计要求）

由试验得

3.土体饱和度的影响（自然状态下形成的渗流场，土体饱和度主要在 85％～90%范围内）

由试验得

4．渗流出口反滤层保护条件的室内外差别

1）现场施工为机械施工，反滤出现分离现象；

2）室内模拟两种施工方法在结合面产生了不同的结合条件：点接触（先填土压实后铺反滤层）；面接触（先铺反滤层后填土）

5．试验时的水力比降与实际工程中水力比降的差别

工程中水力比降大于试验时的水力比降（平均水力比降），最大出逸比降为平均水力比降的2.5～3.0倍

～～

二、决定允许抗渗比降的安全系数

     1、抗渗比降的折减系数

减系数用的倒数表示

1) 上述五种最不利的条件在工程中同时出现时，则

2) 填土与反滤层呈紧密结合

3) 防渗体在湿于最优含水量的条件下填筑（不考虑含水率的影响）

2、允许抗渗比降的安全系数的确定

安全系数包括上述折减系数及安全储备两个方面，若取安全储备为1.2～1.5，则安全系数k为

k=(1.2～1.5)

并可分为以下几种类型。

填筑含水量在±3％的条件下

k=14～18

式中——最优含水量。

填筑含水量在湿于最优含水量的条件下

k=8.0～10

若设计水力比降以出逸比降为标准，湿于最优含水量下填筑

k=2.5～3.5

式中大值用于一、二级建筑物，小值用于三级及以下的建筑物

三 、试验结果已考虑裂缝时的安全系数

    k=2.5～3.5

           第五章 设计反滤层的基本原理与方法

第一节   无粘性土反滤层的作用、基本原理和设计方法

一、反滤层的作用

滤土减压

1、滤土作用的是不允许被保护土的颗粒穿过反滤层孔隙

2、为了满足滤土的作用选料是应该符合下列公式

≤4一12

3、减压作用主要决定于反滤层与被保护土之间的渗透系数的差值，二者差值愈大，降压效果就愈明显。

4、减压的原理呈下列关系式

=

二、反滤层的设计方法

1、分为：渗流向上时和渗流向下时

1）渗流向上的情况，由于重力与渗透力相反的方向，除均匀土外，三个颗粒并排被渗流带走的可能性要小，而以两个颗粒并排被渗流走的可能性要大。则反滤层滤土的一般设计式表示如下

=≤5～7

以及排水条件   ≥2～4

2）渗流向下的情况，由于自重的作用反滤层的等效粒径要大于渗流向上的情况，可以用下列关系式表示

         =≤10

2、几种常用方法的适应性比较

1）均匀的土可以使用常规的设计方法

2）不均匀的土不能用常规的方法必须通过试验得到D20 的值

第二节  无粘性被保护土的控制粒径

一、决定控制粒径的因素（控制粒径是控制土体渗透破坏的粒径）

1、决定级配连续土控制粒径dk 的因素

1） Cu 与d_k 的关系

Cu  小，相互制约的能力强，因而d_k 出现的概率就大。反之，dk出现的概率就小。

2）土的渗透破坏特性与d_k的关系

管涌型土控制粒径出现的概率小而过渡型和流土型概率大

2、决定级配不连续土控制粒径dk的因素

细料含量是决定控制不连续土控制粒径的主要因素。因此决定无粘性土控制粒径的因素和决定渗透破坏形式的因素是相同的。

二、各类土控制粒径的试验分析和确定

上述分析表明抗渗强度高的土，d_k  出现的的概率大于抗渗强度底的土。非管涌土又分为级配连续和不连续两种情况，级配连续的土，不均匀系数愈大，控

粒径出现的概率愈小，级配不连续的土，随细料含量的减少而控制粒径减相应的减少因此在确定无粘性土的控制粒径时同样应将土分为两大类，四种情况，即

1）级配连续的土  D₀ ≤d₅     非管涌型土

D₀ ＞d₅    管涌土。

 级配不连续的土  P＞25%   非管涌型土

P≤25%   管涌型土

1、级配连续型土控制粒径的理论分析

1） D₀ ≤d₅  的非管涌型土

当Cu＜5时d_k=d₇₀ ，当Cu＞5时d_k=f(Cu) d_k

2） D₀ ＞d₅的管涌土, d_k=d₁₅，只能起滤土作用，不能减压。

2、级配不连续型土控制粒径的理论分析

1）当P＞25%时（主要取决于细料含量，非管涌土）d_k =d₇₀.p

2）当P≤25%时（管涌土）d_k=d₁₅

第三节  粘性土反滤层设计的基本原理和方法

粘性土反滤层的设计分为：有裂缝和无裂缝的情况

一、 无裂缝谢拉德在粘性土W=WL后得出的结论

1、 d85<0.074mm时的粉土和粘土料，反滤层的要求是：

D₁₅〈9d₈₅

2、对d<0.074mm的颗粒含量占40%～85%的砂质粉土和粘土，以及Cu较大（宽级配）的其他防渗土料，反滤层的要求是

D₁₅≤0.7mm

二、有裂缝的粘性土的反滤层的设计问题

      裂缝开度的大小对反滤层取值影响不大，与土的分散度有关。

三、粘性土反滤层设计准则

    1、不考虑裂缝情况（三级以下建筑物）

2、考虑裂缝情况

1）要保证裂缝可以自愈

2）设计准则要满足

A  南方红粘土      D₂₀ ≤2.0mm

B  北方的一般粘性土     D₂₀≤0.8mm

C  分散性粘土及其它类型的细粒土    D₂₀≤0.5mm

3、含有粗料的粘性土——宽级配土

对于这类土，仍以保护细料为原则。细料以＜0.1mm的颗粒来划分，等效粒的选择为

D₂₀≤2.0mm和D₂₀ ≤0.8mm

第四节  设计反滤层的内容、步骤和方法

一、反滤层设计的内容

1、确定第一层反滤允许的等效粒径D20；

≤4～12

≥2～4

2、确定反滤层需要的层数（n<2）；

3、确定其反滤层的等效粒径，最终给出颗粒的组成：

    

4、定出各层反滤的厚度：

           人工施工： Tmin≥30cm

           机械施工： Tmin≥3m

二、设计步骤

1、确定反滤层的类型

         Ⅰ型反滤       渗流向下

                                                    

Ⅱ型反滤     渗流向上

2、选定设计方法

3、设计第一层反滤层

    1）无粘性土

               滤土

     排水

   2）粘性土

         南方红粘土        D20 ≤2.0mm

北方一般粘性土    D20≤0.8mm

分散性粘土        D20≤0.5mm

4、确定反滤层的层数

5、其它个层反滤的设计

6、各层反滤厚度的确定

三、反滤层的设计方法

     反滤层设计，包括确定被保护土控制粒径和不均匀系数及反滤层的层数及厚度的计算。

1、无粘性土的设计方法

  1）层间系数

   A  ,

   B  ,非管涌土

          管涌土

                 

dk的确定方法

粘性土反滤层设计的方法

不考虑裂缝，H<30m，i≤2.0

A 细粒粘性土

  

  

B 含砾粘性土（只考虑d<0.1mm土的性质）

2)考虑裂缝

A细粒粘性土

         南方红粘土        D20 ≤2.0mm

北方一般粘性土    D20≤0.8mm

B含砾粘性土

         南方红粘土        D20 ≤2.0mm

北方一般粘性土    D20≤0.8mm

C分散性土          D20 ≤0.5mm

反滤层的不均匀系数

渗透稳定性要求：

不允许是管涌土   可满足要求

施工方面的要求

 A  反滤层在运输和施工中，不应出现明显的分离。

 B  易于压实

   a     能满足上述要求

b     在施工保证的情况下不易分离

c     水下施工易分离要求

       4、反滤层的透水性

          无粘性土：1）被保护土层为非管涌土时，

                    2）被保护土为管涌土时，

   粘性土：南方红粘土        D20 ≤2.0mm

北方一般粘性土    D20≤0.8mm

分散性粘土        D20≤0.5mm

5、反滤层层数的确定和方法

 1）Ⅰ型反滤层层数的确定

      A 下层强透水体的粒径

      B 各层反滤层的粗细程度

2）Ⅱ型反滤层层数的确定

当i2能满足自身稳定时可不考虑第二层反滤层i2≤[i2]

当i2不能满足自身稳定时可，考虑第二层反滤层i2〉[i2]，或结构上要求时，可放宽第二层的层间系数，

6、反滤层厚度

一般规定Tmin≥5D85

在满足Tmin≥5D85的基础上

           人工施工： Tmin≥30cm

           机械施工： Tmin≥3m

第六章  土石坝及地基的渗流控制

第一节  渗流控制的重要性

裂缝破坏归属于渗透破坏

渗透破坏问题的重要性表现在以下几个方面

1、 防渗和排渗相结合：防渗控制渗流量，排渗削减水头。

2、 反滤层是防止渗透破坏的有效措施，（保护渗流出口）。

3、 允许水力比降的经验数值明显提高

4、 防渗土料的范围及压实标准明显放宽。

由高防渗能力作为选择防渗土料及压实标准的主要准则，到，满足允许渗透流量和内部结构渗透稳定为准则。

5、 土石坝的裂缝有渗透破坏问题有新的解决方法。

要求反滤层自愈。

6、  基岩的渗流控制标准明显的提高。

第二节  渗流控制的基本要素、破坏过程和控制方法

一、 设计渗流控制方案需要的基本水力要素

1、坝基和坝体材料的渗透系数k，（由实验或经验公式k₁₀=234n³D₂₀²）

    2、水力比降  

1) 平均水力比降   J=H/L

2) 出逸水力比降与平均水力比降的关系   J_BMAX=2.5H/L

    3、土体的抗渗强度

          J〈<J_允许

二、 土工建筑物及地基渗透破坏产生与发展的过程

若是先开始于渗流出口向内部发展直达上游进口，最后形成渗流通道，故将渗流破坏统称为管涌

三、 渗流控制的基本原理和方法

1、 防渗

2、 排水减压

3、 反滤层保护

第三节  土石坝渗流控制

Ⅰ坝基的防渗

一、 透水地基

有截水槽、混凝土防渗墙、水平铺盖等防渗措施。

1、 设置截水槽的方法

1）  开挖深度  T≤10m的透水地基；

2）  截水槽底宽  坝高与底宽之比为6～12倍；

3）  截水槽与基岩的连接问题

     A 在连接部位易出现：防渗体在基岩面向裂隙中冲蚀；沿基岩面方向的冲蚀。

     B 剥蚀条件是：防渗体湿化崩解能力强；基岩很破碎或有溶洞，大的泉眼。

     C 产生接触冲蚀必备的条件：防渗体与基岩面结合不好，沿接触面产生集中渗流。

     D 防冲蚀的五个措施

        加大截水槽的底宽或在截水槽底设置混凝土齿墙；

        在基岩面浇混凝土板

        在基岩底喷一层10cm的混凝土

        在完整基岩上，直接铺塑性较大的粘土

        将下游反滤深入到基岩面以下0.5cm。

2、 混凝土防渗墙

1）混凝土防渗墙设计中的关键性问题：墙后防渗体与砂砾石地基及混凝土防渗墙三者的共同结合部位。

2）施工方法

     A 保证施工工序，达到施工质量，插入防渗体的混凝土墙，应在地面立模浇筑，待墙建成后再铺填保护防渗体的反滤层，然后填筑防渗体；

     B 在防渗墙的下游加宽、加厚反滤层；

     C 作好防渗墙上游的反滤层。

3、水平铺盖

在结构上与防渗体结合处要求

1）      铺盖的渗透系数k〈10^-6cm/s；

2）      铺盖长L〉10H(水头)

3）      铺盖必须与下游排水设施联合作用

4）      作好地质勘察工作

5）      设计好铺盖下部的反滤层

6）      保护表面防止裂缝

7）      尽量避免放空水库

8）      铺盖裂缝的作用（铺盖细砂或砂砾石层）

二、 岩石地基的渗流控制

1、 防止岩基中软弱夹层及断层破坏带的破坏

2、  防止基岩裂缝冲蚀防渗体。

Ⅱ 坝体的防渗

一、 防渗土料的要求

1、 防渗性能k<10^-5cm/s～10^-6cm/s

2、 抗渗强度

更大程度上取决于裂缝的抗渗强度

二、 防渗体的厚度

第四节  土质防渗体裂缝的渗流控制

一、 土石坝裂缝的类型及成因

1、坝顶横向裂缝   原因：岸坡过陡、不平顺或有平台而产生。

2、纵向裂缝   原因：坝壳和防渗体之间的差异变形，或因初次蓄水时上游坝壳湿陷而引起。

3、内部裂缝   原因：岸坡或地基的不规则，高低相差悬殊，或地基的不均匀沉降较大，在坝内引起裂缝。

4、水力裂缝  原因：心墙压缩量大，而又受到坝壳的拱作用不能正常压缩，致使心墙中的铅直向压力因坝壳的拱作用而减少到小于库水压力。

二、防止裂缝的措施

1、提高压实度，或减小沉降量

2、控制一定的压实标准，提高压实含水率，增加防渗体不均匀沉降的能力。

三、心墙裂缝与填筑含水量关系的模型试验

随含水量的增加，防止裂缝产生的能力增强

四、防渗体裂缝的渗流控制

设置防渗层，保证裂缝的自愈。

第五节  混凝土面板坝的渗流控制

一、 坝体

1、 坝体材料

1）目前材料广泛，

       2）为解决砂砾料含泥量的问题采取以下措施

       A 在坝体内设置竖井式排水以控制渗流，竖式排水与面板之间只允许填筑干净砂砾石。

       B 竖式排水下游，用干净砂砾石和含泥砂砾石互层填筑。

2、垫层材料

   垫层材料的渗透系数k<10^-3cm/s

   砂砾石：

   碎石料：

   式中  D20——砂砾石或碎石的等效粒径，mm。

二、面板与接缝

1、 面板厚度

式中  a——经验数值(0.003～0.004)

2、 分缝

每块面板的宽度15m，纵向分缝是结构上的需要，大小视施工而顶定，缝内不可设压缩性材料，而根据具体情况设置止水。

3、 周边缝

 现在在周边设2道止水，以适应周边缝两侧混凝土的不均匀变形。

三、 坝基处理

1、 坝基覆盖层处理

将上部的覆盖层清除，特别是腐植物。不一定在基岩上。

2、 趾板

现在一般是在面板与基岩连接处设趾板。

3、 基础渗流控制

1)  处理好趾板及周边墙附近的张开节理。

2） 岸边的特殊处理：岸边风化严重或有软弱岩层和泥化夹层的坝址，应加大岸边垫层的厚度，或在有效地防止岸坡向下游作适合的延伸。

3）固结灌浆

4）帷幕灌浆

5）喷混凝土