第四章土的渗透性与土中渗流课件

本章提要 本章特点 学习要点 第四章：土的渗透性与土中渗流 土的渗透性和渗透规律 渗透力与渗透变形 有严格的理论（水流的一般规律） 有经验性规律（散粒多孔介质特性） 注意对物理概念和意义的把握 注意把握土是散粒多孔介质这一特点 4.1 概述 4.2 达西定律 4.3 渗透系数的测定 4.4 渗透力与渗透变形 第四章：土的渗透性与土中渗流 仁者乐山 智者乐水 4.1 概述 土体中的渗流 土颗粒土中水 渗流 n 土是一种碎散的多孔介质， 其孔隙在空间互相连通。当 饱和土中的两点存在能量差 时，水就在土的孔隙中从能 量高的点向能量低的点流动 F 水在土体孔隙中流动的现象称为渗流 F 土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性 仁者乐山 智者乐水 透水层 不透水层 土石坝坝基坝身渗流 4.1 概述- 渗流问题 防渗体 坝体 浸润线 渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗透力？ 工程实例 仁者乐山 智者乐水 板桩围护下的基坑渗流 4.1 概述- 渗流问题 渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗水压力？透水层 不透水层 基坑 板桩墙 工程实例 仁者乐山 智者乐水 渗流问题： 1. 渗流量Q？ 2. 降水深度？ 透水层 不透水层 天然水面 水井渗流 漏斗状潜水面 Q 4.1 概述- 渗流问题 仁者乐山 智者乐水 渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 地下水影响 范围？ 渠道、河流渗流 4.1 概述- 渗流问题 原地下水位 渗流时地下水位 仁者乐山 智者乐水 4.1 概述- 渗流问题 降雨入渗引起的滑坡 渗流问题： 1. 渗透力？ 2. 入渗过程？ 事故实例 仁者乐山 智者乐水 渗流量 扬压力 渗水压力 渗透破坏 渗流速度 渗水面位置 挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基础工程 地下工程 边坡工程 渗透特性 变形特性 强度特性 土的渗透特性 4.1 概述- 土渗流特性 4.1 概述 4.2 达西定律 4.3 渗透系数的测定 4.4 渗透力与渗透变形 第四章：土的渗透性与土中渗流 仁者乐山 智者乐水 4.2 达西定律 n 总水头：单位重量水体所具有的能量 位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面） 压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力） 流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流0） n 渗流的总水头： 渗流问题的水头 也称测管水头，是渗流 的总驱动能，渗流总是 从水头高处流向水头低 处 A B L h1 h2 zA zB h 00 基准面 水力坡降线 仁者乐山 智者乐水 A点总水头： 水力坡降 A B L hA hB zA zB h 基准面 水力坡降线 B点总水头： 二点总水头差：反映了 两点间水流由于摩阻力 造成的能量损失 水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失 4.2 达西定律 仁者乐山 智者乐水 达西渗透试验 L A h1 h2 Q Q 透水石 1856 年达西(Darcy)在研究城 市供水问题时进行的渗流试验 4.2 达西定律 试验前提：层流 试验结果 试验装置：如图 试验条件: h1，A，L=const 量测变量: h2，V，T h=h1-h2 Q=V/T h，Q A，Q L， Q 断面平均流速 水力坡降 仁者乐山 智者乐水 在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i 的一次方成正比，并与土的性质有关。 注意： A v：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度 vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度 A Av QvA vsAv k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数 物理意义：水力坡降i1时的渗流速度 单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day Av 渗透定 律 仁者乐山 智者乐水 达西定律的适用范围 4.2 达西定律 n 适用条件：层流（线性流动） 岩土工程中的绝大多数渗 流问题，包括砂土或一般 粘土，均属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形 态可能会随流速增大呈紊 流状态，渗流不再服从达 西定律。可用雷诺数进行 判断 ： 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 达西定律 适用范围 2.0 1.5 1.0 0.5 0 水力坡降 流速 (m/h) 砾石 粗砂 中砂 细砂 极细砂 h 10 dv Re = Re5时层流 Re 200时紊流 200 Re 5时为过渡区 仁者乐山 智者乐水 达西定律的适用范围 在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆 石体中，在水力坡降较大时，达 西定律不再适用，此时： i v o i0 n 两种特例 对致密的粘性土，存在起始水力 坡降i0 ？ i v o vcr ii0, v=k(i - i0 ) 仁者乐山 智者乐水 渗透系数的测定方法 常水头试验法 变水头试验法 井孔抽水试验 井孔注水试验 4.3 渗透系数的测定方法 F 室内试验方法 F 野外试验方法 仁者乐山 智者乐水 室内试验方法-常水头试验法 n 试验条件: h，A，L=const n 量测变量: 体积V，t n 适用土类：透水性较大的砂性土 i=h/L V=Qt=vAt v=ki h L 土样 A V Q 仁者乐山 智者乐水 室内试验方法-变水头试验法 n 试验条件:h变变化 A，a，L=const n 量测变量: h，t n 适用土类：透水性较小 的粘性土 土样 A t=t1 h1 t=t2 h2 L Q 水头 测管 开关 a 仁者乐山 智者乐水 室内试验方法小结 4.3 渗透系数的测定方法 常水头试验变水头试验 条件 已知 测定 公式 取值 h=consth变化 h，A，L V，t 重复试验后，取均值 a，A，L h，t 不同时段试验，取均值 适用粗粒土粘性土 仁者乐山 智者乐水 4.3 渗透系数的测定方法 现场测定法抽水试验 抽水量Q r1 r2 h1 h2 井 不透水层 n 试验条件: Q=const n 量测变量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？ 优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长 观察井 仁者乐山 智者乐水 A=2rh i=dh/dr n 计算公式： r 抽水量Q r1 r2 h1 h2 井 不透水层 dh dr h 地下水位 测压管水面 现场测定法抽水试验 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 饱和度（含气量） 水的动力粘滞系数 渗透系数的影响因素 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 n 是土中孔隙直径大小的主要影 响因素 n 因由粗颗粒形成的大孔隙可被 细颗粒充填，故土体孔隙的大 小一般由细颗粒所控制。因此 ，土的渗透系数常用有效粒径 d10来表示，如哈臣公式： 土的性质 水的性质 粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 渗透系数的影响因素 4.3渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 n 是单位土体中孔隙体积的直接 度量 n 对于砂性土，常建立孔隙比e 与渗透系数k之间的关系，如 ： 渗透系数的影响因素 土的性质 水的性质 粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 n 对粘性土，影响颗粒的表面力 n 不同粘土矿物之间渗透系数相差 极大，其渗透性大小的次序为高 岭石伊里石蒙脱石 ； n 塑性指数Ip综合反映土的颗粒大 小和矿物成份，常是渗透系数的 参数 渗透系数的影响因素 土的性质 水的性质 粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 n 影响孔隙系统的构成和方向性 ，对粘性土影响更大 n 在宏观构造上，天然沉积层状 粘性土层，扁平状粘土颗粒常 呈水平排列，常使得k水平k垂直 n 在微观结构上，当孔隙比相同 时，凝聚结构将比分散结构具 有更大的透水性 渗透系数的影响因素 土的性质 水的性质 粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 饱和曲线 含水量 wWop 干容重 d max 1 含水量 w 渗透系数 k 絮状结构 分散结构 渗透系数的影响因素 土的性质 水的性质 粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 渗透系数的影响因素 n 水的动力粘滞系数： 温度，水粘滞性，k n 饱和度（含气量）：封闭气 泡对k影响很大，可减少有效 渗透面积，还可以堵塞孔隙 的通道 土的性质 水的性质 粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 层状地基的等效渗透系数 等效渗透系数 确立各层土的ki 根据渗流方向确定等效渗流系数 天然土层多呈层状 多个土层用假想单一土层置换 ，使得其总体的透水性不变 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 h H1 H2 H3 H k1 k2 k3 x z q1x q3x q2x 1 1 2 2 不透水层 等效渗透系数: kx n 已知条件 : qx=vxH=kx i H qix=ki ii Hi n 达西定律: n 等效条件: 层状地基的水平等效渗透系数 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 层状地基的垂直等效渗透系数 H1 H2 H3 H h k1 k2 k3 x z v 承压水 kz vi = ki (hi / Hi ) n 已知条件 : n 达西定律: n 等效条件: v = kz (h / H ) 等效渗透系数: 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 n 算例说明 按层厚加权平均，由较大值控制 层厚倒数加权平均，由较小值控制 层状地基的等效渗透系数 H1 H2 H3 H k1 k2 k3 x z 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 层状地基的等效渗透系数 水平渗流情形垂直渗流情形 条件 已知 等效 公式 4.3 渗透系数的测定方法 仁者乐山 智者乐水 小 结 n 水头与水力坡降 n 渗透试验与达西 定律 n 渗透系数的测定 及影响因素 n 层状地基的等效 渗透系数 总水头=位置水头+压力水头 水头是渗流的驱动力 达西定律 渗透系数、渗透速度 达西定律的适用条件 常水头试验 变水头试验 抽水试验 渗透系数影响因素 水平等效渗透系数 垂直等效渗透系数 4.3 渗透系数的测定方法 4.1 概述 4.2 达西定律 4.3 渗透系数的测定 4.4 渗透力与渗透变形 第四章：土的渗透性与土中渗流 渗透力 临界水力坡降 渗透变形（渗 透破坏） 仁者乐山 智者乐水 4.4 渗透力与渗透变形 渗透力-试验观察 n h=0 静水中，土骨 架会受到浮力作用。 n h0 水在流动时， 水流受到来自土骨架的 阻力，同时流动的孔隙 水对土骨架产生一个摩 擦、拖曳力。 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b 渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架 的作用力，方向与渗流方向一致 仁者乐山 智者乐水 渗透力-试验观察 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b 土粒 渗 流 渗透力 j：体积力 渗透力j：单位土体内土骨架 所受到的渗透水流的拖曳力 4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水 截面积 A=1h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 ab 渗透力-受力分析 W W = L sat L( + w) P1 = whw P2 = wh2 R = ? R + P2 = W + P1 R + wh2 = L(+ w) + whw R = L n 土水整体受力分析-静水 4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水 渗透力-受力分析 截面积 A=1 W W = L sat L( + w) P1 = whw P2 = wh1 R = ? R + P2 = W + P1 R + wh1 = L(+ w) + whw R = L - wh n 土水整体受力分析-渗流 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b 4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水 渗透力-受力分析 R = L - wh n 土水整体受力分析- 对比 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b 静水中的土体 渗流中的土体 向上渗流存在时，滤 网支持力减少 R = L 减少的部分由谁承担？ 总渗透力： J=wh F 渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力 j = J/V = wh /L = wi 4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水 向上渗流存在时，滤网支持 力减少。当滤网支持力为零 时的水力坡降称为临界水力 坡降icr，它是土体开始发生 流土破坏时的水力坡降： 渗透力-受力分析渗透力-受力分析 R = L - wh=0 n 临界水力坡降 h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b icr = h/L =/w 由于 icr取决于土 的物理性质 4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水 渗透力-受力分析渗透力-受力分析 4.4 渗透力与渗透变形 P2 W P1 R h1 h h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b A=1 P1+ Ww+ J = P2水体的平衡条件 j = wi whw+ wL + j L= wh1 W J W w J = R + P 2 P 1 P1 = whw P2 = wh1 Ww= Vvw+ Vsw= Lw 仁者乐山 智者乐水 渗透力的性质 F物理意义：单位土体内土骨架所受到的 渗透水流的拖曳力，它是一种体积力 F大小： j = wi F方向：与水力坡降方向一致 F作用对象：土骨架 4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水 n土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或 破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工 建筑物发生破坏的常见类型 n基本类型： 管涌 流土 接触流土 接触冲刷 渗透变形 单一土层渗透变形 的两种基本型式 4.4 渗透力与渗透变形 仁者乐山 智者乐水 渗透变形 - 流土 n 流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗 粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水 力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏 粘性土k1 icr :土体发生流土破坏 n 工程设计： 流土可能性的判别 n 在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和 无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这 一水力条件，均要发生流土： 仁者乐山 智者乐水 4.4 渗透力与渗透变形 n 土是否会发生管涌，取决于土的性质： 粘性土（分散性土例外）属于非管 涌土 无粘性土中发生管涌必须具备相应 的几何条件和水力条件 管涌可能性的判别 仁者乐山 智者乐水 4.4 渗透力与渗透变形 较均匀土 （Cu10） 几何条件 水力条件 n 无粘性土管 涌的判别 级配孔隙及细粒判定 非管涌土 粗颗粒形成的 孔隙小于细颗粒 不均 匀土 （Cu10） 不连续 连续 d0=0.25d20 细粒含量35% 细粒含量 d5 d0 = d3-d5 管涌土 过渡型土 非管涌土 非管涌土 管涌土 过渡型土 P(%) lgd 骨架充填料 F发生管涌的必 要条件：粗颗粒 所构成的孔隙直 径大于细颗粒直 径 仁者乐山 智者乐水 4.4 渗透力与渗透变形 几何条件 水力条件 n 无粘性土管 涌的判别 F 渗透力能够带 动细颗粒在孔隙 间滚动或移动。 可用管涌临界水 力坡降表示 0 5 10 15 20 25 30 35 1.5 1.0 0.5 0 icr Cu 流土过渡管涌 水力坡降级配连续土级配不连续土 破坏坡降 icr0.20-0.400.1-0.3 允许坡降 i0.15-0.250.1-0.2 伊斯托敏娜（苏） 中国学者 Cu 20时, icr =0.25-0.30， 考虑安全系数后： i=0.10-0.15 仁者乐山 智者乐水 透水层 不透水层 防渗体 坝体 浸润线 渗透变形的防治措施 F减小i：上游延长渗径 下游减小水压 F增大i： 下游增加透水 盖重 4.4 渗透力与渗透变形 改善几何条件：设反滤层等 改善水力条件：减小渗透坡降 n 防治流土 n 防治管涌 仁者乐山 智者乐水 土坝，高90m， 长1000m， 1975年建成， 次年6月失事 渗透破坏：冲蚀 水力劈裂 Teton坝失事现场现状 原因 土石坝坝基坝身渗流破坏实例 仁者乐山 智者乐水 失事原因研究结论 土石坝坝基坝身渗流破坏实例 仁者乐山 智者乐水 九江大堤决口 1998年8月7日13:10 发生管涌险情，很快 形成宽62m的溃口 堤基管涌 焦点词汇：豆腐渣工程 原因 土石坝坝基坝身渗流破坏实例 仁者乐山 智者乐水 沟后面板砂砾石坝 位于青海省，高71 米，长265米，建 于1989年。 1993年8月7日突然 发生溃坝，是现代 碾压堆石坝垮坝的 先例。 溃坝