项目4 土的渗透性及渗透变形防治

1、兰州资源环境职业技术学院水利工程系 判断土的渗透变形及防治措施判断土的渗透变形及防治措施 2 2 项目项目4 4 土的渗透性及渗透变形防治土的渗透性及渗透变形防治 1 确定土的渗透性确定土的渗透性1 1 工作任务工作任务 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 学习步骤学习步骤 咨咨 询询 决决 策策 计计 划划 实实 施施 检检 查查 评评 价价 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 工作任务：常水头渗透试验工作任务：常水头渗透试验 测定土的渗透系数，分析天然地基、堤坝和基坑开挖测定土的渗透系数，分析天然地基、堤坝和基坑开挖 边坡的渗流稳定，以确定土的渗透变形，为施工选料边坡的渗流稳定，以确定土的

2、渗透变形，为施工选料 等提供指标和依据。等提供指标和依据。 试验目的试验目的 仪器设备仪器设备 （1 1）7070型渗透仪：由金属封底圆筒、金属孔板、滤网、型渗透仪：由金属封底圆筒、金属孔板、滤网、 测压管和供水瓶组成。测压管和供水瓶组成。 （2 2）温度计：分度值）温度计：分度值0.50.5o oC C。 （3 3）其他：木击锤、秒表、天平、量杯等。）其他：木击锤、秒表、天平、量杯等。 咨询：工作任务咨询：工作任务 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 1.1 1.1 达西定律达西定律 ik A q v 渗透定律渗透定律: : 在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状

3、态的渗流中，渗透速度v v与水力坡降与水力坡降i i 的一次方成正比，并与土的性质有关。的一次方成正比，并与土的性质有关。 iv V V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度 V V：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度 k: k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数 物理意义：水力坡降物理意义：水力坡降i i1 1时的渗流速度时的渗流速度 单位：单位：mm/s, cm/s, m/s, m/daymm/s, cm/s, m/s, m/day 任务任务1

4、1 确定土的渗透性确定土的渗透性1 1 达西定律及适用范围达西定律及适用范围 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 粗粒土：粗粒土： 在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆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，达石体中，在水力坡降较大时，达 西定律不再适用西定律不再适用 1.2 1.2 达西定律的适用范围达西定律的适用范围 i v o vcr i v ib 层流（线性流）层流（线性流） 大部分砂土，粉土；疏松大部分砂土，粉土；疏松 的粘土及砂性较重的粘性土的粘土及砂性较重的粘性土 粘性土：粘性土： 致密的粘土存在起始水力坡降致密的粘土存在起始水力坡降 iib

5、, v=k(i - ib ) ikv b iikv ikv 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 1.3 1.3 影响渗透系数的主要因素影响渗透系数的主要因素 1.3.1 1.3.1 土粒大小与级配土粒大小与级配 细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂 土的渗透系数就会大大减小。土的渗透系数就会大大减小。 1.3.21.3.2土的密实度土的密实度 1.3.3 1.3.3 水的温度水的温度 同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙同种土在不同的密实状态下具

6、有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙 比降低，土的渗透性也减小，比降低，土的渗透性也减小，k k值愈小。值愈小。 动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小， 土的渗透系数则愈大。土的渗透系数则愈大。 1.3.4 1.3.4 封闭气体的含量封闭气体的含量 一般情况下饱和度愈低，一般情况下饱和度愈低， k k值愈小。这是因为低饱和土中的孔隙中存在较值愈小。这是因为低饱和土中的孔隙中存在较 多气泡减小过水断面积，阻塞渗流通道。多气泡减小过水断面积，阻塞渗流通道。 2020 T T kk T、20分别为分别为T

7、和和20时水的动时水的动 力粘滞系数，可查表力粘滞系数，可查表 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 2 渗透系数的测定 At L h kkiAtqtV 时间时间t内流出的水量内流出的水量 hAt VL k 2.1 常水头试验常水头试验整个试验整个试验 过程中水头保持不变过程中水头保持不变 适用于透水性大（适用于透水性大（k103cm/s） 的土，例如砂土。的土，例如砂土。 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 2.2变水头试验变水头试验整个试验过程水头随时间变化整个试验过程水头随时间变化 截面面积截面面积a 任一时刻任一时刻t的水头差为

8、的水头差为h，经时段，经时段 dt后，细玻璃管中水位降落后，细玻璃管中水位降落dh， 在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dV=adh 在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dV=kiAdt=kAh/Ldt 管内减少水量流经试样水量管内减少水量流经试样水量 adh=kAh/Ldt 分离变量积分分离变量积分 2 1 12 ln h h ttA aL k 2 1 12 lg3 .2 h h ttA aL k 适用于透水性差，渗透系数适用于透水性差，渗透系数 小的粘性土小的粘性土 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 常水头试验常水头试验变水头试

9、验变水头试验 条件条件 已知已知 测定测定 算定算定 取值取值 h=consth变化变化 h，A，L Q，t 重复试验后，取均值重复试验后，取均值 a，A，L h，t 2 1 12 ln h h ttA aL k QL k= Aht 不同时段试验，取均值不同时段试验，取均值 适用适用粗粒土粗粒土粘性土粘性土 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 2.32.3成层土的渗透系数成层土的渗透系数 2.3.1 水平渗透系数水平渗透系数 H1 H2 H3 k1 k2 k3 H q1x q2x q3x qx 通过整个土层的总渗流量通过整个土层的总渗流量qx 应为各土层渗流量之总

10、和应为各土层渗流量之总和 n i ixnxxxx qqqqq 1 21 iHkq xx 达西定律达西定律 nn n i ix iHkiHkiHkq 2211 1 整个土层与层面平整个土层与层面平 行的等效渗透系数行的等效渗透系数 平均渗透系数平均渗透系数 n i iix Hk H k 1 1 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 2.3.2 垂直渗透系数垂直渗透系数 H1 H2 H3 k1 k2 k3 H 根据水流连续定理，通过根据水流连续定理，通过整个土层整个土层 的渗流量等于通过的渗流量等于通过各土层各土层的渗流量的渗流量 nyyyy qqqq 21 垂直渗垂直

11、渗 透系数透系数 q3y q2y q1y qy 各土层的相应的水力坡降为各土层的相应的水力坡降为i1、 i2、in，总的水力坡降为，总的水力坡降为i AikAikAikiAk nny 2211 总水头损失等于各层总水头损失等于各层 水头损失之和水头损失之和 nni HiHiHHi 2211 代入代入 nnnny ikikikHiHiHi H k 22112211 )( 1 整个土层与层面垂直整个土层与层面垂直 的等效渗透系数的等效渗透系数 n n y k H k H k H H k 2 2 1 1 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 1.1 1.1 渗透力渗透力

12、任务任务2 2 判断土的渗透变形计渗透变形的防治措施判断土的渗透变形计渗透变形的防治措施 1 1 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 h 2 h1 h21 L 水流流经这段土体，受水流流经这段土体，受 到土颗粒的阻力，阻力到土颗粒的阻力，阻力 引起的水头损失为引起的水头损失为h hAf w hAfj w 渗流力的大小与水力梯度成正比，渗流力的大小与水力梯度成正比， 其作用方向与渗流（或流向）方向其作用方向与渗流（或流向）方向 一致，是一种体积力。一致，是一种体积力。 土粒对水流的阻力为土粒对水流的阻力为 水流对土粒的渗透力为水流对土粒的渗透力为 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识

13、咨询：相关知识 渗流作用于单位土体的力渗流作用于单位土体的力w w i AL hA AL j J 说明：说明：渗透力渗透力J是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其 大小与水力坡降成正比，作用方向与大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向渗流方向一致，单位为一致，单位为 kN/m3 a b c 渗透力方向与渗透力方向与 重力一致，促重力一致，促 使土体压密、使土体压密、 强度提高，有强度提高，有 利于土体稳定利于土体稳定 渗流方向近乎水平，使渗流方向近乎水平，使 土粒产生向下游移动的土粒产生向下游移动的 趋势，对稳定不利趋势，对稳定不利 渗流力与重力

14、方向相渗流力与重力方向相 反，当渗透力大于土反，当渗透力大于土 体的有效重度，土粒体的有效重度，土粒 将被水流冲出将被水流冲出 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 1.2 1.2 渗透变形的基本形式渗透变形的基本形式 渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动， 导致土体变形导致土体变形渗透变形问题（流土，管涌）渗透变形问题（流土，管涌） 1.2.1流土流土在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内 土土 粒群同时发生移动的现象。粒群同时发生移动的现象。 兰州

15、资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开 挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、 淤泥等较易发生流土破坏。淤泥等较易发生流土破坏。 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 1.2.2 管涌管涌在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗 粒的孔隙，发生移动并被带出的现象。粒的孔隙，发生移动并被带出的现象。 土体在渗透

16、水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成 能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失 稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发 展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏。展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏。 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 1.2.3流土与管涌的判别流土与管涌的判别渗透变形的形式与土的类别、颗粒级渗透变形的形式与土的类别、颗粒级 配以及水力条

17、件等因素有关配以及水力条件等因素有关 粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而 只发生流土破坏；一般认为不均匀系数只发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu10的匀粒砂土，在的匀粒砂土，在 一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏 对对Cu10的砂和砾石、卵石，分两种情况的砂和砾石、卵石，分两种情况: : （1）当孔隙中细粒含量较少（小于当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，）时，由于阻力较小， 只要较小的水力坡降，就易发生管涌只要较小的水力坡降，就易发生管涌 （2）如孔隙中细

18、粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料 含量约为含量约为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌），此时的阻力最大，一般不出现管涌 而会发生流土现象而会发生流土现象 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土 土体局部范围的颗粒同时土体局部范围的颗粒同时 发生移动发生移动 管涌管涌 只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层 只要渗透力足够大，只要渗透力足够大， 可发生在任何土中可发生在任何土中 破坏过程短破坏过程短 导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等 现

19、象现象 位置位置 土类土类 历时历时 后果后果 土体内细颗粒通过粗粒形成土体内细颗粒通过粗粒形成 的孔隙通道移动的孔隙通道移动 可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流 溢出处溢出处 一般发生在特定级配的一般发生在特定级配的 无粘性土或分散性粘土无粘性土或分散性粘土 破坏过程相对较长破坏过程相对较长 导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 1.3 1.3 流土和管涌的临界水力坡降流土和管涌的临界水力坡降 s cr F i ii Fs: 安全系数安全系数1.52.0 i : 允许坡降允许坡降 F i icr :土体发生流

20、土破坏土体发生流土破坏 n 工程设计：工程设计： n 在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和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：一水力条件，均要发生流土： 1.3.1 1.3.1 流土的临界水力坡降流土的临界水力坡降 )1)(1(nGi scr 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 1.3.2 1.3.2 管涌的临界水力坡降管涌的临界水力坡降 管涌土的临界水力梯度可通过公式计算，也可以通过试验来测定。试验时管涌土的临界水力梯度可通过公式

21、计算，也可以通过试验来测定。试验时 除了根据肉眼观察细土粒的移动来判断管涌外，还可借助于水力梯度除了根据肉眼观察细土粒的移动来判断管涌外，还可借助于水力梯度i i与流与流 速速v v之间的变化来判断管涌是否出现。之间的变化来判断管涌是否出现。 20 5 2 )1)(1(2 . 2 d d nGi scr 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 2 2 渗透变形的防治渗透变形的防治2.1水工建筑物防渗措施水工建筑物防渗措施 水工建筑物的防渗工程措施一般以水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏上堵下疏”为原则，上为原则，上 游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压

22、力，防止渗游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗 透变形。透变形。 垂直截渗垂直截渗 主要目的主要目的: :延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能 完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩 等均属于垂直截渗。等均属于垂直截渗。 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 设置水平铺盖设置水平铺盖 上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径。上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径。 粘土铺盖粘土铺盖 设置

23、反滤层设置反滤层 砂垫层砂垫层 水位水位 加筋土工布加筋土工布 回填中粗砂回填中粗砂 抛石棱体抛石棱体 设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形 的作用。的作用。 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 排水减压排水减压 粘性土粘性土 含水层含水层 减压井减压井 为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深 挖排水槽。挖排水槽。 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知

24、识 2.2 基坑开挖防渗措施基坑开挖防渗措施 工程降水工程降水 采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位。采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位。 在基坑内（外）设置排在基坑内（外）设置排 水沟、集水井，用抽水水沟、集水井，用抽水 设备将地下水从排水沟设备将地下水从排水沟 或集水井排出或集水井排出 原地下水位原地下水位 明沟排水明沟排水 原水位面原水位面 一级抽水后水位一级抽水后水位 二级抽水后水位二级抽水后水位 多级井点降水多级井点降水 要求地下水位降得较深，要求地下水位降得较深， 采用井点降水。在基坑周采用井点降水。在基坑周 围布置一排至几排井点，围布置一排至几排井点， 从井中抽水降低水位从井中抽水降低水位 兰州资源环境职业技术学院水利工程系 咨询：相关知识咨询：相关知识 设置板桩设置板桩 沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地沿坑壁打入