第3章 土的渗透性及渗流

1、土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 第第3章章2本章特点本章特点学习要点学习要点主要难点主要难点有较严格的理论（水流的一般规律）有较严格的理论（水流的一般规律）有经验性规律（散粒体多孔介质特性）有经验性规律（散粒体多孔介质特性）注重对物理概念和意义的深入理解注重对物理概念和意义的深入理解注意土是散粒体（多孔介质）这一特点注意土是散粒体（多孔介质）这一特点 水头及水力梯度水头及水力梯度二维流网及其应用二维流网及其应用渗透力及其分析方法渗透力及其分析方法3 土的渗透性及渗流 33.1 3.1 概述概述3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性3.3 3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网3.4 3.

2、4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制3 土的渗透性及渗流 4 3.1 3.1 概述概述？ 3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性？ 3.3 3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网？ 3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制3 土的渗透性及渗流 3 土的渗透性及渗流 碎散性碎散性多孔介质多孔介质三相体系三相体系孔隙流体流动孔隙流体流动渗透渗透水在土体孔隙中流动的现象水在土体孔隙中流动的现象渗透性渗透性土具有被水透过的性质土具有被水透过的性质渗透特性渗透特性强度特性强度特性变形特性变形特性非饱和土的渗透性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性饱和土的渗透性 3.1概述概述能量差能量差土颗粒土颗粒土中水

3、土中水渗流渗流 3.1概述渗流问题土石坝土石坝防渗斜墙防渗斜墙浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流3 土的渗透性及渗流 渗流问题：渗流问题：1. 渗流量？渗流量？2. 渗透破坏？渗透破坏？3. 渗透力？渗透力？7透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流 3.2概述3 土的渗透性及渗流 渗流问题：渗流问题：1. 渗流量？渗流量？2. 渗透破坏？渗透破坏？3. 渗水压力？渗水压力？ 3.1概述渗流问题8透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q 3.2概述3 土的渗透

4、性及渗流 渗流问题：渗流问题：1. 渗流量渗流量Q？2. 降水深度？降水深度？ 3.1概述渗流问题9原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位渠道、河流渗流渠道、河流渗流 3.2概述3 土的渗透性及渗流 渗流问题：渗流问题：1. 渗流量？渗流量？2. 地下水影响地下水影响 范围？范围？ 3.1概述渗流问题10降雨入渗引起的滑坡降雨入渗引起的滑坡3 土的渗透性及渗流 3.1概述渗流问题渗流问题：渗流问题：1. 渗透力？渗透力？2. 入渗过程？入渗过程？ 11 渗流量渗流量 渗水压力渗水压力 渗透破坏渗透破坏 渗流速度渗流速度 渗水面位置渗水面位置挡水建筑物挡水建筑物 集水建筑物集水建筑物

5、引水结构物引水结构物 基础工程基础工程地下工程地下工程边坡工程边坡工程渗透特性土的渗透特性土的渗透特性3 土的渗透性及渗流 3.1概述土的渗透特性12 3.2 3.2 概述概述 3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性？ 3.3 3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网？ 3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制3 土的渗透性及渗流 133.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 F水头与水力梯度水头与水力梯度F土的渗透试验与土的渗透试验与达西定律达西定律F渗透系数的测定渗透系数的测定及影响因素及影响因素F层状地基的等效层状地基的等效渗透系数渗透系数土的渗透性土的渗透性 渗流的驱动能量渗流的驱动

6、能量反映渗流特点的定律反映渗流特点的定律土的渗透性土的渗透性地基的渗透系数地基的渗透系数3 土的渗透性及渗流 14n 位置水头：位置水头：到基准面的竖直距离，到基准面的竖直距离，代表单位重量的液体从基准面算起代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能所具有的位置势能n 压力水头：压力水头：水压力所能引起的自由水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重量液体所水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能具有的压力势能n 测管水头：测管水头：测管水面到基准面的垂测管水面到基准面的垂直距离，等于位置水头和压力水头直距离，等于位置水头和压力水头之和，表示单位重量液体的总势能之和，表示单位重量液体的

7、总势能n 在静止液体中各点的测管水头相等在静止液体中各点的测管水头相等位置、压力和测管水头位置、压力和测管水头zA00ABu0pawAu zBwBu 基准面基准面静水静水3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性渗流基本概念渗流基本概念 15水流动的驱动力水流动的驱动力水往低处流水往低处流水往高处水往高处“跑跑”速度速度v压力压力u位置：位置：使水流从位置势能使水流从位置势能高处流向位置势能低处高处流向位置势能低处流速：流速：水具有的动能水具有的动能压力：压力：水所具有的压力势能水所具有的压力势能也可使水流发生流动也可使水流发生流动3.23.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规

8、律 3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性渗流基本概念渗流基本概念 16n 位置势能：位置势能：mgzwumg n 压力势能：压力势能：00基准面基准面质量质量 m压力压力 u流速流速 vzwu n 动能：动能：2mv212wmv21umgmgzE n 总能量：总能量：2gvuzh2w称为总水头，是水流动称为总水头，是水流动的驱动力的驱动力n 单位重量水流的能量：单位重量水流的能量：水流动的驱动力水流动的驱动力 - 水头水头3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性渗流基本概念渗流基本概念 mgE17ABLhAzAwAu 基准面基准面g2vuzh2w wuzh n

9、总水头：总水头：单位单位重量重量水体所具有的能量水体所具有的能量 位置水头位置水头Z Z：水体的位置势能（任选基准面）：水体的位置势能（任选基准面） 压力水头压力水头u/ w：水体的压力势能（：水体的压力势能（u孔隙水压力）孔隙水压力） 流速水头流速水头v2/(2g)：水体的动能（对于渗流：水体的动能（对于渗流v0）n 渗流的总水头：渗流的总水头：渗流问题的水头渗流问题的水头也称也称测管水头测管水头，是渗流的，是渗流的总驱动能，渗流总是从水总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处头高处流向水头低处3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性渗流基本概念渗流基本概念 18wBBBuzh

10、 A A点总水头：点总水头：水力梯度水力梯度ABLhAhBzAwAuwBu zBh h基准面基准面水力梯度线水力梯度线wAAAuzh B B点总水头：点总水头： 二点总水头差：反映了二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力两点间水流由于摩阻力造成的能量损失造成的能量损失BAhhh 水力梯度水力梯度 i：单位渗流长度上的水头损失：单位渗流长度上的水头损失Lhi 3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性渗流基本概念渗流基本概念 19达西渗透试验达西渗透试验LAh1h2QQ透水石1855 年达西年达西(Darcy)对均匀砂对均匀砂进行了大量的渗透试验进行了大量的渗透试验LhAq或：或：

11、ikAq 其中，其中，A是试样的断面积是试样的断面积3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性层流渗透定律层流渗透定律 20ikAqv达西定律达西定律n 达西定律：达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力梯度与水力梯度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n 渗透系数渗透系数k: 反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力梯度水力梯度i1时的渗流速度，单位：时的渗流速度，单位： cm/s, m/s, m/dayn 渗透速度渗透速度v：土体试样土体试样全断面全断面的平均渗流速度，也

12、称假想的平均渗流速度，也称假想渗流速度渗流速度nvvvs其中，其中，V Vs s为实际平均流速为实际平均流速3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性层流渗透定律层流渗透定律 21达西定律的适用范围达西定律的适用范围n 适用条件：层流适用条件：层流岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂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。增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性层流渗透定律层

13、流渗透定律 22n 是土中孔隙直径大小的主要影是土中孔隙直径大小的主要影响因素响因素n 因由粗颗粒形成的大孔隙可被因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此，小一般由细颗粒所控制。因此，土的渗透系数常用有效粒径土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如汉森公式：来表示，如汉森公式：210dck 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性渗透系数渗透系数 23n 是单位土体中孔隙体积

14、的直接是单位土体中孔隙体积的直接度量度量n 对于砂性土，常建立孔隙比对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数与渗透系数k之间的关系，如：之间的关系，如：)e1e(fk)e1e(fk)e(fk322渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性渗透系数渗透系数 24n 对粘性土，影响颗粒的表面力对粘性土，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极大，其渗透性大小的次序为高岭石岭石伊利石伊利石蒙脱石蒙脱石

15、；当粘土；当粘土中含有可交换的钠离子越多时，中含有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低其渗透性将越低n 塑性指数塑性指数Ip综合反映土的颗粒大综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的小和矿物成份，常是渗透系数的参数参数渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构与构造结构与构造3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性渗透系数渗透系数 25n 影响孔隙系统的构成和方向性，影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大对粘性土影响更大n 在宏观构造上，天然沉积层状在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平

16、状粘土颗粒常粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得呈水平排列，常使得k水平水平k k垂直垂直n 在微观结构上，当孔隙比相同在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性有更大的透水性渗透系数的影响因素 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构与构造结构与构造3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性渗透系数渗透系数 26渗透系数的影响因素 n 水的动力粘滞系数：水的动力粘滞系数： 温度温度 ，水粘滞性，水粘滞性 ，k n 饱和度饱和度（含气量）：封闭气（含气量）：封闭气

17、泡对泡对k影响很大，可减少有效影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道的通道 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性渗透系数渗透系数 27层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数等效渗透系数等效渗透系数 确立各层土的确立各层土的ki 根据渗流方向确定等效渗流系数根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状天然土层多呈层状多个土层用假想单一土层置换，多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变使得其总体的透水性不变3 土的渗透性及渗

18、流 3.23.2土的渗透性土的渗透性渗透系数渗透系数 28hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层不透水层等效渗透系数等效渗透系数: : iixHkH1kkxn 已知条件已知条件: :LhiiiixxqqiHHqx=vxH=kx i Hqix=ki ii Hin 达西定律达西定律: :n 等效条件等效条件: :层状地基的水平等效渗透系数层状地基的水平等效渗透系数3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性渗透系数渗透系数 L L29层状地基的垂直等效渗透系数层状地基的垂直等效渗透系数 iizkHHkH1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水承压水kzvviih

19、hiHHvi = ki (hi / Hi )iiiikHvh zkvHh iizkHvkvHiihhn 已知条件已知条件: :n 达西定律达西定律: :n 等效条件等效条件: :v = kz (h / H )等效渗透系数等效渗透系数: :3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性渗透系数渗透系数 30n 算例说明算例说明 daym100km01Hdaym1km01Hdaym010km01H332211/,./,./.,.按层厚加权平均，由较大值控制按层厚加权平均，由较大值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制daym6733HHkkiix/.daym030

20、kHHkiiz/.层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数H1H2H3Hk1k2k3xz3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性渗透系数渗透系数 31层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数水平渗流情形水平渗流情形垂直渗流情形垂直渗流情形条件条件已知已知等效等效公式公式LhiiHHqqiii;.;,121kHHiHkqxiixHkH1kii21HHhhvvv;.,.;,2121kkHHHhkikvzziizkHHk3 土的渗透性及渗流 3.23.2土的渗透性土的渗透性渗透系数渗透系数 32 3.2 3.2 概述概述 3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 3.3 3.3 土

21、中二维渗流及流网（自学）土中二维渗流及流网（自学）？ 3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制3 土的渗透性及渗流 33 3.2 3.2 概述概述 3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 3.3 3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网 3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制3 土的渗透性及渗流 34n hh=0 =0 静水中，土骨静水中，土骨架会受到浮力作用。架会受到浮力作用。n hh0 0 水在流动时，水在流动时，水流受到来自土骨架的水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个渗水对土骨架产生一个渗流作用力。流作用力。h1hh200hwL土样土

22、样滤网滤网贮水器贮水器a b渗流力渗流力j：单位体积土颗粒所受到的：单位体积土颗粒所受到的 渗流作用力。渗流作用力。3 土的渗透性及渗流 3.43.4渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗流力渗流力 一、渗流力一、渗流力35截面积截面积A=1h200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器abW重力重力W = L sat L( + w)上端面水压力上端面水压力P1 = whw下端面水压力下端面水压力P2 = wh2滤网支持力滤网支持力R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L n 土水整体受力分析土水整体受力分析- -静水静水3 土的渗透性及渗流 3.

23、43.4渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗流力渗流力 36R = L - w hn 土水整体受力分析土水整体受力分析- 对比对比h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b 静水中的土体静水中的土体 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤向上渗流存在时，滤网支持力减少网支持力减少R = L 总渗透力：总渗透力： J=J= w w h h 渗流力渗流力j j：单位体积土颗粒所受到的渗流作用力。单位体积土颗粒所受到的渗流作用力。 渗流力是一种体积力，量纲与渗流力是一种体积力，量纲与 w相同。大小和水力梯相同。大小和水力梯度成正比，方向与渗透方向一致。度成正比，方向与渗透方向一致。j =

24、J/V = w h /L = wi3 土的渗透性及渗流 3.43.4渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗流力渗流力 37= + WW Ww土水土水 = 土骨架土骨架 + 孔隙水孔隙水JRJ P1P2P1P2Rn土水土水隔离隔离受力分析受力分析R = L- w h 土骨架受力分析：土骨架受力分析：有效重量：有效重量：W =L 总渗透力：总渗透力：J=Lj滤网的反力：滤网的反力：R 孔隙水受力分析：孔隙水受力分析：水压力：水压力：P1= whw P2 = wh1总渗透力：总渗透力：J =J水重水重+浮力反力：浮力反力： Ww =Vv w+Vs w=L w孔隙水受力平衡孔隙水受力平衡j = wi土骨架受力

25、平衡土骨架受力平衡3 土的渗透性及渗流 3.43.4渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗流力渗流力 38F物理意义：物理意义：单位体积土颗粒所受到的渗单位体积土颗粒所受到的渗流作用力，它是一种体积力流作用力，它是一种体积力F大小：大小： j = j = w wi iF方向：方向：与水力梯度方向一致与水力梯度方向一致F作用对象：作用对象：土颗粒土颗粒3 土的渗透性及渗流 3.43.4渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗流力渗流力 39n土工建筑物及地基由于土工建筑物及地基由于渗流作用渗流作用而出现的变形或而出现的变形或破坏称为破坏称为渗透变形渗透变形或或渗透破坏渗透破坏。n渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见

26、类型渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型n基本类型：基本类型：流砂（土）流砂（土）管涌管涌3 土的渗透性及渗流 3.43.4渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗透破坏渗透破坏 二、流砂（土）和管涌现象二、流砂（土）和管涌现象40流砂（土）流砂（土）n 流砂（土流砂（土) )：在在向上向上的渗透作用的渗透作用下，表层局部范围内的土体下，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，只要水力梯度达到一定的大小，都可发生流土破坏。要水力梯度达到一定的大小，都可发生流土破坏。粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体渗流渗流crii

27、 )1)(1(1111ndededissscrF 原因：原因：3 土的渗透性及渗流 3.43.4渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗透破坏渗透破坏 i41坝体坝体管管 涌涌F 原因原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：渗透力足够大外因：渗透力足够大 n 管涌管涌：在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗：在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。形成与地表贯通的管道。渗流渗流过程演示过程演示1. 在渗透水流作用下，在渗透水

28、流作用下，细颗粒在粗颗粒形成细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失的孔隙中移动流失2. 孔隙不断扩大，渗流孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走颗粒也相继被水带走3. 形成贯穿的渗流通道，形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷造成土体塌陷3 土的渗透性及渗流 3.43.4渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗透破坏渗透破坏 42流砂（土）与管涌的比较流砂（土）与管涌的比较 流砂（土）流砂（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