《土力学与基础工程》课件03-地下水部分

1、? ?土力学与根底工程土力学与根底工程? ?课课件件03-03-地下水局部地下水局部什么是土的渗透性和水的渗流？什么是土的渗透性和水的渗流？ 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流渗流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能量差能量差土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流土土土的力学性质土的力学性质为什么要学习土的渗透性和水的渗流？为什么要学习土的渗透性和水的渗流？土的渗透性和水的渗流土的渗透性和水的渗流1 渗透变形破坏问题渗透变形破坏问题2 渗流量的计算问题渗流量的计

2、算问题3 渗流变形控制问题渗流变形控制问题工程活动工程活动直接影响直接影响 TetonTeton大坝，大坝，位于美国爱达荷位于美国爱达荷州的东南部，为州的东南部，为高高93m93m的土坝。的土坝。19761976年年6 6月月5 5日该日该坝完成后第一次坝完成后第一次蓄水时即发生破蓄水时即发生破坏，造成坏，造成1111人死人死亡及数百万美元亡及数百万美元的损失。破坏是的损失。破坏是由右岸距坝顶约由右岸距坝顶约40m40m处的一个漏处的一个漏洞引起的。洞引起的。1、渗透变形破坏问题、渗透变形破坏问题因渗流造成土体变形甚至破坏因渗流造成土体变形甚至破坏2、渗流量的计算问题、渗流量的计算问题 土坝坝

3、身、坝基、渠道等的渗漏水量估算；土坝坝身、坝基、渠道等的渗漏水量估算； 基坑开挖渗水量及排水量计算；基坑开挖渗水量及排水量计算； 水井供水量估算等。水井供水量估算等。土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖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2、渗流量的计算问题、渗流量的计算问题渗流量渗流量渗透变形渗透变形渗水压力渗流量渗透变形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2、渗流量的计算问题、渗流量的计算问题渗流量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Q2、渗流量的

4、计算问题、渗流量的计算问题渗流量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渗流渠道渗流2、渗流量的计算问题、渗流量的计算问题p 土石坝渗流的变形控制土石坝渗流的变形控制p 基坑渗流的变形控制基坑渗流的变形控制p 滑坡的渗流稳定问题滑坡的渗流稳定问题降雨入渗、库水位升降等引起的坡体稳定问题降雨入渗、库水位升降等引起的坡体稳定问题3、渗流变形的控制问题、渗流变形的控制问题降雨入渗降雨入渗引发滑坡引发滑坡降雨入渗引发滑坡降雨入渗引发滑坡3、渗流变形的控制问题、渗流变形的控制问题地下水的类型地下水的分类地下水的分类u地下水按埋藏条件分为：地下水按埋藏条件分为：上层滞水上层滞水、潜水潜水和和承

5、压水承压水u按含水层的空隙性质分为：按含水层的空隙性质分为：孔隙水孔隙水、裂隙水裂隙水和和岩溶水岩溶水上层滞水上层滞水、潜水、承压水、潜水、承压水上层滞水上层滞水包气带中局部隔水层之上的重力水。包气带中局部隔水层之上的重力水。潜水潜水埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具自由水面埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具自由水面的重力水。的重力水。承压水承压水充满于两个稳定的隔水层间的重力水。充满于两个稳定的隔水层间的重力水。承压水的形成主要决定于地质构造条件，最适宜形承压水的形成主要决定于地质构造条件，最适宜形成承压水的构造为成承压水的构造为向斜向斜( (或盆地或盆地) )构造构造和和单斜构造单斜构

6、造。承压水承压水向斜盆地向斜盆地隔水顶板隔水顶板补给区补给区承压区承压区排泄区排泄区隔水底板隔水底板M承压含水承压含水层厚度层厚度HHMhH2H1初见水位初见水位承压水位承压水位承压水头承压水头地下水位地下水位埋深埋深自流区自流区层流层流紊流紊流地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度连续渗透，连续渗透，流线互相平行。流线互相平行。地下水在岩石的裂隙或空洞中流动，地下水在岩石的裂隙或空洞中流动，流线有互相流线有互相交错，交错，速度较大。速度较大。地下水运动的两种形式：地下水运动的两种形式：一土的渗透定律一土的渗透定律土的渗透性土的渗透性：一般是指水流通过

7、土中孔隙的难易程度。：一般是指水流通过土中孔隙的难易程度。AhAzwAuLBhhBwuBz水力梯度坡降hydraulic gradientABhhhiLL总水头线测压管 piezometer tube单位流程的水头损失。AB 土中渗流和水力梯度2. Darcy渗透定律/vq Ak i在层流sheet flow状态下，有Henry Philibert Gaspard Darcy(1803-1858)法国工程师Darcy ，18561试 验2Darcy渗透定律平均流速流量土的截面积渗透系数水力梯度Darcy渗透定律是计算分析土的渗流、渗透固结问题的重要根底。kiAvAQkiv 水在土中渗透速度，它

8、不是水的实际流速，而是一单位时水在土中渗透速度，它不是水的实际流速，而是一单位时间内流过单位土截面的水量，单位间内流过单位土截面的水量，单位 。vdaym /sec/cm 土的渗透系数，土的渗透系数， 与土质有关与土质有关kdaym/水头梯度水头梯度，iLHHi21 土的渗透系数土的渗透系数 与土质有关，达西定律适合砂土。如果是粘性与土质有关，达西定律适合砂土。如果是粘性土，这个公式不准确，因为存在结合水膜土，这个公式不准确，因为存在结合水膜 , ,阻塞了孔隙间的通道阻塞了孔隙间的通道。ka. 砂土及一般粘性土b. 砾以上的土且水力梯度较大时，形成紊流，故不适用。c. 粘性很强的致密粘土，修正

9、为0()vkiiDarcy定律的适用范围渗流为层流h200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W = = LsatsatL( + w)P1 = = whwP2 = = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L 土水整体分析土水整体分析1、计算方法11) 1(1 satwswswswvsedeVdVVm 一一. . 渗透力渗透力四四 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W = = LsatsatL

10、( + w)P1 = = whwP2 = = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L whR = L 渗流中的土体渗流中的土体土水整体分析土水整体分析1 1、计算方法、计算方法h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1R = L whR = L 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少减少的局部由谁承担？减少的局部由谁承担？水与土之间的作用力渗流的拖曳力水与土之间的作用力渗流的拖曳力总渗透力总渗透力J = wh渗透力渗透力 j =

11、J/V = wh/L = wij = wi土水整体分析土水整体分析1 1、计算方法、计算方法h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1RA=1R = L wh渗流中的土体所受滤网支持力渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少临界水力坡降临界水力坡降i = h/L = /wicr = /w L wh = 0edws1) 1(ediscr11土水整体分析土水整体分析1 1、计算方法、计算方法11) 1(1 satwswswswvsedeVdVVm 一一. . 渗透力渗透力2、试验观察h=0 h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。静

12、水中，土骨架会受到浮力作用。h0 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。架产生一个摩擦、拖曳力。渗透力渗透力 j 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。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。h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b四四 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b土土粒粒渗渗 流流j3、物理本质 渗透力seepage force土中渗流对土骨架产生推动、摩擦、拖曳作用力。w

13、RLAhA()wRiLAcrwi 临界水力梯度critical hydraulic gradient 有效应力effective stresswJjiVsRwshAsLA土颗粒J土颗粒之间的作用力。有效应力为0时对应的水力梯度。此时水将发生渗透破坏。ediscr11根本类型根本类型 二二. .渗透变形渗透破坏渗透变形渗透破坏 流土流土管涌管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏。土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏。形成条件形成条件 防治措施防治措施 流 土流砂quick sand 、翻砂 boil sand 在向上的渗流作用下，外表土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、

14、移动的现象。 发生条件crii 在地下水位下开挖基槽，如从基坑中直接排水会导致流砂现象。在地下水位下开挖基槽，如从基坑中直接排水会导致流砂现象。 井井 管涌 piping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，最终在土中形成与地表贯穿的管道。粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯穿的管道。原因：原因：内因内因 有足够多的粗颗粒形有足够多的粗颗粒形成大于细粒径的孔隙通道成大于细粒径的孔隙通道外因外因渗透力足够大渗透力足够大 管涌管涌破坏 scrFiii Fs: 平安系数平安系数二二. .渗透变

15、形渗透变形 i : 允许坡降允许坡降i icr :土体处于稳定状态土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体发生流土破坏土体处于临界状态土体处于临界状态流土流土经验判断：经验判断：无压重时：无压重时：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

16、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3. 3. 防治措施防治措施 scrFiii 防治流土防治流土土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层防治管涌防治管涌改善几何条件：改善几何条件：设反滤层等设反滤层等改善水力条件：改善水力条件：减小渗透坡降，减小渗透坡降， 如打板桩如打板桩减小或消除水头差减小或消除水头差，如，如采取基坑外的井点降水法采取基坑外的井点降水法降低地下水位，或采取水降低地下水位，或采取水下挖掘；下挖掘； 增长渗流路径增长渗流路径，如打板桩；如打板桩； 在向上渗流在向上渗流出口处地表用透水材料覆出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力盖压重以平衡渗流力；土层加固处理土层加固处理，