第二章 土中水及其流动

1、12.1 概述概述2.2 渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形2一、渗透的工程背景一、渗透的工程背景渗透渗透(流流):在水位差作用下，水透过土体孔隙发生流动的现象。在水位差作用下，水透过土体孔隙发生流动的现象。石坝石坝浸润线浸润线透水层透水层土坝蓄水后水透土坝蓄水后水透过坝身流向下游过坝身流向下游1.1.土坝蓄水后水透过坝身流向下游土坝蓄水后水透过坝身流向下游第一节第一节 概述概述3透水层透水层基坑基坑板桩墙板桩墙2.2.渗流对基坑开挖的影响渗流对基坑开挖的影响 上图为软土地基深基坑施工时常用的防渗、护壁围护结上图为软土地基深基坑施工时常用的防渗、护壁围护结构，在开挖基坑的过程中，通常是基坑外土层

2、中的地下水位高构，在开挖基坑的过程中，通常是基坑外土层中的地下水位高于基坑内水位而形成水头差，地下水将通过坑外土层绕过板桩于基坑内水位而形成水头差，地下水将通过坑外土层绕过板桩渗入坑内。渗入坑内。43.3.隧道开挖时，地下水向隧道内流动隧道开挖时，地下水向隧道内流动 4.4.渗流对边坡稳定的影响渗流对边坡稳定的影响5典型事故典型事故2003年年7月月1日凌晨发生的上海轨道交通日凌晨发生的上海轨道交通4号线塌方事故，号线塌方事故，直接经济损失直接经济损失1.5亿元左右，亿元左右，3栋建筑物严重倾斜，黄浦江栋建筑物严重倾斜，黄浦江防汛墙局部塌陷并引发管涌。防汛墙局部塌陷并引发管涌。事故发生段为地铁

3、董家渡段的两条隧道之间的一条狭小事故发生段为地铁董家渡段的两条隧道之间的一条狭小连接通道，即旁通道，靠黄浦江连接通道，即旁通道，靠黄浦江260米处。米处。事故发生原因：事故发生原因：（1）竖井与旁通道的开挖顺序错误；）竖井与旁通道的开挖顺序错误；（2）冷冻设备出现故障导致温度回升；）冷冻设备出现故障导致温度回升；（3）地下承压水导致喷沙。）地下承压水导致喷沙。三方面不利因素遇在一起，最终导致了事故的发生。三方面不利因素遇在一起，最终导致了事故的发生。典型事故典型事故6789二、渗透模型二、渗透模型 实际土体中的渗流仅是流经土粒间的孔隙,由于土体孔隙的形状、大小及分布极为复杂,导致渗流水质点的运

4、动轨迹很不规则,如右图所示。10对渗流作如下二方面的简化：对渗流作如下二方面的简化： 一是不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向； 二是不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。渗流模型渗流模型11为为 了使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致，它还应该符了使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致，它还应该符合以下要求：合以下要求： (1) (1) 流量相等：流量相等：在同一过水断面，渗流模型的流量等于真在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；实渗流的流量； (2) (2) 压力相等：压力相等：在任意截面上，渗流模型的压力与真实渗在任意截面上，渗流

5、模型的压力与真实渗流的压力相等；流的压力相等； (3) (3) 阻力相等：阻力相等：在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。真实渗流所受到的阻力相等。 建立渗流模型后，即可采用液体运动的有关概念和理论对建立渗流模型后，即可采用液体运动的有关概念和理论对土体渗流问题进行分析。土体渗流问题进行分析。真实渗流与渗流模型中平均流速的关系真实渗流与渗流模型中平均流速的关系12水在土中流动遵从水力学的连续方程和能量方程。一、土中渗流的总水头和水力坡降伯努利方程：h=z+hw+hv 根据能量方程，相对于任意确定的基准面，土中一点的总水头h为： 动水头

6、hv与流速的平方成正比，由于水在土中渗流的速度一般很小， hv可以忽略不计。wwzhzh第二节第二节 渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形13总水头差h为水力梯度i也叫水力梯度或水力坡降，即沿渗流方向单位 流程的水头损失。BAhhhLhiwhzhAB基准面hAzA总水头线（压力水头线）hBzBh测压管测压管wAWAhwBWBhL（流程）14二、达西渗透定律试验装置试验装置1、达西渗透实验装置、达西渗透实验装置1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究 直立圆筒。横截面积为A，上端开口。在圆筒侧壁装有两支相距为L的侧压管。 滤板。滤板上填放颗粒均匀的砂土。 ：溢水管。水由上端注入圆筒，多余的

7、水从此溢出，使筒内水位维持一恒定值。 ：短水管。渗透过滤板的水从此流入。 量杯。计算渗流量q。 同时读取断面1-1和断面2-2处的侧压管水头值h1、h2，得到两断面之间的水头损失h= (L+h1)-h2152、达西定律、达西定律达西分析了大量实验资料，发现土中渗透的渗流量q与圆筒断面积A及水头损失h成正比，与断面间距l成反比或式中 i=h/l，称为水力梯度，也称水力坡降k为渗透系数渗透系数, 其值等于梯度为1时水的渗透速度，cm/s 。上式所表示的关系称为达西定律，它是渗透的基本定律。v=kiivO O砂土163、 达西定律的适用范围达西定律的适用范围达西定律是由砂质土体砂质土体(中砂、细砂、

8、粉砂等中砂、细砂、粉砂等)实验得到的，后来经过修正后推广应用于其他土体如粘土和具有细裂隙的岩石等。进一步的研究表明，在某些条件下，渗透并不一定符合达西定律，因此在实际工作中还要注意达西定律的适用范围。大量试验表明:(1) 当渗透速度较小渗透速度较小时，渗透的沿程水头损失与流速的一次方成正比程水头损失与流速的一次方成正比。在一般情况下，砂土、粘土砂土、粘土中的渗透速度很小，其渗流可以看作是一种水流流线互相平行的流动层流层流，渗流运动规律符合达西定律，渗透速度v与水力梯度i的关系可在v-i坐标系中表示成一条直线，如图(a)所示。(2) 粗颗粒土粗颗粒土(如砾、卵石等如砾、卵石等)的试验结果如图(b

9、)所示。由于其孔隙很大，当水力梯度较小时，流速不大，渗流可认为是层流，v-i关系成线性变化，达西定律仍然适用。当水力梯度较大时，流速增大，渗流将过渡为不规则的相互混杂的流动形式紊流紊流，v-i关系呈非线性变化，达西定律不再适用。17 土颗粒周围存在着结合水，结合水因受到分子引力作用而呈现粘滞性,需要克服结合水的粘滞阻力才能发生渗流。通常把克服此粘滞阻力所需要的水头梯度，称为粘土的起始水头梯度ib, 只有在达到起始水力梯度后才能发生渗透。18三、渗透系数及其测定 渗透系数k是评价土的渗透性的指标。k值大的土，渗透性强，反之，渗透性弱。1.渗透系数的实用意义2.渗透系数的影响因素土颗粒的粒径、级配

10、和矿物成分土颗粒的粒径、级配和矿物成分土颗粒的粒径小，渗透系数小；级配好，渗透系数小；在含水量相同的情况下，蒙脱石的渗透系数比高岭石的小，伊利石的渗透系数居于两者之间。19土的孔隙比或孔隙率土的孔隙比或孔隙率 同一种土，孔隙比或孔隙率大，则土的密实度低，过水断面大，渗透系数也大；反之，渗透性弱。土的结构和构造土的结构和构造击实土样其渗透系数比分散结构土样大许多。 宏观构造上的成层性及扁平粘粒在沉积过程中的 定向排列，使得粘性土在水平方向的渗透系数往 往远大于垂直方向。20土的饱和度土的饱和度 如果土不是完全饱和而有封闭气体存在，土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土

11、的渗透性愈小。水的动力粘滞度水的动力粘滞度 动力粘滞度随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞度愈小，土的渗透系数则愈大。2020TTkk T、20分别为T和20时水的动力度，可从国家标准GBJ12388查得。 我国国家标准规定以20作为标准温度。213.渗透系数的测定方法室内测定方法室内测定方法室内渗透试验有常水头和变水头两种试验方法。常水头渗透试验整个试验过程中水头差保持不变适用范围：适用于砂土 时间t内流出的水量hAtVLk 渗透系数测定方法有室内测定方法和原位测定方法。试验装置：如图 公式： hqvtkiAtkAtLQqt22变水头渗透试验整个试验过程水头差随时间变化试验装置：适用

12、范围：适用于粘土 a23管内减少水量流经试样水量 adh=kAh/Ldt 分离变量、积分 2112lnhhttAaLk2112lg3 .2hhttAaLk公式： 任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量 dQ=adh 在时段dt内流经试样的水量 dQ=kiAdt=kAh/Ldt 24例题分析【例例3 3】在变水头渗透试验中，土样高3cm，其横截面积为32.2cm2，变水头管的内截面积为1.11cm2。试验开始时总水头差为320cm，1h后降至315cm，求土样的k值。【解答解答】scmhhttAaLk/1052.4315320ln360012.3

13、2311.1ln72112a25原位测定方法原位测定方法试验装置 原位试验能获得较为符合实际情况的土性参数，对于难以取得原状土样的粗颗粒土尤有重要意义。r3r2r1 h0 抽水孔r0 h2h h1观测孔2观测孔126公式：d2drhqkrh分离变量、积分：2211dr2drhrhqkh hr得：222121ln-rqkrh h 如果只有一个观测孔，如只有观测孔1，则上式的h1和 h2各用h0和 h1代替，r1和r2分别代之以r0和r1即可。274.成层土的平均渗透系数水平渗透系数水平渗透系数 H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和 12

14、1xxxnxnixiqqqqqiHkqxx达西定律nnniixiHkiHkiHkq22111由此得：niiixHkHk1128垂直渗透系数垂直渗透系数 H1H2H3k1k2k3H 根据水流连续定理，通过每一土层的渗流速度相等q3yq2yq1y 总水头损失等于各层水头损失之和 nniHiHiHHi2211nnykHkHkHHk2211nhhhh21nyyyyyqqqqq.321根据达西定律nnyyyyyHkvHkvHkvHkv2211即：由此得： qy29四、渗透力及渗透变形 水是具有一定粘滞度的液体，当其在土中渗流时，对土颗粒有推动、摩擦和拖曳作用，它们综合形成的作用于土骨架的力，即为渗透力。

15、1.渗透力h2h1h21L 沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h 土粒对水流的阻力应为 hAFw30hAFJw 在根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反 渗流作用于单位土体的力wwiALhAALJj渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力梯度成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3。渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响。说明：312.临界水力梯度当水向上渗流时，向上的渗透力与土颗粒的浮重相等时，土颗粒处于失重或悬浮状态，这时的水力梯度即为临界水力梯度。当水向上渗流时，渗透力与重力方向相反，当

16、渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出。当水向下渗流时，渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定。GJJG wLAhAwcri323.土的渗透变形土由于受渗流作用而发生的破坏 土的渗透破坏主要有流砂（或称流土、翻砂）和管涌两种。流砂流砂指水向上渗流时，在渗流出口处一定范围内，土颗粒或其集合体浮扬而向上移动或涌出的现象33是否发生流土，可按下述原则来判断：若iicr，会发生流土破坏 设计计算时不仅应使iicrscrFii Fs为安全系数，其取值不一定，但大多数不小于1.5。34管涌管涌指在渗流作用下，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。 发生管

17、涌，其水力梯度必须超过其临界值。但应注意，管涌的临界水力梯度与流土的水力梯度不同，有关的研究工作还不够，尚无公认合适的计算公式。35 2002.8.222002.8.22湘江大堤望城靖港镇东湖湘江大堤望城靖港镇东湖责任段出现散浸，并有个别散浸点转化为责任段出现散浸，并有个别散浸点转化为管涌，经抢险队伍用砂卵石将散浸口和管管涌，经抢险队伍用砂卵石将散浸口和管涌口压住，其他管涌和也被砂卵石填压。涌口压住，其他管涌和也被砂卵石填压。大堤从凌晨大堤从凌晨1 1时出现的险情到下午时出现的险情到下午5 5点得到点得到了完全控制。了完全控制。最大的管涌处最大的管涌处最大的管涌处3637流土流土土体局部范围的

18、颗粒同时发土体局部范围的颗粒同时发生移动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383. 3. 防治措施防治措施 scrFiii 增大增大ii：下游增加透水盖重下游增加透水盖重 防治防治流土流土减小减小i i ：上游延长渗径；上游延长渗径； 下游减小水压下游减小水压防治防治管涌管涌改善几何条件：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39 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。流土只发生在渗流出口处，不发生在内部，破坏也比较突然。流土与管涌的区别流土与管涌的区别 发生管涌的土一般为无粘性土，其产生的必要条件之一是土中含有适量的粗颗粒和细颗粒，且粗颗粒间的孔隙