土的渗透性和渗流问题1+2+3

1、第二章、土的渗透性和渗流问题本章提要：土的渗透性和渗透规律平面渗流及流网渗透力与渗透变形本章特点：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学习要点：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S.1概述S.2 土的渗透性与渗透规律S.3平面渗流与流网S.4渗透力与渗透变形S.1概述水就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, 在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动.土颗粒 ''土中水不斌水层水在土体孔隙中流动的现象称为渗流土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性排流间瓶1.暗流量？L渗透破坏？3添透力？工程实例土

2、石坝坝基坝身渗流工程实例渗流问戡：1 .海流星？2 .渗透破坏？3 .港水压力？板桩围护下的基坑渗流漆流问题:1 .渗流量？2 .地下水影响范围？渠道、河流渗流濯流问题:1 .港透力？2 .入渗过程？事故实例降雨入渗引起的滑坡,挡水建筑物集水建筑物引水结构物,根底工程地下工程边坡工程 JD/澄透特性i变形特性七强度特性f渗流量扬压力添水压力书透破坏燧流速度渗水面位置,土的渗透特性§ 2.2 土的渗流性与渗透规律水头与水力坡降渗流的驱动能量土的渗透试验与达西定律 反映渗流特点的定律渗透系数的测定及影响因素 土的渗透性层状地基的等效渗透系数地基的渗透系数1 z队.-P1静水A0-1-0基

3、准而位置水头：到基准面的竖直距离,代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置 势能 压力水头：水压力所能引起的自由水面的升高,表示单位重量液体所具有的压力势 能测管水头：测管水面到基准面的垂直距离,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 在静止液体中各点的测管水头相等 位置、压力和测管水头水往低处流位置：使水渔从位置势能 高处流向位百势能低妙水往高处“ar液速：水具有的动能压力：水所具有的座力势能口也可使水流发生浪动水流动的驱动力位管势能:mgz压力势能:U mg质压Mft力速动能,-mvE- mgz+mg +-mv Yw 2单位重员水流的能最：某准而-0n称为以水头,是水流劝

4、 的驱动力水流动的驱动力水头海流为水体的流动,应满 足液体流动的三大根本方 程：连埃性方程.能量方 程、动量方程渗流中的水头与水力坡降, A点点水头,hA -zA Tw R点总木头：虬=电+与 ？%*二点均水头茶反映r 的点间水境由于棒阻方 措攻的蛀昼损失Ah=0 -垢,水力域降L单位德渔氏度的水头损哭AhT水力坡降1836年好哄在例克城 市供水材皇时讲行的渗流试酷成：= kAi其中.耳是试样的断面积总水头：单位重星水体所具有的甑Mh=z + + 位ES水头孙水怀的位3S努能任逸基准血 “ 谴 医力水头心楚 水体的座力势展碗孔隙水压力o流速水头V/2gj：水体的动能对修渡弟处于足流油渗流的葛水

5、头：h =,+ Tw匚 也祢测管水*.是潘源的总驱动能,渗温总是从水头高蛀也向水头低姓渗流问题的水头达西渗透试验k i达西定律：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,并与土的性质有关渗透系数k:反映土的透水性能的比例系数,其物理意义为水力坡降i= 1时的渗流速度,单位： cm/s, m/s, m/day渗透速度v： 土体试样全断面的平均渗流速度,也称假想渗流速度vvs其中,Vs为实际平均流速,孔隙断面的平均流速达西定律适用条件：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.

6、可用雷诺数进行判断 ：<时致密的粘性土,存在扭始水力Rev 5时层流Re > 200时紊流200 > Re > 5时为过渡区达西定律的适用范围两神特例4在韩砾以上的根fil的料粒上如堪 石体中,在水力坡阵较大时,ik 西定律不再姑用,此时；V 二ki"*达西定律的适用范*室内试验方法常水头试验法L变水头试强法或野外试验方注,井孔抽水试验井孔注水试睑渗透系数的测定方法试巍条件：Ah, Xt I.-const量测变量：体积tV=Qt=vAtv=kii= i T,VI.A AM适用上类：透水性较大的秒性上室内试验方法-常水头试验法D, aL . AhtAt Ah,不

7、透水层岫水W试验条件:Ah变化A» a» L=const量测变量：Ah, t适用土类：透水性较小的粘性土室内试验方法-变水头试验法在t-t+dt时段内：入流JL dVe=-adh出流量：db=kiAdt=k (Ah/L)Adt密埃性条件：dVe=db-adh 二 k (Ah/L)Adtdt kA M仙.也件竺i .兰而色8 kA J企 AhkA Ah.逸祥几组呈测结果.计算相应的k.取平均值室内试验方法-变水头试验法1 !常水头试诵变水头试骋S;条件Ah=<x>B$tAb变化!己如A*. A, La, A, L濯定V. tAh, tI公式k工A AMic.蚂.竺

8、iAt 心取值重夏试验后,电均值不同时段试狡,取均值:语用 (租粒土.tttt±室内试验方法-小结试就条件：Q=const量测变量：r=r(> 垢=？r=r2> h2=？.优点a可获得现场较为可靠的平均渗透系数 冬缺点z费用较高,耗时较&现场测定法一抽水试验计算公式:A 2«rhi-dhdrQ = Aki =2？trhkdrQ2？L = 2xkhdhk QM<r2/rJn h； - hj现场测定法一抽水试验孔隙比-矿物成分-结构O水的性质是土中孔隙宜径大小的主要影 响因素因由租颗粒形成的大孔隙可被 细颗粒充填,故土体孔隙的大 小一殷由韧颗粒所限制.

9、因此. 土的洛透系数常用有效粒轻d】. 来表示,如哈臣公式,k = cM渗透系数的影响因素个土的性质粒径大小及级配矿物成分结构是单位上体中孔隙体枳的直接 度呈对于砂性土,常建立孔隙比.与添通系数A之间的关系.如：k = fG 上=f Iek = fY渗透系数的影响因素今土的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分-结构今水的性腰对粘性土,影响粳粒的外表力不同粘上矿物之何渗透系数相差 极大,其溥透性大小的次序为蒿 岭石A伊里石A蒙脱石：当粘土 中含有可交换的钠高于越多时, 其滓透性将越低塑性指敷Ip综合反映土的颗粒大 小和矿物成份,常是渗透系敷的 参数渗透系数的影响因素 土的性质粒徊大小及级配-孔原比矿

10、物成分结构影响孔隙系统的枸成和方向性, 对粘性上影响更大在宏观构造上,天然沉积层状 粘性土房.扁平状粘土颗粒常 呈水平排列,常使得f>k做在微观姑梅上.当孔隙比相同 时,族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粒役大小及级及孔隙比矿物成分结构%项站构分段伽I «:水的性质渗透系数的影响因素.土的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构水的动力粘滞系敷：温度T.水粘梏性L kT的和度含气量:封闭气 泡对k影响很大,可减少有效 潘透面程,还可以堵塞孔隙 的通道渗透系数的影响因素天然土层多呈层状确立各V上的kjJ L |根爵渗淀方向确定等效向流系等等效渗透系数I多个土层用

11、何钢单一 土层2S换,使得其总体的透水性不变层状地基的等效渗透系金条件：= i = § h = £h.达西定命qL.H-kJH£qh=£JWHi等效条件：q,£q.匚 等效渗透系数：条件：Vt = V心=£火h£h,达西定律：v- k, (Ah H )等效条件：9AhXH上h2k.h311111111 r t层状地基的水平等效渗透系数匚)等效渗透系数：虬=盘L*4层状地基的垂直等效渗透系数H,算例说明H =1 Om.k =OOlm /dayH、=l.0m,k Im/dav4 -H5 = 1.0m,k, = 100m/day虹

12、=*Sl = 33.6-m/chy:豆五商tf反#遍亩薮美荷函航H *Hf瓦“.03mWy温厚倒数加杈平均.由较小值限制:5.层状地基的等效渗透系数水平漆流情形垂宣渗流情形条件q 二 £qi；H 二 £% |Vt = V2 =.= v； *Ah!、十丁Ah =£h,H=£H,:, ！:q,k,iHivfg 告I公式1;虹奖中,1虹=斗i我！层状地基的等效渗透系数I一,怠水站检水头-压力水头 I一/,水头是洛游曲案动力水头与水力坡降濯透忒哈与达西 定律皤透系致的测定及影碗因素地沔定律港逸系柔、棒透速度达言定律的嗟用来件常水*或帝金水买心抽水诚做筝略香改W因

13、彖层状靴基的等效水平等效瘩渣亲藐小结作业:§ 2.32-1、2-3、2-4、2-5、2-7平面渗流与流网平面tJKi篷渡剖面和产生 渗流的条桦沿某一个方向不 探生变化.明在秉直诿方问 的各个平面内,漫渝款况充 全一致*对平面间孰常取4y lm单 位宽度的-片来进行分加总定禄fih浪场不随时间发生变化的落波hwhgM). vbv(x.2 |'")与时间无关平面稳定渗流<>单位时间流入单元的水觉:.连续性条件： 此=g匚)诚波的建埃性方程* 亲+宇二0渗流的连续性方程*诲流的连续性方程工- + -=0中达曲定律：堆、'产L竺>潘流的迅动方程】

14、虹竺+虬-h = 01 赤1 cz1#特例.各向同扯均质土体k.I_尹hLaplace方程,描涯法流炯1一内水大的分布'是平面槌定禊菰的根本方程渗流的运动方程课堂讨论：土石坝漆流问题的边界条件不透水房：,渗流的边界条件 水头边界条律 菰速边界条fl 漆出面®自血水航,在边界Q k.治定水头 在边界d上结定法向流速 在边界dHi=£, vQ 在边界?上H z, % 0渗流的边界条件送动方程*在诂界Q上恰定水叉 在边界璃E绐定凿向港速 在心邪dth z, v.>o 在讪界氏hhr=s» *=.或者在一些1水头逸界条罚边界条件：3肃速边羿条件3承出面-自南

15、水面平面稳定渗流问题描述数学解析法或近似解析法： 求取渗流运动方程在特定边界条件下的理论解,假定条件下,求其近似解数值解法：有限元、有限差分、边界元法等,近年来得到迅速地开展电比拟试验法：利用电场来模拟渗流场,简便、直观,可以用于二维问题和三维问题 流网法：简便快捷,具有足够的精度,可分析较复杂断面的渗流问题渗流分析的方法流速势或势函数：khk(Ez)那么有：wvx 一,vzvgrad,x满足达西定律的渗流问题是一个势流问题势函数的特性：？ 等势面是等水头面？ 两条等势面的势值差同其水头差成正比定义：流线是流场中的曲线,流线的方程：dz vzdx vx在这条曲线上所有各质点的流速矢量都和该曲线

16、相切VxdzVzdx 0为某一函数全微分的充要条件为vxx(vz)z连续性方程:存在函数,称为流函数,且有:vz；流函数性质一：流线互不相交,在同一条流线上, 的值为一常数vxdz vzdx dx dz d x za(x,z), b(x-dx,z+dz)性质二：两条流线流函数的差值等于其间通过的流量a和b为两流线间的过水断面,dqvx ac vz cb vx dzvz dxdz - (- )dx dx流函数的性质vz1)2)3)4)势函数和流函数均满足拉普拉斯方程势函数和流函数正交,一点两线的斜率互成负倒数势函数和流函数是互为共轴的调和函数,两者均完备当对调边界条件时,势函数和流函数两组曲线可

17、互换地描述了同一个渗流场势函数与流函数在流场中,流线和等势线(等水头线)组成的网格称为流网流线和等势线正交流网中应使相邻流线间的流函数差和相邻等势线间的势函数水头差不变流网中每一网格的边长比为常数,通常取为1dvxdx vzdz v l ldVzdx Vxdz v s s流网及其特性线和育屋铸扮携n q争兜水长的万南,皿的走向o3邦断同格的竣密大致分布4初步畦制戒帽的靖市：正斐牲、曲泊正方帝5反凝修曲租栓查不请机层霎点,边界条件-正交ft.的逸正方膨.多拣习流网的画法嶷管水头h 0水力城降i=h I瞒定就速磷定流械Aq =k =k.Abq = M,Aq = M 咔 /hI流道数流网的应用平面渗

18、流的基本方片及求解连续性方程,远动方程,边界条件求孵方法流网的堡制及应用,势函数二流两数,流网及精性,流网的面法流网的应用小结§ 2.3渗透力与渗透变形 h=0 静水中,土骨架会受到浮力作用. h>0 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.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渗透力-试验观察渗透力体积力tt It t渗流3？津透力,单位土体内土骨架 所受到的渗透水流的推.电力渗透力-试验观察 土水整体受力分析-mmuu截面根A=1Pi - kk=L广十KR p P, = W i PiR + Ywh

19、2-Lyr+yJ + y,hw渗透力-受力分析 土水整体受力分析渗流裁面积A=1R = yrL- ywAhR + Pz=W + PR + *垢=L(y'+ *) + *虬渗透力-受力分析 土水整体受力分析比照-静水中的土体R=yl-渗流中的土体R = rL-yvvAh厂 向上渗流存在时,波网支持力减少减少的局部由谁承担？总渗透力：J=ywAh女滋透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力J =八 =Wh /L = ywl渗透力-受力分析临界水力坡降向上褛流存在时,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 坡降卜,它是土体开始发生 流土破坏时的水力坡降：D R-

20、yL-ywAh=Oicr = Aii/L =y7Tw由于七气*皿渗透力-受力分析上水隔离受力分析土骨架土骨架受力分析：有效重量：W,TY总渗透力：J=Lj 逮网的反力匚R孔隙水受力分析、水压力：P=YwL总渗透力：jjj水重+浮力反力,AtrmttmR土水 玮PJRrtt孔隙水UIUJUIIPl恤血'孔隙水受力平衡O J- 丫盘Ww -Vm+Vg-L土骨架受力平衡 匚;R-v L-yuAli渗透力-受力分析物理意义：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 大小：j = wi方向：与水力坡降方向一致作用对象：土骨架 土工建筑物及地基由于潘流作用而出现的变形戒 破坏称为渗

21、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根本类型:管福流土接触流土接触冲刷口单一土层渗透变形的两种根本型式流土：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 力坡降到达一定的大小,都可发生流土破坏.原因,i = L=匕=申二1 与土的窝实度有关？«1 + e渗透变形流土在淡流作用R 一定级配的无粘性上中的细小颗粒,通 过较大颗粒所形成的孔隙发生移动,最终在土中形成与 地表贯穿的管道坝心O过程演示1. 臂透水流作用下,细颗粒在 碗粒形成的孔隙中移动流失2. 孔隙不断扩大,渗流速度不断增加,较枇簌粒也相继被水带走3.

22、形成贯穿的渗流通道,造成土体塌陷宁原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙 外因：渗透力足够大渗透变形-管涌l + T si h- 9-1 1- » ! J e4 1 -l + T 便*1- 9-1 1- » ! -14 1 +F4 -!+ -1 I- 9-1 I- - 9-1 ! - B-I 1 +FHH 'I !- + H ! !-»|ii流土iS + F- ! -Bi !9-1 卜 l-B-l 4 I F -*H- 4tha B + h l-B-l - I f- 4 + B- 4 + F -3 + !- 8 S+!>管沛ji现象 土体局部范幽的颗粒同时:土体内Wfe通过粗粒形成:!:发生移动：的孔隙诵道移动=:位置只发生在水流潦出的表层可：s生于土体内部和漆流i1盗出姓:土类：只甥渗透力足弟大,:一般发生在