土力学完整课件---2 第2章 土的渗透性

1、第二章第二章 土的渗透性土的渗透性2-1 2-1 概述概述2-2 2-2 达西定律达西定律2-3 2-3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形2-4 2-4 渗流工程问题与处理措施渗流工程问题与处理措施 2-5 2-5 流网及其应用流网及其应用水在水头差作用下渗透：水透过土体孔隙的现象 渗透性：土允许水透过的性能称为土的渗透性 造成水量损失，影响工程效益 引起渗透破坏，危及堤坝、建筑物安全 本章将主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，以及渗透力、渗透变形等问题。 渗流量渗透变形土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流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

2、板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流第6次课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渗流量渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流Teton坝坝损失：损失：直接直接80008000万美元，起万美元，起诉诉55005500起，起，2.52.5亿美元，亿美元，死死1414人，受灾人，受灾2.52.5万人，万人，6060万亩土地，万亩土地，3232公里公里铁路铁路原因：管涌原因：管涌土坝位于美国土坝位于美国Idaho州州Teton河上，防洪、灌溉、发电、河上，防洪、灌溉、发电、旅游综合利用，装机旅游综合利用，装机16MW，最大坝高，最大坝高126.5m，坝顶，坝顶长长945

3、m。建于建于1972-751972-75年年,75,75年年1111月开始蓄水，月开始蓄水，7676年春年春洪水期间水位迅速上升，达洪水期间水位迅速上升，达1.2m/d1.2m/d。6 6月月5 5日上午日上午11:5511:55发生溃坝。下图是现在的景象发生溃坝。下图是现在的景象Teton坝坝1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。Teton坝坝1111：0000左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加TetonTeton坝坝11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。11：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基

4、的冲蚀更加剧烈。TetonTeton坝坝11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下TetonTeton坝坝12：00过后坍塌口加宽TetonTeton坝坝洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁TetonTeton坝坝失事现场目前的状况TetonTeton坝坝2-2 达西定律1856年法国学者达西对年法国学者达西对砂土的渗透性进行研究砂土的渗透性进行研究结论：结论：（水在土中的）渗透速度（水在土中的）渗透速度与水力梯度成正比。与水力梯度成正比。v=ki达西定律达西定律水头梯度，即沿渗流方向单水头梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失位距离的水头损失 一、达西定律的内容一、达西定律的内容水头梯度又称水力梯

5、度水力梯度、水水力坡降力坡降。n二、达西定律适用范围二、达西定律适用范围kiv 达西定律达西定律讨论：讨论：砂土中的渗透速度与砂土中的渗透速度与水头梯度呈线性关系水头梯度呈线性关系 密实的黏土，需要克密实的黏土，需要克服结合水膜的黏滞阻服结合水膜的黏滞阻力后才能发生渗透力后才能发生渗透; ;同时渗透系数与水头同时渗透系数与水头梯度呈非线性关系。梯度呈非线性关系。 ib起始水起始水力坡降力坡降虚直线简化虚直线简化达西定律适用于层达西定律适用于层流，不适用于紊流流，不适用于紊流v=kiivO O砂土砂土0iv密实黏土密实黏土biikvAhAzwAuLBhhBwuBz水头：单位重量的水所具有的能量。

6、22wuvhzgwuhz水力梯度（坡降）ABhhLhiL总水头线总水头势水头压力水头动水头三、渗透系数及其确定方法渗透试验（室内）渗透试验（室内）AtLhkkiAtqtV时间时间 t 内流出的水量内流出的水量hAtVLk1.1.常水头试验常水头试验整个试验过程中整个试验过程中水头保持不变水头保持不变 适用于透水性大适用于透水性大（k10-3cm/s）的土，的土，例如砂土。例如砂土。 h 2.变水头试验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 t的水头差为的水头差为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，在在时段时段dt内管内减少的水量内管内

7、减少的水量 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 adh= =kAh/Ldt 分离变量 积分 2112lnhhttAaLk适用于透水性差，渗透系数小的黏性土 n四、影响渗透系数的因数四、影响渗透系数的因数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，例如砂土中粉粒及黏粒含量细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及黏粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。 2.土的密实度土的密实度 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，

8、土的密实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，孔隙比降低，土的渗透性也减小。增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。水温愈高，水的动力黏滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。常以水温愈高，水的动力黏滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。常以水温为水温为1010C C时时k k1010作为标准值。作为标准值。4.土中封闭气体含量土中封闭气体含量 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，土的渗透性愈小。含量愈多，土的渗透性愈小。T、10分别为分别为T和和10时水时水的动力黏滞系数，可查表的动力黏滞系数，可查表 1

9、010TTkkn五、成层土的渗透系数五、成层土的渗透系数1.水平渗透系数水平渗透系数 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和应为各土层渗流量之总和 njjxxqq1iDkqxx达西定律达西定律njjjnjjxiDkq11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njjjxDkDk11即为厚度加权平均值LHDD1D2DjDnk 2k nk jk 1XYkxky在在z轴方向取轴方向取1延米土体来分析延米土体来分析2. 竖直渗透系数竖直渗透系数 根据渗透水流连续条件，通过根据渗透水流连续条件，通过整个整个土层土层的渗流量

10、等于通过的渗流量等于通过各土层各土层的渗的渗流量流量 jyqq 竖直渗透系数竖直渗透系数第第j j层土的水力坡降为层土的水力坡降为ij, ,总的水总的水力坡降为力坡降为i AikiAkjjy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 jnjjiDDi1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 njjjykDDk1Dk 1k jk nk 2DnDjD2D1Hkyjyjkiki/(2)(3)（2）式代入（式代入（3）式整理后，得式整理后，得(1)例题分析例题分析n【例】 设做变水头渗透试验的黏土试样的截面积设做变水头渗透试验的黏土试样的截面积为为30cm2

11、，厚度为，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm，试验开始时的水位差为，试验开始时的水位差为160cm，经时段，经时段15分分钟后，观察得水位差为钟后，观察得水位差为52cm，试验时的水温为，试验时的水温为30，试求试样的渗透系数试求试样的渗透系数 【解解】已知试样截面积已知试样截面积A= =30cm2，渗径长度，渗径长度L= =4cm，细玻璃管的内截，细玻璃管的内截面积面积 222cm1256. 044 . 014. 34dah1= =160cm，h2= =52cm，t= =900s 试样在试样在30时的渗透系数时的渗透系数 cm/s1009. 252160l

12、n9003041256. 0lg5211230hhttAaLk2-3 渗透力与渗透变形n一、渗透力和临界水力坡降一、渗透力和临界水力坡降1.渗透力渗透力GD D渗透水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力。渗透水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力。其方向与渗流方向一致，单位：其方向与渗流方向一致，单位：kN/m3。又称动水力或渗流力。又称动水力或渗流力h2h1h21L水流流经这段土体，受到土颗水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力粒的阻力T，T为渗透力为渗透力GD的的反作用力反作用力. .水在土体中流动时要受到土粒的阻力作用，反过来土粒也必然作用着一个反作用力，这就是渗透力。以长度L范围内的水体作为脱

13、离体P1P2TAL由脱离体静力平衡条件有21PTALPAhTALAhww21iLhhTww21iGwD特别注意：特别注意：GD是体积力，作用在土是体积力，作用在土粒骨架上，方向与渗流方向一致。粒骨架上，方向与渗流方向一致。渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对渗透力的存在，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土体稳定性有显著的影响abc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

14、不利渗流力与重力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2.临界水力坡降临界水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降 当渗透水流自下而上时，如渗透力与土颗粒的重力当渗透水流自下而上时，如渗透力与土颗粒的重力相等，则土颗粒处于悬浮状态，这时的水力坡降即相等，则土颗粒处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降。为临界水力坡降。 在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(23)，作为允许水力坡降，作为允许水力坡降i。设计时，为保

15、证建筑物的安。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降i内内scrFiiiDGcrwiGDwcriwwsatscreGi11或n二、渗透变形二、渗透变形 渗透水流将土体中的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移渗透水流将土体中的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形动，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.流土流土在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土 粒群同时发生移动的现象粒群同时发生移动的现象 流土发生于地基或土坝下游渗流逸出口，不发生于

16、土体内部。流土发生于地基或土坝下游渗流逸出口，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、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、淤泥等较易发生流土破坏粉砂、淤泥等较易发生流土破坏 2.管涌管涌在渗流作用下，土中的细小颗粒穿过较大颗粒间的在渗流作用下，土中的细小颗粒穿过较大颗粒间的孔隙发生移动并被带出的现象。孔隙发生移动并被带出的现象。 土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越土体的细管状渗流通道，掏空地基或堤坝，使其变形成能穿越土体的细管状渗流通道，掏空地基或堤坝，使其

17、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。它的发生一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏处。它的发生一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏 。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、颗粒级配渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关。以及水力条件等因素有关。 黏性土由于粒间具有黏聚力，黏结较紧，一般不出现管涌而黏性土由于粒间具有黏聚力，黏结较紧，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的砂和砾石、卵石，分两种情况的砂和砾石、卵石，分两种情

18、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，只）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌；要较小的水力坡降，就易发生管涌；2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量约为量约为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象。会发生流土现象。三、例题分析三、例题分析n【例】某土坝地基土的土粒相对密度某土坝地基土的土粒相对密度Gs= =2.68，孔隙比，孔隙比e= =0.82，下游渗流出口处经计算得水力坡降，下游渗流出口处经计算得

19、水力坡降i为为0.2，若取，若取安全系数安全系数Fs为为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏流土破坏 。【解解】临界水力坡降临界水力坡降 由于实际水力坡降由于实际水力坡降i =0.2 i，故土坝地基出口处土体不会，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏。发生流土破坏。 92.082.01168.211eGiscr允许水力坡降允许水力坡降 37.05.292.0scrFii2-4 渗流工程问题与处理措施 n一、渗流工程问题一、渗流工程问题1.地下水的浮托作用地下水的浮托作用 地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对地下水不仅对水位以下的

20、土体产生静水压力和浮托力，并对建筑物基础产生浮托力建筑物基础产生浮托力 2.地下水的潜蚀作用地下水的潜蚀作用 在施工降水等过程中产生水头差，在渗流作用下发生管涌，在施工降水等过程中产生水头差，在渗流作用下发生管涌，将细颗粒冲走，破坏土的结构。将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层通常产生于粉细砂、粉土地层中。中。 3.流砂流砂 流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。通常易在粉细砂地层中产生，在地下水位以下

21、的基坑开稳定。通常易在粉细砂地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现 。 4.基坑突涌基坑突涌 当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁基坑底板，这种现象称为毁基坑底板，这种现象称为基坑突涌。基坑突涌。hHwn二、防渗处理措施二、防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施水工建筑物渗流处理措施 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

22、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，下游则保证渗流通畅，减小渗透压力，防游截渗、延长渗径，下游则保证渗流通畅，减小渗透压力，防止渗透变形止渗透变形 。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。 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。 黏

23、土铺盖黏土铺盖设置反滤层设置反滤层 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。反滤层可由粒径不等的无黏性土组成，也产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无黏性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层。可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层。 排水减压排水减压 黏性土黏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，设置为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置

24、减压井或深挖排水槽减压井或深挖排水槽 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 。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