第2章渗流与渗透性

1、土力学地基基础姚天举CONTENT第2章 土的渗透性与渗流概述概述01土的渗透性土的渗透性02二维渗流与流网二维渗流与流网03渗流力与渗流破坏渗流力与渗流破坏04概述PARTONE 总体概括 一定要记住土是三相体，散粒体。 主要性能靠起骨架作用的土粒来支撑 骨架之间的空隙具有水、气体 水对土的性能也有很大的影响 如果水流动起来，影响更大。（今天讲解）4详说 1.土中三相间相互作用 土是由固、液和气三相构成的。 首先是固体颗粒间的相互作用。在土体受力时有效应力通过颗粒的接触点传递应力，颗粒矿物本身的弹性变形是极微小的，颗粒的位移、转动、重排列是土体变形的主体，而颗粒的破碎、接触点的破损促进了变形

2、的发展，也就在宏观上表现为塑性应变。这就形成了土体变形的弹塑性、压密性、剪胀性、应变软化、流变性和循环加载时的回滞圈和l减载体缩等一系列独特的变形特性 也表现为变形受应力状态、应力历史和应力路径的影响等复杂的性状，目前还没有一种本构模型能够准确地描述所有这些变形特性。 第二： 饱和土体的性状表现在土骨架与孔隙水间的相互作用。最突出的是所加的总应力为土骨架和孔隙水共同承担，亦即有效应力原理，这是土力学的标志性的原理，超静孔隙水压力在固结过程中不断消散，总应力不断转化为有效应力成为渗流固结理论的基础。 = 1 十u 士中水在水头差作用下发生流动，其规律服从达西定律。渗透水流对于土骨架产生推动和拖曳

3、作用，这就是渗透力，其大小表示为j = iYw 它是土体产生流土、管涌等渗透变形的动因，造成了形形色色的工程问题与工程事故。 土中水对于土的作用还表现为破坏土的结构，造成矿物软化与风化、颗粒间的润滑作用等，这些作用造成士的湿陷性、膨胀土的胀缩、冻土的冻胀和融陷、水力劈裂;土中水及其渗流还会改变土的自重、强度和荷载，引发与抗滑稳定有关的问题。渗流渗流渗透性渗透性土具有被水、液体等透过的性质土具有被水、液体等透过的性质水、液体等在土体孔隙中流动的现象水、液体等在土体孔隙中流动的现象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能量差能量差土土土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流互

4、相关互相关联联互相影互相影响响土力学重要土力学重要课题课题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防渗体防渗体坝体坝体浸润线浸润线渗流问题：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？透水层透水层基坑基坑板桩墙板桩墙渗流问题：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？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？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降雨入渗引起的滑坡降雨入渗引起的滑坡渗流问题：渗流问题：1. 渗透力？渗

5、透力？2. 入渗过程？入渗过程？2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与水力坡降二渗透试验与达西定律二渗透试验与达西定律三渗透系数的测定及影响因素三渗透系数的测定及影响因素能量方程能量方程渗流速度的规律渗流速度的规律渗透特性渗透特性四层状地基的等效渗透系数四层状地基的等效渗透系数地基的渗透系数地基的渗透系数ABL透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙渗流为水体的流动，应满足液体流渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方程：连续性方程、动的三大基本方程：连续性方程、能量方程、动量方程能量方程、动量方程一、渗流中的水头与水力坡降一、渗流中的水头与水

6、力坡降2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性zpgvhw 22wpzh n 总水头总水头（伯努利定理）（伯努利定理）： 单位重量水体所具有的能量单位重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p/ w：水体的压力势能（：水体的压力势能（p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（对渗流多处于层流：水体的动能（对渗流多处于层流0）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，是渗流的总驱动能，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处渗流总是从水头

7、高处流向水头低处2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性ABLhAhBzAwAp wBp zBh h基准面基准面水力坡降线水力坡降线wpzh BBB A A点总水头：点总水头：水力梯度水力梯度ABLhAhBzAwAp wBp zBh h基准面基准面水力坡降线水力坡降线wAApzh A B B点总水头：点总水头： 二点总水头差：反映了两点间水二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失流由于摩阻力造成的能量损失BWBAWAzpzph BAhh 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 2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性渗流速度随水力梯度变化渗流速度随

8、水力梯度变化土中的渗流基本处于层流土中的渗流基本处于层流状态，即：状态，即：2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性iv 2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性LAh1h2QQ透水石h二、渗透试验与达西定律二、渗透试验与达西定律试验前提：试验前提：层流层流LhAq 或或kiAqv1.1.渗透试验渗透试验试验结果试验结果:试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h1，A，L=const量测变量量测变量: : h2，V，tkAiLhkAq 达西定律达西定律2. 2. 达西定律达西定律ikAqvnvvvr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 v与水力坡降与水力坡降i i的

9、一次方成正比，的一次方成正比，并与土的性质有关。并与土的性质有关。iv AAnrV V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度V Vr r：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A ArqVA VrArk: k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力坡降物理意义：水力坡降i i1 1时的渗流速度时的渗流速度单位：单位：mm/s, cm/s, m/s, m/daymm/s, cm/s, m/s, m/day2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性2.2

10、 2.2 土的渗透性土的渗透性粗粒土：粗粒土：在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用水力坡降较大时，达西定律不再适用ivovcrivib层流（线性流层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土粘性土粘性土：粘性土：致密的粘土存在起始水力坡降致密的粘土存在起始水力坡降 iib, v=k(i - ib )ikv biikvikv 三、渗透系数的测定及影响因素三、渗透系数的测定及影响因素 室内试验测定方法室内试验测定方法常水头试验法常水头试验法变水头试验法变水头试验法井孔抽水

11、试验井孔抽水试验井孔注水试验井孔注水试验1. 1. 测定方法测定方法野外试验测定方法野外试验测定方法2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性室内试验方法室内试验方法1 1常水头试验法常水头试验法结果整理：结果整理：试验装置：如图试验装置：如图试验条件试验条件: : h，A，L=const量测变量量测变量: :渗水量渗水量Q，ti=h/Lq=Q/t=Avv=kihtAQLk 适用土类：适用土类：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性hL土样土样AQn 试验条件试验条件: :h变化变化 A，a，L=constn 量测变量量测变量: h，tn 适用土类：透水性较小适用土

12、类：透水性较小 的粘性土的粘性土土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开关a2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法土样土样At=t1t=t2 h1h2LQ水头水头测管测管开关开关在在tt+dt时段内：时段内： 入流量入流量： dVe= - adh 出流量：出流量： dVo=kiAdt=k (h/L)Adt 连续性条件：连续性条件：dVe=dVo -adh =k (h/L)AdthdhkAaLdt2121hhtthdhkAaLdt hdhtt+dt室内试验方法室内试验方法- -变水头试验法变水头试验法2112lnhhttAa

13、Lk选择几组量测结果选择几组量测结果 ，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验条件条件已知已知测定测定算定算定取值取值h=consth变化变化h，A，LQ，t重复试验后，取均值重复试验后，取均值a，A，Lh，t 2112lnhhttAaLk Q Lk=A ht不同时段试验，取均值不同时段试验，取均值适用适用粗粒土粗粒土粘性土粘性土2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性现场测定法现场测定法3 3抽水试验抽水试验抽水量抽水量Q Qr1r2h1h2井井不透水层不透水层n 试验条件试验条件: : Q=constn 量测变量

14、量测变量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？ 优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长观察井观察井2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性地下水位地下水位测压管水面测压管水面2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性r抽水量抽水量Q=qtQ=qtr1r2h1h2井井不透水层不透水层dhdrh地下水位地下水位测压管水面测压管水面n 计算公式：计算公式：取过水断面取过水断面A=2 rhi=dh/drdrdhkrhAkiq 2khdhrdrq 221212hhrrhdhkrdrq )(ln212212hhkrrq )(

15、)/ln(212212hhrrqkn 土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，K值愈大。值愈大。n 因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，随细粒含量增加，随细粒含量增加，K值急剧下降。值急剧下降。 土的性质土的性质 水的性质水的性质 土的粒度成分土的粒度成分 孔隙比孔隙比 土的饱和度土的饱和度 结构和构造结构和构造2.2.影响因素影响因素 2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性n 是单位土体中孔隙体积的直接度量是单位土体中孔隙体积的直接度量n 土愈密实，孔隙比愈小，土愈密实，孔隙比愈小，K值愈小。值愈小。 土的性质土的性质 水的性

16、质水的性质 土的粒度成分土的粒度成分 孔隙比（密实度）孔隙比（密实度） 土的饱和度土的饱和度 结构和构造结构和构造2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性n 一般情况下饱和度愈低，一般情况下饱和度愈低，K值愈小。值愈小。n 因为低饱和土的孔隙中存在较多气泡会减小因为低饱和土的孔隙中存在较多气泡会减小过水面积，甚至堵塞细小孔道。过水面积，甚至堵塞细小孔道。 土的性质土的性质 水的性质水的性质 土的粒度成分土的粒度成分 孔隙比孔隙比 土的饱和度土的饱和度 结构和构造结构和构造2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性n 扰动土样比原状土样扰动土样比原状土样K值小值小n 粘性土层中有很薄的砂土夹层，常使得粘性

17、土层中有很薄的砂土夹层，常使得k水平水平kk垂直垂直 土的性质土的性质 水的性质水的性质 土的粒度成分土的粒度成分 孔隙比孔隙比 土的饱和度土的饱和度 结构和构造结构和构造2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性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 土的性质土的性质 水的温度水的温度 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 土的饱和度土的饱和度 结构和构造结构和构造2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性（JTJ051-93）采用标准温度）采用标准温度200下的渗透系数：下的渗透系数：TTkk2020 1.土粒大小与级配土粒大小与级配 细粒含量愈多，土的渗

18、透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。渗透系数就会大大减小。 2.土的密实度土的密实度 3.水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数 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。降低，土的渗透性也减小。 动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。的渗透系数则愈大。4.土中封闭气体含量

19、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。封闭气体含量愈多，土的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。渗透性愈小。影响渗透系数的因数影响渗透系数的因数四、层状地基的等效渗透系数四、层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的确立各层的k ki i根据渗流方向确定等效渗透系数根据渗流方向确定等效渗透系数2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性多个土层用假想单一土层置换，使得其总多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变体的透水性不变hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层不透水层等效渗透系数等效渗透系数

20、: : iixHkH1kn 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: :2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性kxL iizkHHkH1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水承压水kzvviihhiHHvi = ki (hi / Hi )iiiikHvhzkvHh iihhiziv HvHkk n 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: :2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性2.2 2.2 土的渗透性土

21、的渗透性H1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水承压水n 已知条件已知条件: :nzzzzqqqq 21AHhkqzz AikAHhkqiiziiiziz iizzikHhk iiiHihh iziiizzkHHikhHkn 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，由较大值控制按层厚倒数加权平均，由较小值控制按层厚倒数加权平均，由较小值控制daym6733HHkkiix/.daym030kHHkiiz/.H1H2H3Hk1k2k3xz2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性水平

22、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推定推定Lhii;HH;qqiii .k.;H,H121iHkqx iixHkH1k ii2121HH;hh;v.vv;q.qq.k,k.;H,H2121Hhkikvzz iizkHHk2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数小小 结结n 水头与水力坡降水头与水力坡降n 渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律n 渗透系数的测定及影响渗透系数的测定及影响因素因素n 层状地基的等效渗透系层状地基的等效渗透系数数 总水头总水头=位置水头位置水头+压力水头压力水头 水头是渗流的驱动力水头是渗流的驱

23、动力 达西定律达西定律 渗透系数、渗透速度渗透系数、渗透速度 达西定律的适用条件达西定律的适用条件 常水头试验常水头试验 变水头试验变水头试验 抽水试验抽水试验 渗透系数影响因素渗透系数影响因素 水平等效渗透系数水平等效渗透系数 垂直等效渗透系数垂直等效渗透系数2.2 2.2 土的渗透性土的渗透性n平面问题：平面问题：渗流剖面和产生渗流的条件渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方向不发生变化，则在垂直该沿某一个方向不发生变化，则在垂直该方向的各个平面内，渗流状况完全一致。方向的各个平面内，渗流状况完全一致。对平面问题，常取对平面问题，常取dy=1m单位宽度的一单位宽度的一片来进行分析片来进行分析h

24、=h(x,z), v=v(x,z)与时间无关与时间无关n 稳定渗流：稳定渗流：渗流场中水头及流速不随时间发生变化的渗流渗流场中水头及流速不随时间发生变化的渗流h2.3 2.3 二维渗流及流网二维渗流及流网 一、二维渗流的基本方程及求解一、二维渗流的基本方程及求解 二维渗流的连续性方程二维渗流的连续性方程 单位时间流入微单元的水量单位时间流入微单元的水量: :二维渗流的连续性方程：二维渗流的连续性方程：0zvxvzx11dxvdzvdqzxe1)(1)(dxdzzvvdzdxxvvdqzzxxo 单位时间内流出微单元的水量单位时间内流出微单元的水量: :oedqdq 连续性条件连续性条件: :d

25、xdzvxdxxvvxxvzdzzvvzzxz2.3 2.3 二维渗流及流网二维渗流及流网 二维渗流的运动方程二维渗流的运动方程zhkikvxhkikvzzzzxxxx; 达西定律：达西定律：02222zhkxhkzx 渗流的连续性方程：渗流的连续性方程：0zvxvzx渗流的运动方程：渗流的运动方程：F特例：各向同性均质土体特例：各向同性均质土体 k kx x=k=kz z02222zhxhLaplaceLaplace方程，描述渗流场内水头的方程，描述渗流场内水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程分布，是平面稳定渗流的基本方程2.3 2.3 二维渗流及流网二维渗流及流网 与与kx, kz无关无关

26、满足它的是两个共轭调合函数满足它的是两个共轭调合函数 势函数和势函数和流函数流函数 描述渗流场内部的测管水头的分布，是平面稳定渗流的描述渗流场内部的测管水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程式基本方程式2.3 2.3 二维渗流及流网二维渗流及流网 02222zhxh-Laplace-Laplace方程方程F数学解析法或近似解析法：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求取渗流运动方程在特定边界条件下的理论解，或者在一些假定条件下，求其近似解的理论解，或者在一些假定条件下，求其近似解F数值解法：数值解法：有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到迅速地有限元、有限差分、边界元法等，

27、近年来得到迅速地发展发展F电比拟试验法：电比拟试验法：利用电场来模拟渗流场，简便、直观，可以用于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二维问题和三维问题F流网法：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简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题问题渗流分析的方法渗流分析的方法2.3 2.3 二维渗流及流网二维渗流及流网 2.3 2.3 二维渗流及流网二维渗流及流网 二、流网的特征及绘制二、流网的特征及绘制 流网流网渗流场中的两族相互正交曲线渗流场中的两族相互正交曲线流线和等势流线和等势线所形成的网络状曲线簇。线所形成的网络状曲线簇。流线流线水质点

28、运动的轨迹线水质点运动的轨迹线。等势线等势线测管水头相同的点之连线测管水头相同的点之连线 。流网法流网法通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。渗流问题。1.1.流网特征流网特征（1） 正交性：流线与等势线互相正交正交性：流线与等势线互相正交Hh0lblb（2） 各个网格的长宽比各个网格的长宽比c应为常数。取应为常数。取c=1c=1，即为曲边正方形，即为曲边正方形（3） 相邻等势线之间的水头损失相等相邻等势线之间的水头损失相等2.3 2.3 二维渗流及流网二维渗流及流网 （4） 各个流槽的渗流量相等各个流槽的渗流量相等1 1）确定边界条件：边界流线

29、和首尾）确定边界条件：边界流线和首尾等势线等势线2 2）研究水流的方向：流线的走向）研究水流的方向：流线的走向3 3）判断网格的疏密大致分布）判断网格的疏密大致分布4 4）初步绘制流网的雏形：正交性、）初步绘制流网的雏形：正交性、曲边正方形曲边正方形5 5）反复修改和检查）反复修改和检查 H=H1-H20H1H2不透水层不透水层要点：边界条件、正交性、曲边正方形、多练习要点：边界条件、正交性、曲边正方形、多练习lbabcdefgh2.3 2.3 二维渗流及流网二维渗流及流网 2.2.绘制方法绘制方法 相邻等势线之间的水头损失为：相邻等势线之间的水头损失为： 总水头差：总水头差： HH3.3.渗

30、流量计算渗流量计算dNHh/ lbNHklhkbAkiqd )1( 每个流槽的渗流量：每个流槽的渗流量：2.3 2.3 二维渗流及流网二维渗流及流网 ABCDlbHH H00lb 若若b/l=1,则总渗流量（则总渗流量（m3/天）为：天）为：dfNiidNNHkNHkqf 1 Nd-等势线条数减等势线条数减1Nf-流线条数减流线条数减1小小 结结n 平面渗流的基本方平面渗流的基本方程及求解程及求解n 流网的绘制及应用流网的绘制及应用 连续性方程连续性方程 运动方程运动方程 边界条件边界条件 求解方法求解方法 势函数势函数 流函数流函数 流网及特性流网及特性 流网的画法流网的画法 流网的应用流网

31、的应用2.3 2.3 二维渗流及流网二维渗流及流网 n h=0 h=0 静水中，土骨架会受到静水中，土骨架会受到浮力作用。浮力作用。n h0 h0 水在流动时，水流受到水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。拖曳力。h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器ab渗透力渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方：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向与渗流方向一致2.4 2.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 一、渗透力一、渗透力（动水力）（动水力）渗透力渗透力- -试

32、验观察试验观察h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器ab土粒土粒渗渗 流流渗透力渗透力 j j：体积力：体积力渗透力渗透力j j：单位土体内土骨架所受到的渗：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力透水流的拖曳力2.4 2.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 Gw = vv w + vs w V w= LA w wP1 = whwAwP2 = wh1AwP1 + Gw + T = P2 J=T = w h/L= win 水柱整体受力分析水柱整体受力分析- -渗流渗流h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器ab2.4 2.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 GwT whwAw+ L

33、A w w + TLAw = wh1Aw T = TLAw渗透力的大小和水力梯度成正比，方向与渗透方向一致。渗透力的大小和水力梯度成正比，方向与渗透方向一致。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。当滤网支持力为零时的水力坡降称为当滤网支持力为零时的水力坡降称为临界水力坡降临界水力坡降icr，它是土体开始发生，它是土体开始发生流土流土破坏时的水力坡降：破坏时的水力坡降：渗透力渗透力- -受力分析受力分析渗透力渗透力- -受力分析受力分析 wi n 临界水力坡降临界水力坡降icr = h/L = / wedws1)1( ndedisscr1111由于由于icr取决于土的物

34、取决于土的物理性质理性质2.4 2.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器ab渗透力的性质渗透力的性质F物理意义：物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力曳力，它是一种体积力F大小：大小： J = J = w wi iF方向：方向：与水力坡降方向一致与水力坡降方向一致F作用对象：作用对象：土骨架土骨架2.4 2.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 n土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工建

35、筑物发生破坏的常见类型或渗透破坏。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： 管涌管涌 流土流土 接触流土接触流土 接触冲刷接触冲刷渗透变形渗透变形单一土层渗透变形的两种单一土层渗透变形的两种基本型式基本型式2.4 2.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 渗透变形渗透变形 - 流土流土n 流土：流土：在在向上向上的渗透力作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、的渗透力作用下，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，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏坏粘性土粘性土k

36、1k2砂性土砂性土k2坝体坝体渗流渗流crii ediscr11 F 原因：原因：与土的密实度有关与土的密实度有关2.4 2.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 坝体坝体渗透变形渗透变形 管涌管涌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粒，通过较大颗粒所形成的在渗流作用下，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通的管道孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道渗流渗流1. 在渗透水流作用下，细

37、颗粒在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动在粗颗粒形成的孔隙中移动流失流失2. 孔隙不断扩大，渗流速度不孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被断增加，较粗颗粒也相继被水带走水带走3. 形成贯穿的渗流通道，造成形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷土体塌陷2.4 2.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 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发生移动土体局部范围的颗粒同时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，可发生在只要渗透力足够大，可发生在任何土中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

38、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的孔隙通土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动道移动可发生于土体内部和渗流溢出处可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘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2.4 2.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 scrFiiiFs: 安全系数安全系数1.52.0 i : 允许坡降允许坡降F i icr :土体发生流土破坏土体发生流土破坏n 工程设计：工程设计：流土可能性的判别流土可能性的判别n 在自下而上的渗流逸出处，任何土，

39、包括粘性土和无粘性土，只要满在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：2.4 2.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 n 问题：你们知道如何求水力坡度吗？关键是求损失长度，就是问题：你们知道如何求水力坡度吗？关键是求损失长度，就是渗流走过的所有的有能量损失的路径长度。渗流走过的所有的有能量损失的路径长度。n 土是否会发生管涌，取决于土的性质：土是否会发生管涌，取决于土的性质： 粘性土（分散性土例外）属于非管涌土粘性土（分散性土例外）属于非管涌土 无粘性土中发生管涌必须具备

40、相应的无粘性土中发生管涌必须具备相应的几何条件几何条件和和水力条件水力条件管涌可能性的判别管涌可能性的判别2.4 2.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 较均匀土较均匀土（CuCu 1010） 几何条件几何条件 水力条件水力条件n 无粘性土管涌的无粘性土管涌的判别判别级配级配孔隙及细粒孔隙及细粒判定判定非管涌土非管涌土粗颗粒形成的粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒孔隙小于细颗粒不均不均匀土匀土（Cu10Cu10）不连续不连续连续连续d d0 0=0.25d=0.25d2020细粒含量细粒含量35%35%细粒含量细粒含量25%25%细粒含量细粒含量=25-35%=25-35%d d0 0 d d5 5d

41、d0 0 = d = d3 3-d-d5 5管涌土管涌土过渡型土过渡型土非管涌土非管涌土非管涌土非管涌土管涌土管涌土过渡型土过渡型土P(%)lgd骨架骨架充填料充填料F发生管涌的发生管涌的必要条必要条件件：粗颗粒所构成的：粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒孔隙直径大于细颗粒直径直径2.4 2.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 几何条件几何条件 水力条件水力条件n 无粘性土管涌的无粘性土管涌的判别判别F 渗透力能够带动细渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或颗粒在孔隙间滚动或移动。可用管涌临界移动。可用管涌临界水力坡降表示水力坡降表示0 5 10 15 20 25 30 35 1.51.00.50ic

42、rCu流土流土过渡过渡管涌管涌水力坡降水力坡降级配连续土级配连续土级配不连续土级配不连续土破坏坡降破坏坡降 icr0.20-0.400.1-0.3允许坡降允许坡降 i0.15-0.250.1-0.2伊斯托敏娜（苏）伊斯托敏娜（苏）中国学者中国学者 Cu 20时时, icr =0.25-0.30， 考虑安全系数后：考虑安全系数后： i=0.10-0.152.4 2.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 透水层透水层不透水层不透水层防渗体防渗体坝体坝体浸润线浸润线渗透变形的防治措施渗透变形的防治措施 scrFiiiF减小减小i i：上游延长渗径：上游延长渗径 减小水压差减小水压差F增大增大i： 下游增

43、加透水下游增加透水 盖重盖重 改善几何条件：渗流溢出部位设反滤层等改善几何条件：渗流溢出部位设反滤层等 改善水力条件：减小水力梯度改善水力条件：减小水力梯度n 防治流土防治流土n 防治管涌防治管涌2.4 2.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 小小 结结工程实例工程实例渗流问题渗流问题土的渗透性及渗土的渗透性及渗透规律透规律二维渗流及流二维渗流及流网网渗透力与渗透渗透力与渗透变形变形渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数平面渗流的基本方平面渗流的基本方程及求解程及

44、求解流网的绘制流网的绘制及应用及应用 渗透力：概念与计算渗透力：概念与计算渗透变形：类型、条件、防治渗透变形：类型、条件、防治2.4 2.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 例题例题1如土所示，在长为如土所示，在长为10cm10cm、面积、面积8cm8cm2的圆筒内装的圆筒内装满砂土。经测定粉砂的满砂土。经测定粉砂的d ds=2.65=2.65，e=0.90, e=0.90, 筒下筒下端与管相连，管内水位高出筒端与管相连，管内水位高出筒5cm5cm（固定不变），（固定不变），水流自下而下通过试样后溢流出去。试求水流自下而下通过试样后溢流出去。试求（1 1）渗流力的大小，判别是否会产生流砂现象；（

45、渗流力的大小，判别是否会产生流砂现象；（2 2）临界水力梯度值。临界水力梯度值。土样土样10cm5cm解解（1 1）3/7.8109.01165.211mkNedws3/510510mkNLhiJww因为因为JJ，所以不会发生流砂。，所以不会发生流砂。(2)(2)87.0107.8wcri例题例题2某土石坝坝基表层土的平均渗透系数为某土石坝坝基表层土的平均渗透系数为K1=10-5cm/s，其下的土层渗透系数为，其下的土层渗透系数为K2=10-3cm/s ，坝下游各段的孔隙率如表所列，设计抗渗透变形的安全系数采用坝下游各段的孔隙率如表所列，设计抗渗透变形的安全系数采用1.751.75，请指出下列

46、（），请指出下列（）选项项段为实测水力坡降（水力梯度）大于容许渗透比降的土层分段。选项项段为实测水力坡降（水力梯度）大于容许渗透比降的土层分段。地基土层地基土层 分段分段表层土相对密表层土相对密度度dsds表层土的表层土的 孔隙率孔隙率n n实测水力实测水力 坡降坡降i i容许渗透容许渗透 比降比降2.72.70.5240.5240.420.422.72.70.5350.5350.430.432.722.720.5240.5240.410.412.72.70.5450.5450.480.48(2005年岩土工程师专业考试试题) (A) (A) 段；段； （B B）； （C C）； （D D）

47、解：计算解：计算段的临界水力坡降：段的临界水力坡降：8092.0524.0117.211ndiscr容许水力坡降：容许水力坡降：42.046.075.1/8092.0/Kiicr容容许许计算计算段的临界水力坡降：段的临界水力坡降：7335.0545.0117.211ndiscr容许水力坡降：容许水力坡降：48.044.075.1/7335.0/Kiicr容容许许答案：答案：（D D）正确）正确、段计算同上。段计算同上。渗流的边界条件1）地下水下的不透水边界为流线；2）水下的透水边界上总水头相等，所以为一条等势线；3）水平的地下水位为一等势线；4）浸润线及下游出流线上压力水头为0，只有位置水头，

48、它们也是流线。69 流网必须满足的基本条件：流网必须满足的基本条件： 流线和等势线必须正交；流线和等势线必须正交； 每个网格的长宽比为定值。每个网格的长宽比为定值。 流网具有的性质：流网具有的性质： 任意两相邻等势线间的水头损失相等；任意两相邻等势线间的水头损失相等； 任意两相邻流线间的渗流量相等。任意两相邻流线间的渗流量相等。 早期解决渗流问题的手段：早期解决渗流问题的手段：解析解、流网、电模拟解析解、流网、电模拟2.3 二维渗流与流网二维渗流与流网2.3.2 2.3.2 流网的绘制和应用流网的绘制和应用70均质土坝流网等势线等势线 等压线等压线 h=z+p/浸润线浸润线 流线流线+等压线等

49、压线出溢区出溢区 等压线等压线2.3 二维渗流与流网二维渗流与流网71流网的绘制和应用流网的绘制和应用 h为总水头差，为总水头差，Nd为等势线落差数为等势线落差数 q为相邻两条等势线之间的水头损失：为相邻两条等势线之间的水头损失： q为总流量，为总流量， Nf为流道数为流道数 q为流网中任意两相邻流线间的单宽为流网中任意两相邻流线间的单宽流量流量/fqqN/dhhN72流网的绘制和应用流网的绘制和应用单位时间内渗流水的体积单位时间内渗流水的体积l为任一网格的平均流线长度为任一网格的平均流线长度s为同一网格的平均等势线长度。为同一网格的平均等势线长度。当取当取l=s时时/fqqN/dhhN73流网的绘制流网的绘制板桩墙板桩墙 板桩墙入土深度板桩墙入土深度6.0m，不透水层埋深，不透水层埋深8.6m。上。上游水位高游水位高4.5m，下游水位为，下游水位为0.50m。 AB、CD是等势线是等势线 基准面设在下游水位，基准面设在下游水位，CD上的总水头为零，上的总水头为零，AB上的总水头为上的总水头为4.0m。 BEC和和FG都是流线，其他流线则存在于都是流线，其他