第一章土的渗透性

1、第一章第一章 土的渗透性土的渗透性第一节第一节 概述概述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相互相关联关联互相互相影响影响土力学重土力学重 要课题要课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？工程实例工程实例透水层透水层基坑基坑板桩

2、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？工程实例工程实例第一节第一节 概述概述渗流问题：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？渗透力？2. 入渗过程？入渗过程？事故实例事故实例第二节第二节 土的渗流性土的渗流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

3、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，应满渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程：连续性方程、能量方程、动量方程程、动量方程一、渗流中的水头与水力坡降一、渗流中的水头与水力坡降第二节第二节 土的渗流性土的渗流性zpgvhw 22wpzh n 总水头总水头（伯努利定理）（伯努利定理）： 单位单位重量重量水体所具有的能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

4、）：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，是渗流的总驱动能，总驱动能，渗流总是从水渗流总是从水头高处流向水头低处头高处流向水头低处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

5、线水力坡降线wAApzh A B B点总水头：点总水头： 二点总水头差：反映了二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力两点间水流由于摩阻力造成的能量损失造成的能量损失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 渗流速度随水力梯度变化渗流速度随水力梯度变化土中的渗流基本处土中的渗流基本处于层流状态，即：于层流状态，即：iv 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

6、: : 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的一次方成正比，并与土的性质有关。的一次方成正比，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

7、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/day粗粒土：粗粒土：在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆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，达石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用西定律不再适用ivovcrivib层流（线性流）层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土及砂性较重的粘性土粘性土：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 )i

8、kv 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hL土样土样AQn 试验条件试验条件:

9、 :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a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

10、试验方法- -变水头试验法变水头试验法2112lnhhttAaLk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 QLk=Aht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 量测变量量测变量: r

11、=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地下水位地下水位测压管水面测压管水面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 )()/ln(212212hhrrqk土的渗透系数可以通过室内土的渗透系数可以通过室内渗透

12、试验渗透试验或现场抽水试验来测定。或现场抽水试验来测定。 各种土的渗透系数参考值（各种土的渗透系数参考值（cm/scm/s）n 土粒愈粗、大小愈均匀、形状土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，愈圆滑，K值愈大。值愈大。n 因由粗颗粒形成的大孔隙可被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，细颗粒充填，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 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.影响因素影响因素 n 是单位土体中孔隙体积的直接是单位土体中孔隙体积的直接度量度量n 土愈密实，孔隙比愈小，土愈密实

13、，孔隙比愈小，K值值愈小。愈小。 土的性质土的性质 水的性质水的性质 粒径大小及级配粒径大小及级配 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n 一般情况下饱和度愈低，一般情况下饱和度愈低，K值愈值愈小。小。n 因为低饱和土的孔隙中存在较多因为低饱和土的孔隙中存在较多气泡会减小过水面积，甚至赌塞气泡会减小过水面积，甚至赌塞细小孔道。细小孔道。 土的性质土的性质 水的性质水的性质 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，粘性土层中有很薄

14、的砂土夹层，常使得常使得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 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（JTJ051-93）采用标准）采用标准温度温度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，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒

15、及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。含量愈多时，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。密实度增大，孔隙比降低，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。力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。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。封闭土中封

16、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。气体含量愈多，土的渗透性愈小。影响渗透系数的因素影响渗透系数的因素四、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第二节第二节 土的渗透性土的渗透性多个土层用假想单一土层置换，多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变使得其总体的透水性不变hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层不透水层等效渗透系数等效渗透系数: : iixHkH1kn 已知条件已知条件: :LhiiiixxqqiHH

17、qx=vxH=kx i Hqix=ki ii Hin 达西定律达西定律: :n 等效条件等效条件: :kxL iizkHHkH1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水承压水kzvviihhiHHvi = ki (hi / Hi )iiiikHvh zkvHh 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: :H1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水承压水n 已知条件已知条件: :nzzzzqqqq 21AHhkqzz AikAHhkqiiziiiziz iizzikHhk iii

18、Hihh 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，由较大值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制daym6733HHkkiix/.daym030kHHkiiz/.H1H2H3Hk1k2k3xz第二节第二节 土的渗透性土的渗透性水平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;

19、q.qq.k,k.;H,H2121Hhkikvzz iizkHHk层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数n 水头与水力坡降水头与水力坡降n 渗透试验与达西渗透试验与达西定律定律n 渗透系数的测定渗透系数的测定及影响因素及影响因素n 层状地基的等效层状地基的等效渗透系数渗透系数 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

20、等效渗透系数垂直等效渗透系数小小 结结渗流渗流土体内部应力状态变化土体内部应力状态变化土体的局部稳定问题土体的局部稳定问题土体的整体稳定问题土体的整体稳定问题管涌、流土等管涌、流土等水库塌岸水库塌岸边坡滑动边坡滑动土粒流失或局土粒流失或局部土体产生移动部土体产生移动土体的滑动土体的滑动第三节第三节 渗透破坏与控制渗透破坏与控制n hh=0 =0 静水中，土骨静水中，土骨架会受到浮力作用。架会受到浮力作用。n hh0 0 水在流动时，水在流动时，水流受到来自土骨架的水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。擦、拖曳力。h1hh

21、200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b渗透力渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架：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。的作用力，方向与渗流方向一致。一、渗透力一、渗透力（动水力）（动水力）第三节第三节 渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗透力渗透力- -试验观察试验观察h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b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：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力所受到的渗透水流的拖曳力 Gw = vv w + vs w V w= LA w wP1 = whwAwP2 = wh1Aw

22、P1 + 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a b GwT whwAw+ LA 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，滤网支持向上渗流存在时，滤网支持力减少力减少。当滤网支持力为零当滤网支持力为零时的水力坡降称为时的水力坡降称为临界水力临界水力坡降坡降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

23、- -受力分析受力分析渗透力渗透力- -受力分析受力分析 wi n 临临界界水力坡降水力坡降icr = h/L = / wedws1) 1( ndedisscr1111由于由于icr取决于土取决于土的物理性质的物理性质h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b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，它是一种体积力渗透水流的拖曳力，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n土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形

24、或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。渗透变形是土工破坏称为渗透变形或渗透破坏。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单一土层渗透变形的两种基本型式的两种基本型式渗透变形渗透变形 - 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

25、破坏水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏粘性土粘性土k1k2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通的管道渗流渗流1. 在渗透水

26、流作用下，在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失的孔隙中移动流失2. 孔隙不断扩大，渗流孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走颗粒也相继被水带走3. 形成贯穿的渗流通道，形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷造成土体塌陷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

27、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 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，包括粘性土和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

28、坡降大于临界水力坡降这无粘性土，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：一水力条件，均要发生流土：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相应的无粘性土中发生管涌必须具备相应的几几何条件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 无粘性土管无粘性土管涌的判别涌的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

29、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 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件必要条件：粗颗：粗颗粒所构成的孔隙粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径大于细颗粒直径直径 几何条件几何条件 水力条件水力条件n 无粘性土管无粘性土管涌的判别涌的判别F

30、 渗透力能够渗透力能够带动细颗粒在孔带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。隙间滚动或移动。可用管涌临界水可用管涌临界水力坡降表示力坡降表示0 5 10 15 20 25 30 35 1.51.00.50icrCu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=0.10-0.15透水层透水层不透水层不透水层防渗体防渗体坝体坝体

31、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 心墙坝的粘土截水槽示意图心墙坝的粘土截水槽示意图 心墙坝混凝土防渗墙示意图心墙坝混凝土防渗墙示意图水平粘土铺盖示意图水平粘土铺盖示意图下游设置反滤层、盖重或减压井，滤土排水，使渗流逸下游设置反滤层、盖重或减压井，滤土排水，使渗流逸出，又防止细小颗粒被带走。出，又防止细小颗粒被带走。水闸防渗示意图水闸防渗示意图 例例1：某基坑工程采用防渗桩围堰，排水明挖施工，坑内水位位于：某基坑工程采用防渗桩围堰，排水明挖施工，坑内水位位于坑底，土体参数如