土力学-第二章土的渗透性及渗流

1、第二章第二章 土的渗透性及水的渗流土的渗透性及水的渗流1u 第一节第一节 土的渗透定律土的渗透定律u 第二节第二节 渗透系数及其测定渗透系数及其测定u 第三节第三节 渗透力及临界水力梯度渗透力及临界水力梯度u 第四节第四节 二维稳定渗流问题（自学）二维稳定渗流问题（自学）主主 要要 内内 容容2什么是土的渗透性和水的渗流？什么是土的渗透性和水的渗流？ 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渗流渗流水在土体孔隙中流动的现象水在土体孔隙中流动的现象渗透性渗透性土具有被水透过的性质土具有被水透过的性质渗透特性渗透特性强度特性强度特性变形特性变形特性能量差能量差土颗粒土颗粒土中水土中

2、水渗流渗流土土土的力学性质土的力学性质3为什么要学习土的渗透性和水的渗流？为什么要学习土的渗透性和水的渗流？土的渗透性和水的渗流土的渗透性和水的渗流（1） 渗透变形（破坏）问题渗透变形（破坏）问题（2） 渗流量的计算问题渗流量的计算问题（3） 渗流变形控制问题渗流变形控制问题工程活动工程活动直接影响直接影响4 Teton大坝，大坝，位于美国爱达位于美国爱达荷州的东南部，荷州的东南部，为高为高93m93m的土坝。的土坝。1976年年6月月5日日该坝完成后第该坝完成后第一次蓄水时即一次蓄水时即发生破坏，造发生破坏，造成成11人死亡及人死亡及数百万美元的数百万美元的损失。破坏是损失。破坏是由右岸距坝

3、顶由右岸距坝顶约约40m处的一个处的一个漏洞引起的漏洞引起的。1、渗透变形（破坏）问题、渗透变形（破坏）问题因渗流造成土体变形甚至破坏因渗流造成土体变形甚至破坏5土坝，高土坝，高93m，长长1000m，1975年建成，年建成，次年次年6月失事月失事渗透破坏：管涌渗透破坏：管涌 水力劈裂水力劈裂TetonTeton坝失事现场现状坝失事现场现状原因原因6土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线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2、渗流量的计算及渗透变形控制问题、渗流量的计算及渗透变形控制问题渗流问题：渗流问题：1. 1. 渗流量？渗流量？2. 2. 渗透破

4、坏？渗透破坏？3. 3. 渗透力？渗透力？7九江大堤决口九江大堤决口1998年年8月月7日日13:10发生管涌险情，很快发生管涌险情，很快形成宽形成宽62m的溃口的溃口堤基管涌堤基管涌原因原因土石坝坝基坝身渗流破坏实例土石坝坝基坝身渗流破坏实例8面板砂砾石坝面板砂砾石坝位于青海省，高位于青海省，高7171米，长米，长265265米，建米，建于于19891989年。年。19931993年年8 8月月7 7日突然日突然发生溃坝，是现代发生溃坝，是现代碾压堆石坝垮坝的碾压堆石坝垮坝的先例。先例。溃坝原因：溃坝原因：面板止水失效，下游坝体排水不畅，面板止水失效，下游坝体排水不畅，造成坝坡失稳造成坝坡失

5、稳土石坝坝基坝身渗流破坏实例土石坝坝基坝身渗流破坏实例9透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙基坑围护结构下的渗流基坑围护结构下的渗流2、渗流量的计算及渗透变形控制问题、渗流量的计算及渗透变形控制问题渗流问题：渗流问题：1. 1. 渗流量？渗流量？2. 2. 渗透破坏？渗透破坏？3. 3. 渗水压力？渗水压力？10p 基坑开挖降水基坑开挖降水井点降水井点降水11管井降水管井降水12湖南浯溪水电站二期基坑出现管涌湖南浯溪水电站二期基坑出现管涌 工程实例工程实例13含水层含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渗流问题：渗流问题：1.1.渗流量渗流

6、量Q Q？2.2.降水深度？降水深度？2、渗流量的计算及渗透变形控制问题、渗流量的计算及渗透变形控制问题14原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位渠道渗流渠道渗流渗流问题：渗流问题：1.1.渗流量？渗流量？2.2.地下水影响地下水影响范围？范围？2、渗流量的计算及渗透变形控制问题、渗流量的计算及渗透变形控制问题15降雨入渗降雨入渗引发滑坡引发滑坡降雨入渗引发滑坡降雨入渗引发滑坡2、渗流量的计算及渗透变形控制问题、渗流量的计算及渗透变形控制问题162003年年7月三峡库区月三峡库区湖北省秭归县发生湖北省秭归县发生的千将坪滑坡，该的千将坪滑坡，该滑坡造成滑坡造成24人死人死亡，亡，22艘

7、船翻沉。艘船翻沉。库水位升降引发滑坡库水位升降引发滑坡2、渗流量的计算及渗透变形控制问题、渗流量的计算及渗透变形控制问题17O 一、水头一、水头O 二、水力梯度二、水力梯度O 三、达西渗透定律三、达西渗透定律O 四、达西定律的适用范围四、达西定律的适用范围第一节第一节 土的渗透定律土的渗透定律18水流动的驱动力水流动的驱动力水往低处流水往低处流水往高处水往高处“跑跑”速度速度v v压力压力u u位置：位置：使水流从位置势能使水流从位置势能高处流向位置势能低处高处流向位置势能低处流速：流速：水具有的动能水具有的动能压力：压力：水所具有的压力势能水所具有的压力势能19ABL透水层透水层不透水层不透

8、水层基坑基坑板桩墙板桩墙一、水头一、水头水头水头 hydraulic head：单位重量的水所具有的能量。：单位重量的水所具有的能量。20土中渗流速度土中渗流速度通常较小，通常较小，可忽略，故有可忽略，故有/wh z u 孔隙水压孔隙水压渗流速度渗流速度势水头势水头位置水头位置水头静水头静水头压力水头压力水头动水头速度水头动水头速度水头土体中一点总水头土体中一点总水头wvh z hh 2/2wz uvg 21AhAzwAuLBhhBwuBz总水头线总水头线测压管测压管 piezometer tubeAB水力梯度（坡降）hydraulic gradientABhhhiLL测压管 piezomet

9、er tube单位流程的水头损失。AhAzwAuLBhhBwuBz总水头线AB二、水力梯度二、水力梯度22试验前提：试验前提：层流层流h，q A，q L， qLhAq 断面平均流速断面平均流速水力梯度水力梯度Aqv Lhi iv 1.1.达西渗透试验达西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，th=h1-h2q=V/t三、达西渗透定律三、达西渗透定律232.2.达西定律达西定律vk isvvvn 渗透定律渗透定律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与水力梯度与水力梯度i的一次方成

10、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。vi注意：注意：AAvvAnAv：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vs：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 AvqvA vsAvk: : 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：物理意义：水力梯度水力梯度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/day土截面土截面24 适用条件：适用条件：层流（线性流）层流（线性流）按地下水的渗流状态按地下水的渗流状

11、态四、达西渗透定律的适用范围四、达西渗透定律的适用范围线性流（层流）线性流（层流）地下水的渗流速度地下水的渗流速度与水力梯度成正比与水力梯度成正比非线性流（紊流）非线性流（紊流）地下水的渗流速度与地下水的渗流速度与水力梯度成非线性关系水力梯度成非线性关系线性稳定流线性稳定流线性非稳定流线性非稳定流非线性稳定流非线性稳定流非线性非稳定流非线性非稳定流我们现在需要掌握和理解的达西定律我们现在需要掌握和理解的达西定律250 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5达西定律达西定律适用范围适用范围2.01.51.00.50水力坡降水力坡降流速流速 (m/h)砾石砾石粗砂粗砂中砂中砂细砂细砂极细砂极细砂四

12、、达西渗透定律的适用范围四、达西渗透定律的适用范围26 适用范围：适用范围： 岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土砂土或或一般一般粘土粘土，均属，均属层流层流范围范围 在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊紊流流状态，渗流状态，渗流不再服从不再服从达西定律。达西定律。 可用雷诺数可用雷诺数R Re e进行判断：进行判断：雷诺数雷诺数R Re e ：是流体力学中用来判别流体流动状态的重要参数是流体力学中用来判别流体流动状态的重要参数 Re510时时层流层流 Re 100200时时紊流紊流 100200 Re 51

13、0时为时为过渡区过渡区 27（1）粗粒土：）粗粒土：砾石类土中的渗流常不符合达西定律砾石类土中的渗流常不符合达西定律砂土中渗透速度砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/siivoi0 两种特例：两种特例：（2）粘性土：）粘性土：致密的粘土致密的粘土 i i0 修正：修正：v = k(i - i0 )vovcr(1)mvkim28O 一、渗透系数的影响因素一、渗透系数的影响因素O 二、渗透系数的测定方法二、渗透系数的测定方法O 三、成层土的平均渗透系数三、成层土的平均渗透系数第二节第二节 渗透系数及其测定渗透系数及其测定29粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构k

14、f() 土土粒粒特特性性、流流体体特特性性饱和度（含气量）饱和度（含气量）水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数一、渗透系数的影响因素一、渗透系数的影响因素30D10 Hazen (1892)（1）土颗粒的粒径、级配和矿物成分土颗粒的粒径、级配和矿物成分2eekC D有效颗粒尺寸有效颗粒尺寸effective grain sizeb. 不均匀系数不均匀系数Cu对渗透性的影响不大。对渗透性的影响不大。a. 砂土的渗透性由其中的小颗粒控制砂土的渗透性由其中的小颗粒控制土中孔隙直径大小是主要影响因素；土中孔隙直径大小是主要影响因素；因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土

15、体孔隙的大小一般由细颗充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。粒所控制。D5 Kenney (1984) 渗透系数渗透系数土粒特性对渗透系数的影响土粒特性对渗透系数的影响31d. 细粒土的渗透性与液体的极性有关。细粒土的渗透性与液体的极性有关。 （Mesri and Olson， 1971）水水四氯化四氯化碳或苯碳或苯c. 渗透系数：蒙脱石渗透系数：蒙脱石伊利石伊利石 分散结构分散结构层状土层状土：xykk（2） 孔隙比或孔隙率孔隙比或孔隙率对于同一种土，渗透系数对于同一种土，渗透系数k一般随一般随孔隙比孔隙比e增大而增大。增大而增大。33不饱和土中气泡对渗透性的影响：不饱和土中气泡对渗透性

16、的影响： 封闭气泡对封闭气泡对k影响很大，可减少有效影响很大，可减少有效 渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道。渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道。 还可能使渗透系数随时间变化，还可能使渗透系数随时间变化， 甚至使流速与水力梯度不成线性关系甚至使流速与水力梯度不成线性关系 而偏离达西定律。而偏离达西定律。2020TTkk（1）土的饱和度土的饱和度（2）水的动力粘滞度水的动力粘滞度流体特性对渗透系数的影响流体特性对渗透系数的影响饱和度饱和度 s sr r(%)(%)渗透系数渗透系数k(10k(10-3-3cm/s)cm/s)8 87 76 65 54 43 32 280 90 10080 90 100温度

17、高温度高粘滞性低粘滞性低渗透系数大渗透系数大渗透系数的换算渗透系数的换算34室内试验测定方法室内试验测定方法野外试验测定方法野外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二、二、 渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法35TQLkAt hQvAtTvk ihiLT20T20kk适用于砂土适用于砂土（1）常水头渗透试验常水头渗透试验constant head permeability test由Darcy定律并有渗透系数温温度度修修正正hL土样土样AVQ36ad h 0T101ln()haLkA tth（2 2）变水头渗透试验）变水

18、头渗透试验 falling head permeability test()dQahd hh dQd hqadtdt hiLTvk iTa d hhkAdtL适用于粘性土适用于粘性土 流速计算流速计算a d hvAdt 水力梯度水力梯度由由Darcy定律定律 渗透系数渗透系数Aqv 结果整理结果整理: : 选择几组选择几组h0, h1, t0 ，t1 ，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值37(3) (3) 现场抽水试验现场抽水试验 pump test, permeability test222211ln()rqkhhrdhidr2qvrhvki2drqkhdhr适用于粗颗粒土适用于粗

19、颗粒土由由Darcy定律定律水力梯度水力梯度平均流速平均流速38nv Lkh（4 4）渗流速度测定试验）渗流速度测定试验Lvt hiL适用于粗颗粒土适用于粗颗粒土水力梯度水力梯度平均流速平均流速渗流速度渗流速度vnvvki由由Darcy定律定律39等效渗透系数等效渗透系数天然土层多呈层状天然土层多呈层状三、成层土的平均渗透系数三、成层土的平均渗透系数确立各层的确立各层的k考虑渗流方向考虑渗流方向40H1H2H3Hhk1k2k3xzq1q3q2L1122不透水层不透水层水平渗流水平渗流条件条件: :等效渗透系数等效渗透系数: :将土层简化为均质土，便于计算将土层简化为均质土，便于计算总流量等于各

20、土层流量之和总流量等于各土层流量之和 （各层的水力梯度相等）（各层的水力梯度相等）1mxjjjQk Hk Hii11mxjjjkk HHLhiim iHkqQxj jjjjjiHkHvq 41H1H2H3Hhk1k2k3xzvy承压水承压水条件条件:等效渗透系数等效渗透系数: :竖直渗流竖直渗流将土层简化为均质土，便于计算将土层简化为均质土，便于计算总水头损失等于各土层水头损失之和总水头损失等于各土层水头损失之和（各层的流速相等）（各层的流速相等）ymvv jhh 11mmyjjjjjyyjyhi HHi HkvkvH 11mmyjjjjjyyjyhi HHi HkvkvH 1/ymjjjHk

21、Hk11mmyjjjjjyyjyhi HHi HkvkvH 42例题分析day/m100k,m0 . 1Hday/m1k,m0 . 1Hday/m01. 0k,m0 . 1H332211 day/m100k,m0 . 1Hday/m1k,m0 . 1Hday/m01. 0k,m0 . 1H332211 day/m100k,m0 . 1Hday/m1k,m0 . 1Hday/m01. 0k,m0 . 1H332211 yxkk 和和竖竖直直渗渗透透系系数数求求水水平平渗渗透透系系数数43解答：解答： 按层厚加权平均，由较大值控制按层厚加权平均，由较大值控制倒数按层厚加权平均，由较小值控制倒数按层

22、厚加权平均，由较小值控制daymHHkkiix/67.33 daymkHHkiiy/03. 0 44O 一、渗透力一、渗透力O 二、临界水力梯度二、临界水力梯度O 三、土的渗透破坏三、土的渗透破坏第三节第三节 渗透力及临界水力梯度渗透力及临界水力梯度45h200hwL土样土样贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W = LsatL( + w)P1 = whwP2 = wh2R = ?R + P2 = W + P1 R + wh2 = L( + w) + whw R = L 一、渗透力一、渗透力滤网滤网46h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bR静水中的土体

23、静水中的土体P2WP1A=1W = LsatL( + w)P1 = whwP2 = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L whR = L 渗流中的土体渗流中的土体47静水中的土体静水中的土体R = L whR = L 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，向上渗流存在时，滤网支持力减少滤网支持力减少减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？总渗透力总渗透力J = wh单位体积的渗透力单位体积的渗透力j = J/V = wh/L = wij = wi渗透力是土中渗流对土粒产生推动、摩擦、拖曳作用力。渗透力是土中渗流对土粒产生推动

24、、摩擦、拖曳作用力。渗透力为渗透力为体积力体积力，方向，方向与与渗流方向渗流方向一致。一致。48土粒土粒渗渗 流流渗透力渗透力 j：体积力：体积力渗透力的物理意义渗透力的物理意义F物理意义：物理意义：单位土体内土骨架所单位土体内土骨架所受到的渗透水流的作用力，它是受到的渗透水流的作用力，它是一种体积力一种体积力F大小大小： j = wiF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49临界水力梯度临界水力梯度e1)1G(ws eGiscr 11P2WP1A=1二、临界水力梯度二、临界水力梯度wRLAhAR 临界水力梯度临界水力梯度critical hydr

25、aulic gradient此时土将发生渗透破坏。此时土将发生渗透破坏。crwi0 R此时土体处于失此时土体处于失重或悬浮状态。重或悬浮状态。iic 不稳定不稳定土体是否发土体是否发生渗透破坏生渗透破坏的判别的判别50hLRw 0 hLw 当滤网的支撑力当滤网的支撑力R0时：时：例题分析书中书中P55页题页题21051解答：解答：1110201 wsatwwsatwci m3L 渗渗流流路路径径hhh 5 . 435 . 7水水头头损损失失：35 . 4hLhi 水力梯度：水力梯度：cii 状状态态时时：当当基基坑坑底底土土体体处处于于临临界界mhh5 . 1135 . 4 解出：解出：则：则

26、：52基本类型基本类型 流土流土管涌管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件形成条件 三、土的渗透破坏三、土的渗透破坏算例分析算例分析 53 流流 土土（流砂（流砂quick sand 、翻砂、翻砂 boil sand） 在向上的渗流作用下，表面土局部范围内的土体或颗粒群同时在向上的渗流作用下，表面土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。发生悬浮、移动的现象。 发生条件crii 要 求crs/iiF54 管涌管涌 piping 在渗流作用下，土中的细粒在粗粒形成的孔隙中移动以至流失孔隙增大，渗流速度增加粗粒流走贯通的水

27、流通道土体塌陷。5556发生管涌的发生管涌的必要条件必要条件：（1 1）无粘性土）无粘性土（2 2）粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径）粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径（3 3）渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动，）渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动，可用管涌临界水力坡降表示。可用管涌临界水力坡降表示。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