第三章土的渗透性与工程降水土力学

1、第三章 土的渗透性与工程(gngchng)降水3.1概 述3.2渗流规律和渗透系数3.3二维渗流与流网3.4渗透(shntu)力和渗透(shntu)破坏3.5地下水和工程降水的常用方法共五十五页土体具有被液体（如土中水(zhn shu)）透过的性质称为土的渗透性，或称透水性。液体（如地下水、石油）在土孔隙中的流动称为渗流。3.1概 述非饱和土的渗透性较复杂(fz)，此不作介绍。共五十五页3.1概 述（1）渗流(shn li)量问题土的渗透性研究(ynji)内容基坑开挖或施工围堰时的渗水量及排水量堤坝身、坝基土中的渗水量水井的供水量或排水量三峡电站年发电量800亿度，26台机组，100度/s，8

2、00方/s共五十五页石油(shyu)开采量共五十五页渗滤液(ly)排放量尾矿(wi kun)污水排放共五十五页3.1概 述（2）渗透(shntu)破坏问题土的渗透性研究(ynji)内容土中的渗流会对土颗粒施加作用力，即渗流力（渗透力），当渗流力过大时就会引起土颗粒或土体的移动，产生渗透变形，甚至渗透破坏。试验视频共五十五页工程(gngchng)案例2003年7月1日凌晨，建上海轨道交通4号线突发险情，造成若干地面(dmin)建筑遭到破坏，损失1.5亿元。竖井与旁通道的开挖顺序错误、冷冻设备出现故障（冷冻法施工）、地下承压水导致喷沙共五十五页3.1概 述（3）渗流(shn li)控制问题土的渗透

3、性研究(ynji)内容当渗流量或渗透变形不满足设计要求时，就要研究工程措施进行渗流控制。共五十五页水在孔隙中流动的实际路线是不规则的，渗流的方向(fngxing)和速度都是变化3.2渗透(shntu)规律和渗透(shntu)系数3.2.1土的渗透性在渗流分析时，常将复杂渗流土体简化为理想渗流模型渗流模型的基本假定：只分析主要流向整个空间为渗流所充满同一过水断面，渗流模型的流量等于真实流量；压力与真实渗流压力相等；连续介质多孔介质共五十五页水在饱和土体中渗流时，在垂直于渗流方向取一个土体截面，该截面叫过水截面。过水截面包括(boku)土颗粒和孔隙所占据的面积。在时间t内渗流通过该过水截面（其面积

4、为A）的渗流量为Q，则渗流速度为（3-1）1.渗流(shn li)速度共五十五页渗流速度表征渗流在过水(u shu)截面上的平均流速，并不代表水在土中渗流的真实流速。水在饱和土体中渗流时，孔隙中实际平均流速为（3-2）共五十五页水在土中任意一点(y din)的总水头（3-3）2.水头、水力(shul)梯度位置水头压力水头速度水头注意：位置水头与基准面的选取有关土体中一般忽略速度水头的影响（3-4）共五十五页水力(shul)坡降（也称水力(shul)梯度）2.水头(shutu)、水力梯度（3-5）渗流是由总水头差，而不是压力水头差产生的水头损失/水头差共五十五页在t时段内，渗流量Q与过水(u s

5、hu)断面A和h成正比，与L成反比。（3-6）（3-7）达西（H.Darcy）进行了大量的渗流试验，得出(d ch)了层流条件下土中水渗流速度和水头损失之间关系的渗流规律，即达西定律。3.2.2达西定律及适用范围共五十五页例题(lt)3-1在恒定的总水头差之下水自下而上(z xi r shn)透过两个土样，从土样1顶面溢出，试求：（1）以c-c为基准面，求该面的总水头和压力水头；（2）已知水流经土样2的水头损失为总水头差的30%，求b-b面的总水头和压力水头。例题3-2若已知土样2的渗透系数为0.05cm/s ，试求：（1）单位时间内土样横截面单位面积的流量；（2）土样1的渗透系数。共五十五页

6、水在粗颗粒土中渗流时：（1）水流速度很小，粘滞(zhn zh)力占优势的层流，达西定律适用，雷诺数Re小于110之间的某一值；（2）水流速度增加到惯性力占优势的层流和层流向紊流过渡时，达西定律不再适用，雷诺数Re在10100之间；（3）随着雷诺数Re的增大，水流进入紊流状态，达西定律完全不适用。达西定律(dngl)适用范围紊流层流共五十五页在黏性土中自由水渗流会受到结合水膜粘滞阻力的影响，当水力坡降达一定值后渗流才能发生。存在(cnzi)一个达西定律有效范围的下限值，即黏性土的起始水力坡降 i0。达西定律(dngl)适用范围（3-8）共五十五页3.2.3渗透系数的影响(yngxing)因素（1

7、）土的孔隙比孔隙比越大，渗透系数也就越大。（2）土颗粒的粒径、级配和矿物成分细粒(x l)土的孔隙通道比粗粒土的小，渗透系数较小；黏性土渗透性小。级配良好的土，粗粒土间的孔隙被细粒土所填充，渗透系数比粒径级配均匀的土小；共五十五页Maximum permeability of soils19共五十五页3.2.3渗透系数的影响(yngxing)因素（3）土的结构和构造絮凝结构的黏性土，渗透系数比分散结构的大成层土在水平方向的渗透系数远大于垂直方向的。（4）土的饱和度（5）渗流水的性质动力粘滞(zhn zh)度随温度的增加而减小，因此温度升高一般会使土的渗透系数增加。共五十五页土水特征(tzhng

8、)曲线非饱和渗透系数方程(fngchng)基质吸力Soil- Water Characteristic Curve共五十五页3.2.4渗透系数的测定(cdng)渗透系数的测定方法主要分室内试验(shyn)测定和现场测定两大类。1.渗透系数的室内试验测定从试验原理上大体可分为常水头法和变水头法两种。常水头试验适用于测定透水性大的砂性土的渗透系数。黏性土渗透系数很小，渗透水量很少，须改用变水头试验。常水头渗透试验装置共五十五页常水头(shutu)法待水头差h和渗出流量Q稳定(wndng)后，量测时间t内流经试样的水量V（3-11）整个试验过程中保持水头差共五十五页变水头(shutu)法变水头试验法

9、就是(jish)试验过程中水头差一直在随时间而变化dt时间内流入试样的水量为流出试样的渗流量为（3-15）共五十五页变水头(shutu)法等式两边(lingbin)各取积分（3-18）测起始水头差 h1，经过时间t后，再测终了水头差 h2 共五十五页例题(lt)3-3设做变水头渗透试验(shyn)的黏土试样的截面积为30cm2,厚度为4cm。渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm，实验开始时的水位差为145cm，经过7min 25s观察的水位差为100cm，试求试样的渗透系数。【解】共五十五页3.2.4渗透系数的测定(cdng)2.渗透系数的现场(xinchng)测定常用现场井孔抽水试验或注水试验的

10、方法在现场打一口试验井，贯穿要测定k值的砂土层，井在距井中心不同距离处设置一个或两个观测孔。然后自井中以不变的速率连续进行抽水。共五十五页2.渗透系数的现场(xinchng)测定假定水流是水平流向，渗流过水断面是一系列的同心圆柱面。测得的抽水量为Q，观测孔距井轴线的距离分别为r1，r2，孔内的水位高度为h1，h2，通过达西定律即可求出土层(t cn)的平均k值。单位时间自井内抽出的水量为水力坡降等于地下水位线的坡度共五十五页工程中许多渗流问题一般为二维或三维问题。如坝基、河滩路堤及基坑挡土墙等。先建立渗流微分方程，然后结合(jih)渗流边界条件和初始条件进行求解。3.3二维渗流(shn li)

11、与流网共五十五页3.3.1二维渗流连续(linx)方程在二维渗流(shn li)平面内取一微元体假定：土体和水都是不可压缩的土是均质各向同性，即kx=kz 流入流出共五十五页根据质量守恒定理，流入的水量应该(ynggi)等于流出的水量，（3-34）3.3.1二维渗流(shn li)连续方程二维稳定渗流连续方程，拉普拉斯（Laplace）方程(1)稳定渗流；(2)满足达西定律；(3)水和土体是不可压缩的；(4)均匀介质或是分块均匀介质。共五十五页数学解析法：求取渗流运动方程在特定边界条件下的理论(lln)解，或者在一些假定条件下，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

12、发展电模拟试验法：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图绘流网法：简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题共五十五页流网是由流线（实线）和等势线（虚线）两组互相垂直交织的曲线所组成。在稳定渗流情况下流线表示(biosh)水质点的运动线路，而等势线表示(biosh)势能或水头的等值线。3.3.2流网(liwng)的特征及应用共五十五页对于各向同性的均质土体：（1）流线和等势线是正交的；（2）各等势线间的差值相等(xingdng)，各流线之间的差值也相等(xingdng)，各个网格的长宽之比为常数；（3）流网中流线密度越大的部位流速越大，等势线密度越大的部位水力

13、坡降越大。3.3.2流网的特征(tzhng)及应用1.流网的性质共五十五页流网绘制方法(fngf)概述根据(gnj)渗流场的边界条件确定边界流线和首尾等势线正交性曲边正方形流线等势线反复修改，调整精度较高的流网图初步绘制流网共五十五页k =1 10-4 m/s Svflux cutoff example共五十五页渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类：一是由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致土体变形甚至失稳。主要表现(bioxin)为流砂和管涌。二是由于渗流作用，使水压力或浮力发生变化，导致土体或结构物失稳。主要表现为岸坡滑动或挡土墙等构造物整体失稳。3.4渗透(shntu)力

14、和渗透(shntu)破坏共五十五页3.4.1渗透力（1）水柱(shu zh)重力Gw：（2）水柱两端(lin dun)面水压力共五十五页3.4.1渗流(shn li)力（3）单位土体内(t ni)的渗流力J和土粒对水流阻力T，则 J=T。土粒对水流总阻力渗透力是一种体积力，量纲与 相同。渗透力的大小和水力梯度成正比，其方向与渗透方向一致。（3-43）共五十五页若贮水器不断上提，当h增大(zn d)到某一数值，向上的渗流力克服了向下的重力时，土体就要发生浮力或受到破坏。在向上的渗流力作用下，粒间有效应力为零时，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流砂现象或流土现象。使土开始(kish)发生流砂现象时的

15、水力梯度称为临界水力梯度渗透力=浮容重共五十五页3.4.2流砂或流土现象(xinxing)多发生在级配均匀的饱和细、粉砂和粉土层中。突发性，工程危害(wihi)极大。共五十五页在长为10cm，面积8cm2的圆筒内装满砂土。经测定，粉砂的土粒比重ds=2.65，孔隙比e=0.9，筒下端与管相连(xin lin)，管内水位高出筒5cm(固定不变)，流水自下而上通过试样后可溢流出去。试求：（1）渗透力的大小；（2）临界水力梯度icr值，判断是否会产生流砂现象。例题(lt)3-4【解】（1）水力坡降 渗透力的大小为：共五十五页（2）土的浮重度为：例题(lt)3-4临界(ln ji)水力坡降因为所以不会

16、发生流砂现象。共五十五页减小或消除水头差，如坑外的井点降水法降低地下水位增长渗流路径，如打板桩；渗流出口处用透水材料覆盖压重以平衡渗流力；土层加固处理(chl)。如冻结法、注浆法等。流砂现象的防治(fngzh)原则共五十五页土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动以至流失；土的孔隙不断扩大，渗流(shn li)速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走土体内形成贯通的渗流通道，造成土体坍塌，称为管涌。3.4.3管涌(un yn)和潜蚀现象湖南望城湘江大堤管涌共五十五页工程(gngchng)案例1998年8月7日13:10，九江大堤发生管涌险情，很快形成宽62m的溃口，洪水滔滔，局面(jmin)一

17、时无法控制。洪水向九江市区蔓延，靠近决堤口的市民被迫向楼房转移。经军民三昼夜的奋战，10日堵口围堰合龙。给国家造成巨大损失。共五十五页2013年5月5日18时50分，兰州市永登县中堡镇邢家湾村北部的翻山岭水库，在蓄水试验阶段，水库左坝肩山体出现管涌(un yn)，水库内70万立方米水在一小时内倾泻而下，造成2个村257户人受灾，960亩农田过水共五十五页在自然界，在一定条件下同样会发生上述渗透破坏(phui)作用，为了与人类工程活动所引起的管涌相区别，通常称之为潜蚀。机械潜蚀是指渗流的机械力将细土粒冲走而形成洞穴；化学潜蚀是指水流溶解了土中的易溶盐或胶结物使土变松散，细土粒被水冲走而形成洞穴。

18、3.4.3管涌(un yn)和潜蚀现象Fine particleCoarse particleInternal Erosion共五十五页3.5.1地下水分类(fn li)（1）上层(shngcng)滞水积聚在局部隔水层上的水称为上层滞水。这种水靠雨水补给，有季节性。上层滞水范围不大，存在于雨季，旱季可能干涸。3.5地下水和工程降水的常用方法共五十五页3.5.1地下水分类(fn li)（2）潜水(qinshu)埋藏在地表下第一个连续分布的稳定隔水层以上，具有自由水面的重力水称为潜水。自由水面为潜水面，水面的标高称为地下水位。地面至潜水面的铅直距离hw为地下水的埋藏深度。潜水由雨水与河水补给，水位也有季节性变化。共五十五页3.5.1地下水分类(fn li)（3）承压水埋藏在两个连续分布的隔水层之间完全充满的有压地下水称为承压水。在地势高处(o ch)水位高，对地势低处产生静水压力。若打穿承压水顶面的第一隔水层，则承压水因有压力自上涌。共五十五页3.5.3地下水对工程(gngchng)影响施工(sh gng)降排水当地下水位埋藏浅、基础埋深大