土的渗透性及水的渗流

1、土的渗透性及水的渗流 第二章碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性土具有被水、气等液体透过的性质渗透特性强度特性变形特性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性2.1 概述能量差渗流量渗透变形土石坝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1.一些与土体渗流有关的工程问题渗水压力扬压力渗流量渗透变形透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流渗流量透水层不透水层天然水面1.3 水井渗流漏斗状潜水面Q渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流渗流滑坡渗流滑坡2.2 土的渗透定律 补充概念：层流与紊流：水在流动时，其中任意质点的运动轨迹，称为流线， 如各流线互不相交

2、，那么称为层流，反之，如流线相 交，那么水中出现漩涡，使水流形成不规那么状态，那么称 为紊流。一般情况下皆以层流出现，而紊流情况只有 在均匀的巨粒或粗粒石中才能产生。水 头：单位重量水体所具有的能量，包括动能和位能。液体流动应满足：连续原理和能量方程，即伯努里()方程。ABL一土中渗流的总水头差和水力梯度h1h2zAzBh00基准面水力坡降线总水头单位质量水体所具有的能量z：位置水头位能u/w：压力水头势能V2/(2g)：流速水头0动能A点总水头：B点总水头：总水头：水力坡降梯度：总机械能h：A、B两点间的总水头差，液体从A点向B点流动时为克服阻力而损失的能量 L：为A、B两点间的渗流途径，即

3、为流程渗流路径或渗流长度 i的物理意义：单位渗流长度上的水力损失 二. 达西定律水通过断面A平均流速达西通过实验证实，当水在土中流动的形态为层流时，水渗流遵循以下规律： 那么有：此即为达西定律(Darcys law) 达西定律 渗透定律在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关。注意：AAvV：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A AvQVA VsAvk: 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i1时的渗流速度单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day粗粒土：砾石类土中的渗流不符合

4、达西定律砂土中渗透速度 vcr= 适用条件ivovcrivoi0层流线性流大局部砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土 两种特例粘性土：致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )三. 渗透系数的测定及影响因素 室内试验测定方法野外试验测定方法常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验一. 测定方法 室内试验方法1常水头试验法1. 室内测定方法结果整理试验装置：如图试验条件: h，A，L=const量测变量: Q，ti=h/Lv=Q/Atv=ki适用土类：透水性较大的砂性土 室内试验方法2变水头试验法试验装置：如图试验条件: h变化，A，L=const量测变量: h ，t透水性较小的

5、粘性土常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土tt+ t 室内试验方法2变水头试验法结果整理:理论依据:设t时刻： 总水头差为hdQ=a(h-dh)- h =- ad(h)q=kAidQ=dq那么dt时间内渗流量：而dt内流过土截面的水量：由连续性条件：有：q=dQ/dt=-ad(h) /dt=kA(h)/L选择几组h1, h2, t ，计算相应的k，取平均值那么在tt+dt时，总水头差由h h-dh常水头试验变水头试验条件测定算定取值h=consth变化h，A，LQ，t重复试验后，取均值a，A，Lh，t 室内试验方法不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土评 价优点：室内测定设备简单，费用较省。缺点

6、：不能很好地反映现场中土的实际渗透性质。由于土的渗透性与土的结构有关，水平方向和竖直方向的渗透性往往不一样；取样时土易扰动，特别是砂土。 野外测定方法抽水试验和注水试验法优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数2. 现场测定方法地下水位测压管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层观察井A=2rhi=dh/dr缺点：费用较高，耗时较长实验方法：积分得：记录观测孔内水位高度h1、h2和抽水量Q2.影响因素 粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构二. 渗透系数的影响因素 水的动力粘滞系数饱和度含气量 对k影响很大，封闭气泡2.3 渗透力与渗透变形 一. 渗透力 试验观察h=0 静水中，土骨架会受

7、到浮力作用。h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。渗透力 j 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。渗透变形渗透力h1hh200hwL土样滤网贮水器abh1hh200hwL土样滤网贮水器ab土粒渗 流jh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1W = LsatL( + w)P1 = whwP2 = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L 土水整体分析h1hh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1W = LsatL( +

8、 w)P1 = whwP2 = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L whR = L 渗流中的土体h1hh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1R = L whR = L 渗流中的土体水与土之间的作用力渗流的拖曳力总渗透力J = wh渗透力j = J/V = wh/L = wij = wi渗透力的性质物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力j = wi大小：方向：与渗流方向一致作用对象：土骨架根本类型 二.渗透变形渗透破坏 流土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形成条

9、件 防治措施 1. 临界水力梯度 水自上而下渗流：总反力：R = LA+ whA水自下而上渗流：总反力：R = LA- whA当：LA=whA向上的渗透力已使土颗粒处于失重或悬浮状态临界水力梯度粘性土k1k2砂性土k2坝体2. 根本类型 流土在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象渗流原因：管涌原因：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 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穿的管道。管涌管涌破坏流土与管涌的比较 流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等现象位置土类历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动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或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口3.形成条件Fs: 平安系数1.52.0 i : 允许坡降i icr :土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体处于临界状态流土经验判断：4. 防治措施 增大i：下游增加透水盖重 防治