土的渗透性与渗透问题课件

第二章

土的渗透性与渗透问题§2.1达西定律§2.2渗透系数及其确定方法§2.3渗透力与渗透变形§2.4渗流工程问题与处理措施主要内容第二章土的渗透性与渗透问题§2.1达西定律主要内容1土的渗透问题概述浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身流向下游H隧道开挖时，地下水向隧道内流动

在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透

土的渗透问题概述浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身2§2.1达西定律一、达西定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比渗透试验播放v=ki达西定律水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失

§2.1达西定律一、达西定律1856年法国学者3二、达西定律适用范围与起始水力坡降达西定律讨论：砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系

密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系

ib起始水力坡降虚直线简化达西定律适用于层流，不适用于紊流v=kiivO砂土0iv密实粘土二、达西定律适用范围与起始水力坡降达西定律讨论：砂土的渗透速4§2.2渗透系数及其确定方法一、渗透试验（室内）时间t内流出的水量1.常水头试验————整个试验过程中水头保持不变适用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。

§2.2渗透系数及其确定方法一、渗透试验（室内）时间52.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化

截面面积a任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量

dV=－adh

在时段dt内流经试样的水量

dV=kiAdt=kAh/Ldt

管内减少水量＝流经试样水量

－adh=kAh/Ldt

分离变量积分

适用于透水性差，渗透系数小的粘性土

2.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化截面面6二、影响渗透系数的因数1.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含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。2.土的密实度

3.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，土的渗透系数则愈大。4.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，土的渗透性愈小。T、20分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数，可查表二、影响渗透系数的因数1.土粒大小与级配细粒含量愈多，7三、成层土的渗透系数1.水平渗透系数

H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和

达西定律整个土层与层面平行的等效渗透系数

平均渗透系数三、成层土的渗透系数1.水平渗透系数H1H2H3k1k2k82.垂直渗透系数

H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理，通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量

垂直渗透系数q3yq2yq1yqy各土层的相应的水力坡降为i1、i2、…、in，总的水力坡降为i

总水头损失等于各层水头损失之和

代入整个土层与层面垂直的等效渗透系数

2.垂直渗透系数H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理9四、例题分析【例】

设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为30cm2，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm，试验开始时的水位差为160cm，经时段15分钟后，观察得水位差为52cm，试验时的水温为30℃，试求试样的渗透系数

【解答】已知试样截面积A=30cm，渗径长度L=4cm，细玻璃管的内截面积h1=160cm，h2=52cm，△t=900s

试样在30℃时的渗透系数

四、例题分析【例】设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为310§2.3渗透力与渗透变形一、渗透力和临界水力坡降1.渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为h土粒对水流的阻力应为

土样面积根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反§2.3渗透力与渗透变形一、渗透力和临界水力坡11渗流作用于单位土体的力说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3

渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响abc渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出渗流作用于单位土体的力说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力122.临界水力坡降———使土体开始发生渗透变形的水力坡降

GJ当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降或

在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(2～3)，作为允许水力坡降[i]。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降[i]内2.临界水力坡降———使土体开始发生渗透变形的水力坡降GJ13二、渗透变形渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形—————渗透变形问题（流土，管涌）

1.流土——在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动的现象

流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏二、渗透变形渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土142.管涌——在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象

土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏2.管涌——在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的153.流土与管涌的判别——渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关

粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu>10的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏

对Cu>10的砂和砾石、卵石，分两种情况:1.当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量约为30%－35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象3.流土与管涌的判别——渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以16三、例题分析【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数Fs为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏

【解答】临界水力坡降由于实际水力坡降i

<[i]，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏允许水力坡降三、例题分析【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e17§2.4渗流工程问题与处理措施

一、渗流工程问题1.地下水的浮托作用地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建筑物基础产生浮托力

2.地下水的潜蚀作用在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层中

3.流砂流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。通常易在粉细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现

§2.4渗流工程问题与处理措施一、渗流工程问题1184.基坑突涌

当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁基坑底板，这种现象称为基坑突涌4.基坑突涌当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底19二、防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏”为原则，上游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形

①垂直截渗

主要目的:延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗

二、防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施水工建筑物的20②设置水平铺盖上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径

粘土铺盖③设置反滤层

砂垫层水位加筋土工布回填中粗砂抛石棱体设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层

②设置水平铺盖上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水21④排水减压

粘性土含水层减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深挖排水槽

④排水减压粘性土含水层减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑222.基坑开挖防渗措施①工程降水

采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出原地下水位明沟排水原水位面一级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位2.基坑开挖防渗措施①工程降水采用明沟排水和井点降水的方法23②设置板桩

沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降钢板桩③水下挖掘

在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，并同时进行挖掘

②设置板桩沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了24第二章

土的渗透性与渗透问题§2.1达西定律§2.2渗透系数及其确定方法§2.3渗透力与渗透变形§2.4渗流工程问题与处理措施主要内容第二章土的渗透性与渗透问题§2.1达西定律主要内容25土的渗透问题概述浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身流向下游H隧道开挖时，地下水向隧道内流动

在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透

土的渗透问题概述浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身26§2.1达西定律一、达西定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比渗透试验播放v=ki达西定律水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失

§2.1达西定律一、达西定律1856年法国学者27二、达西定律适用范围与起始水力坡降达西定律讨论：砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系

密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系

ib起始水力坡降虚直线简化达西定律适用于层流，不适用于紊流v=kiivO砂土0iv密实粘土二、达西定律适用范围与起始水力坡降达西定律讨论：砂土的渗透速28§2.2渗透系数及其确定方法一、渗透试验（室内）时间t内流出的水量1.常水头试验————整个试验过程中水头保持不变适用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。

§2.2渗透系数及其确定方法一、渗透试验（室内）时间292.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化

截面面积a任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量

dV=－adh

在时段dt内流经试样的水量

dV=kiAdt=kAh/Ldt

管内减少水量＝流经试样水量

－adh=kAh/Ldt

分离变量积分

适用于透水性差，渗透系数小的粘性土

2.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化截面面30二、影响渗透系数的因数1.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含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。2.土的密实度

3.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，土的渗透系数则愈大。4.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，土的渗透性愈小。T、20分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数，可查表二、影响渗透系数的因数1.土粒大小与级配细粒含量愈多，31三、成层土的渗透系数1.水平渗透系数

H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和

达西定律整个土层与层面平行的等效渗透系数

平均渗透系数三、成层土的渗透系数1.水平渗透系数H1H2H3k1k2k322.垂直渗透系数

H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理，通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量

垂直渗透系数q3yq2yq1yqy各土层的相应的水力坡降为i1、i2、…、in，总的水力坡降为i

总水头损失等于各层水头损失之和

代入整个土层与层面垂直的等效渗透系数

2.垂直渗透系数H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理33四、例题分析【例】

设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为30cm2，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm，试验开始时的水位差为160cm，经时段15分钟后，观察得水位差为52cm，试验时的水温为30℃，试求试样的渗透系数

【解答】已知试样截面积A=30cm，渗径长度L=4cm，细玻璃管的内截面积h1=160cm，h2=52cm，△t=900s

试样在30℃时的渗透系数

四、例题分析【例】设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为334§2.3渗透力与渗透变形一、渗透力和临界水力坡降1.渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为h土粒对水流的阻力应为

土样面积根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反§2.3渗透力与渗透变形一、渗透力和临界水力坡35渗流作用于单位土体的力说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3

渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响abc渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出渗流作用于单位土体的力说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力362.临界水力坡降———使土体开始发生渗透变形的水力坡降

GJ当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降或

在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(2～3)，作为允许水力坡降[i]。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降[i]内2.临界水力坡降———使土体开始发生渗透变形的水力坡降GJ37二、渗透变形渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形—————渗透变形问题（流土，管涌）

1.流土——在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动的现象

流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏二、渗透变形渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土382.管涌——在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象

土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏2.管涌——在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的393.流土与管涌的判别——渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关

粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu>10的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏

对Cu>10的砂和砾石、卵石，分两种情况:1.当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量约为30%－35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象3.流土与管涌的判别——渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以40三、例题分析【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数Fs为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏

【解答】临界水力坡降由于实际水力坡降i

<[i]，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏允许水力坡降三、例题分析【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e41§2.4渗流工程问题与处理措施

一、渗流工程问题1.地下水的浮托作用地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建筑物基础产生浮托力

2.地下水的潜蚀作用在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层中

3.流砂流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。通常易在粉细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现

§2.4渗流工程问题与处理措施一、渗