水在饱和土中的流动

水在饱和土中的流动一、基本概念二、基本定律三、土的渗透系数四、渗流方程五、渗透变形与破坏一、基本概念地下水(groundwater):出现在已经充分饱和了的土层和地质层组中的地下水位以下的水体（R.A.Freeze,J.A.Cherry,1979）或：地面下的岩土体中水位以下存在的水渗流（Seepage）：水在土体中的流动称为渗流。稳定渗流：渗流过程中土体内各点的水头不随时间变化不稳定渗流：又称瞬变流，渗流过程中水头和流量边界条件随时间变化，造成渗流状态是时间的函数一、基本概念工程中不稳定渗流问题饱和渗流/非饱和渗流土的固结作用造成的渗流湿度移动入渗分析污染迁移分析粘性土的中渗流轨迹理想化的渗透模型真实渗流与渗流模型真实流速和模型平均流速v-渗流模型的平均流速q-渗流流量A-过水断面面积n－孔隙度二、基本定律伯努利方程层流渗流定律－达西定律土体中渗流的伯努利（Bernoulli）方程假定：水是一种非粘性、不可压缩的流体基准线AB层流渗流定律－达西定律V在完全饱和的砂土中，水在压力差作用下呈层流运动（或渗流）时，服从线性渗透定律——达西定律v——渗流速度；K——比例系数，称为渗透系数，cm/s或m/d；i——水力坡度，为水头损失H与渗透路径长度L之比I

io—起始水力坡度vi0i三、土的渗透系数测定室内渗透试验野外抽水试验不均匀土的渗透系数常水头变水头剖面图四、渗流方程以二维稳定流为例例推导单位时间内流入和和流出单元体的流流量Xz四、渗流方程求解方法解析法数值法图解法（流网）水电比拟法五、渗透变形与破破坏渗透力（动水力））的计算流砂、管涌和临界界水力坡度（水力力梯度）近松散层开采水砂砂突涌问题日本新泻1964年地震时砂土液液化影响。这些设设计为抗震的建筑筑物倾斜而未受损损坏。加州沃森维尔附近近的野外涌沙唐山地造成的喷水水冒砂区分布图震震hh1h2AAL总渗透力

（Seepageforce）wh1A=wh2A+JJ=wh1A-wh2A=w（h1-h2）A=whA总渗透力

（Seepageforce）wh1A=wh2A+JJ=wh1A-wh2A=w（h1-h2）A=whA单位体积的渗透力力j=J/AL=whA/AL=wIj=wij——渗透力，KN/m3；i——水力坡度；w——水的重度，KN/m3渗透力为体积积力动水压力的危危害向上的渗透力力j=Wh土体向下的压压力’h2j=Wh=’h2时，颗粒间的的有效应力减减少为0，即即发生所谓流流砂或管涌现现象。’=Wh/h2=WIcrhh1h2Icr—临界水力坡度度Icr=’/w=（Gs-1）（1-n）=（Gs-1）/（1+e）允许水力坡度度临界水力坡度度除以安全系系数m[I]=Icr/KK安全系数，一一般取2.0-2.5管涌：是单个土颗粒粒在渗透作用用下独立移动动的现象。管涌一般发生生在不均粒系系数较大的砂砂砾层中，它它既可以发生生在地下水逸逸出段，又可可能发生于土土体内部粗粒粒骨架的孔隙隙中。当坝基土体的的粗粒孔隙中中携走的细颗颗粒含量较少少时，并不影影响坝体的稳稳定。而当坝坝基的细粒物物质被渗流从从粗粒孔隙中中携走后，形形成管道状孔孔洞，土体的的结构和强度度遭到破坏，，造成地面塌塌陷时，即会会危及坝体安安全。这种管管涌称之为发发展型管涌，，它是我们主主要研究的对对象。顶分层采后，，采底分层放放顶煤4.4m，累计采厚8.8m时，垮落带高高度达到24.0m，在接近顶分层层停采线时形形成贯穿性剪剪切破坏，底底部粘土层被被拉开和错断断，无法起到到防水作用，，见图5-22至图5-24。因此在基岩岩厚度34m左右采用此方方案开采，要要保证开采安安全，必须降降低初始水头头，以防溃砂砂事故发生近松散层开采采水砂突涌问问题覆岩裂隙带水水砂突涌分析析在采动影响下下，高水头的的含水砂层容容易出现溃水水溃砂现象，，从而严重地地威胁着安全全生产，这已已经被全国厚厚松散层及其其它含水层下下采煤的大量量实践所证明明，因此，疏疏降含水层的的水头成为许许多矿井采取取的关键技术术措施，根据据舒兰矿区的的经验，在第第三系半胶结结、未胶结砂砂岩含水层下下开采时，一一般当水头降降低到30m以下，就可以避免免溃砂现象的发生生。水下开采溃砂的工工程地质机理从工程地质角度来来看，水砂突涌的的机理是由于采动动裂隙贯穿覆岩达达到松散砂层，造造成含水砂层中地地下水的流动状态态迅速改变，向采采空区迅速流动，，水力坡度急剧增增大，对砂层产生生大的动水压力和和渗透力，当水力力坡度达到砂土液液化的临界水力坡坡度，砂层便失去去抗剪强度，在较较大范围内形成液液化状态，沿裂隙隙或其它通道溃入入工作面。临界水力坡度可以以由以下公式计算算Icr=（Gs-1）（1-n）=（Gs-1）/（1+e）式中Icr—临界水力坡度；Gs、n、e—土的比重、孔隙度度、孔隙比。影响半径随时间的的变化渗透变形与破坏：在采动影响下，高高水头的含水砂层层容易出现溃水溃溃砂现象，从而严严重地威胁着安全全生产，这已经被被全国厚松散层及及其它含水层下采采煤的大量实践所所证明。定义：我们把水下开采覆岩裂裂隙带贯通到上部部松散含水层、但但是不至于发生溃溃砂的水头高度定定义为安全水头高高度。显然，初始水头高高度越小，破坏带带导通时渗透水力力坡度就越小，只只要把渗透区的水水力坡度控制在临临界水力坡度以下下，就能有效地避避免溃砂现象的发发生。实际设计时时，采用允许水力力坡度，可靠度便便会进一步提高。。可见，依据太平煤煤矿的具体水文地地质与工程地质条条件，第四系底部部含水层组中的砂砂层和粘土层，在在取一定的安全系系数的条件下，允允许的水头高度为为32m至38m，即当初始水位降到到此数值之下后，，采动裂缝波及到到该土层时，将不不会发生溃砂现象象。图4.14裂隙宽度与临界水水力坡度关系图土试样突水、涌（（突）砂时临界水水力坡度数据土试样编号变形破坏形式、破坏水头高度、坡度1#粘土2#粉土3#粗砂4#砾砂5#粘土+粉土6#粘土+粗砂7#粘土+砾砂渗透变形破坏