水文地质工程应用-渗流总结资料

水文地质理论及工程应用目录11.1生物渗流............................................................................................................................11.2工程渗流............................................................................................................................21.3地下渗流............................................................................................................................22渗流理论的进展...........................................................................................................................22.1渗流理论的创立阶段........................................................................................................32.2渗流理论的发展阶段........................................................................................................52.3现代渗流理论发展............................................................................................................63土体中的渗流...............................................................................................................................73.1土中渗流基本理论............................................................................................................73.1.1达西定律方程.........................................................................................................73.1.2稳定渗流连续性方程.............................................................................................73.1.3定解条件.................................................................................................................93.1.4有效应力原理及固结理论...................................................................................103.1.5土水势理论...........................................................................................................113.2地下水对边坡岩土体的作用效应133.2.1水对岩土体产生的物理作用...............................................................................133.2.2水对岩土体产生的化学作用...............................................................................143.2.3水对岩土体产生的力学作用...............................................................................144渗流理论的应用.........................................................................................................................164.1渗流理论在滑坡防治中的应用......................................................................................164.2渗流理论在管涌防治中的应用......................................................................................1718参考文献.........................................................................................................................................201水文地质理论及工程应用渗流理论分析及其应用引言液体在土孔隙或其它透水性介质中流动的问题称为渗流[1]。渗流是研究流体在多孔介质中运动规律的科学。渗流理论的起源可以追溯到1856年，法国工程师达西提出的渗流线性定律。在那以后，渗流作为一门独立的学科开始被人们了解。渗流一词在我国出现于20世纪60年代初期在此之前，人们将渗流称之为“滤流”、“渗滤”等。20世纪60年代初中国科学院拟在兰州组建渗流力学方面的研究机构。初期设立在兰州地质所，曾称为“地下水动力学研究室”1963年该室科研人员经过讨论建议改为“渗流力学室”。从此，渗流一词也开始进入人们视野。流体所通过的孔隙介质具有极其复杂的连通形式和孔隙结构、各种不同的表面性质以及很大的比面等特点，而流体流过孔隙介质时受到很大的流动阻力，显著的表面力以及一些在流动过程中发生的物理化学现象等因素的影响，这些特点使渗流与一般的流体力学明显地区别开来[2]。渗流是流体力学和多孔介质理论、表面理论、物理化学固体力学、地球物理、土壤学、岩土力学、生物学、生理学等相互渗透的一个交叉学科 [3-4]。按渗流存[3]在的位置不同，可以将渗流分为地下渗流、工程渗流、生物渗流1.1生物渗流生物渗流是指动植物体内的流体流动，是流体力学与生物学、生理学交叉而发展起来的，大致可分为动物体内的渗流和植物体内的渗流。关于动物体内的渗流，通过碎生物脏器管道系统的铸型标本进行微观和宏观研究表明：对四类生物脏器的八种微细管道系统属于多孔介质[5]。它们是肾的血管系统和泌尿管道系统；肺的血管系统和肺泡-微细支气管系统；肝的血管系统、窦周围间隙系统和胆小管系统；以及心的血管系统。对其中的孔径和比而进行了研究，论证了这七类微细管道系统均属多孔介质，因而其中的流体运动确属渗流，其流动力学可作为渗流力学进行研究。对于植物来说，其根、茎、叶也多是多孔介质，植物体内水分、糖分和气体1水文地质理论及工程应用运输过程均属于生物渗流。1.2工程渗流工程渗流是指各种人造多孔材料和工程装置中的流体渗流。 在国民经济和国防建设部门的诸多工程技术中广泛使用各种类型的人造多孔材料， 出现各式各样的多孔体技术。工程渗流涉及化学工业、冶金工业、建筑业、环境保护、原子能工业以及轻工食品等领域。化学工业中有很多渗滤过程。如过滤、洗涤、浓缩和分离。冶金和陶瓷工业中也有很多渗流问题。 图炼铜工艺中细菌炼铜和第底吹氩气；禁书溶液在铸造砂型中的传热传质； 耐火材料、陶瓷和金属陶瓷等人造多孔材料的物理化学性质都与渗流过程有关。建筑业所用的砖石、混凝土、土材、和粘土等中水汽渗流影响他们的应力 -应变关系。环保技术中的污水处理、海水淡化、原子能工业中清除放射性粒子和工业废液等亦已进行了渗流研究。 航空、航天工业中使用多孔材料一直受到重视，发汗冷却技术就是其中一例。1.3地下渗流和水文地质研究有直接关系的是地下渗流，地下渗流是指土壤、岩石和地表堆积物中流体的渗流。它包含地下流体资源开发、地球物理渗流以及地下工程渗流几个部分。地下流体资源包括石油、天然气、、煤气层、地下水、地热、地下盐等等。与此相关的除了能源工业外还设计农田水利、土壤改良和排灌工程、地下污水处理、水库水对周围地区的；影响和诱发地震、底面沉降控制等；地球物理渗流是指流体力学和地球物理交叉结合而出现的渗流问题；地下工程问题与与地下渗流密切相关。如地下储气库工程，地下国防工程、水工建筑、铀矿等资源的地下沥取及核废料的处理等。渗流理论的进展时至今日，经过一百多年的发展。由几代科学家的辛勤耕耘， 渗流理论经过了创立阶段、发展阶段、现代渗流理论形成的辉煌道路。 现代渗流理论与经典渗流理论相比，不论是研究内容考虑因素、实验手段及其与其他学科交叉渗透的程2水文地质理论及工程应用度，在理论的深度和应用的广度方面，都有很大的发展。中国学者在 20世纪50年代中期有渗流方面的论文发表 [6-11]。1963年中国科学院兰州地质所出版《渗流力学集刊-1》，1964年出版《渗流力学集刊-2》。中国关于渗流方面的研究起步较晚，但我国在渗流方面的发展是迅速的。从《渗流力学集刊》中所涉及的研究内容以及研究深度来看。可以说与当时世界地下渗流是发展水平是相当的。2.1渗流理论的创立阶段1856年达西在解决法国第戎城的城市供水问题过程中，通过大量试验研究得出砂土类孔隙介质的渗流能量损失与渗流速度之间呈线性正比关系，总结出了著名的达西定律即：Qkfh(2-1)L式中：Q为单位时间渗流量，f为过水断面面积，h为总水头损失，L为渗流路径长度，k为渗透系数。达西渗流的形式通常表示为一条过原点的直线，即流速与压力梯度为线性关系。多年来基于达西定律建立的经典渗流理论逐步发展完善。人们一直沿用这一著名的公式作为水力渗流的基本规律，它被广泛地运用于工程技术领域如水利工程、油气田开发工程、土木工程等。1863年，法国水利工程师Dupuit以达西定律为基础，研究了一维稳态渗流问题，并且得到了圆形水层中心一口完善井的稳定流动产水量公式。Dupuit稳定潜水井流方程[12]：h02hw21.3666Kh02hw2(2-2)QπK㏒R㏑Rrwrw式中：Q为抽水流量；h0为含水层外边界处水位（从隔水底板算起）或渗流厚度；hw为井中水位（从隔水底板算起）；R为圆柱形含水层的半径（圆岛半径）；rw为井的半径；K为含水层渗透系数。Dupuit稳定承压井流方程[12]：3水文地质理论及工程应用Q2πT(H0Hw)2.73Tsw(2-3)㏑R㏒Rrwrw式中：Q为抽水井涌水量；H0为圆柱形含水层外侧水头； Hw为抽水井中的水头；R为圆柱形含水层的半径； rw为井的半径；K为含水层渗透系数。1889年，俄国数学力学家茹科夫斯基导出稳态渗流偏微分方程。 现在一般将[13]稳态渗流分为线性系统、径向系统、球形系统三种情况考虑 ：2p0(2-4)x2径向系统：2p1p(2-5)x2r0x球形系统：2p2p(2-6)x2r0x式中：p为某一点压力；r为引入极坐标后半径rx2y2（径向系统中）；rx2y2z2（球形系统中）。1901年，法国学者Forchheimer研究了非线性渗流问题，给出了压力梯度与流量之间著名的Forchheimer二项式[12]：Javbv2(2-7)式中：J为水力坡度；v渗透流速；a、b为经验系数（由试验确定）。1904年，法国人Boussinesq导出了潜水流动的Boussinesq微分方程[12]：(Kh h)Wμh (2-8)dx x t式中：W为潜水面处单位水平面积，单位时间的入渗 /蒸发量；μ为重力给d水度；K为含水层渗透系数； h表示含水层x点与x x点之间水头，是关于时间t的函数。1922-1930年，苏联学者巴甫洛夫斯基首先提出用雷诺数（雷诺数是流体力4水文地质理论及工程应用学中表征粘性影响的相似准则数，记作 Re：Re=ρvL/μ(2-9)式中：ρ，μ为流体密度和动力粘度， v，L为流场的特征速度和特征长度作为达西定律应用判断准则，并创立了水电相似模拟方法，也称爱格达法 [14]。1928年，Meinzer指出含水层和水可以压缩并具有弹性能。20世纪30年代，地下不定常渗流理论萌生， Huskat、Muskat和列宾宗等人做了较多的前期工作，不定常渗流理论的产生标志着渗流理论的发展成型。2.2渗流理论的发展阶段1942年，Buckley和Leverett提出了水驱油非活塞式两相驱替理论；并得到Buckley-Leverett方程[16]：dxqdfw(Sw)(2-10)dtswAdSw式中：q为同一时刻通过两相区任意截面上的油水总量；为地层孔隙度；A为地层截面积；fw为含水率，是含水饱和度Sw的单值函数；Sw为水相饱和度。1942-1945年，苏联院士科钦娜完成了 Blozmann变换方法求解点源不定常渗流问题。1946年，苏联学者谢尔加乔夫发表了弹性液体在可压缩多孔介质中的渗流理论。1949年，vanEverdingen和Hurst采用Laplace变换方法求解圆形油藏水侵问题的不定常渗流控制方程。1960年，Barenblatt提出了双重介质渗流的数学模型，揭开了多重介质渗流理论研究的序幕[17]。5水文地质理论及工程应用图2-1Barenblatt双重介质渗流数学模型1963年，Warren和Root在Barenblatt渗流模型的基础上进一步简化和发展， 提出了经典的双重介质模型，在该模型中基质被三组相互垂直的裂缝所切割，成为蜂窝状的地质块体[15]，并给出了点源近似解：图2-2Warren-Root双重介质渗流数学模型20世纪40年代末至70年代初，地下不定常渗流的基础理论得到全面发展及初步应用。20世纪70年代初至80年代中期，数学理论在数学建模、计算模拟、应用方法等方面取得了显著成就。20世纪70年代初至80年代末，电子计算机和高精度测量仪器的发展、 应用数学的发展、能源开发中某些工程领域的发展都促进了地下渗流的发展和繁荣。20世纪80年代中期至90年代以来，渗流的发展走向多元化，如水平井三维渗流理论研究的深入、分型理论应用于多孔介质描述和不稳定渗流过程、 精细地质建模和油藏数值模拟的结合等。2.3现代渗流理论发展6水文地质理论及工程应用近年来，由于生产技术的迅猛发展，建立在达西定律基础上的古典渗流理论已经远远不能解决一些迫切而复杂的新问题， 同时古典渗流理论在定量计算中也与实际情况有很大误差，因此近几十年来陆续提出了新的理论和方法， 将传统的渗流理论与新兴科学融合起来，加速了渗流理论现代化进程。渗流应用范围也日益宽广。现代渗流发展主要在非牛顿流体方向[18-19]；非连续介质方向[20]；物理化学渗流[16,19]；微观渗流[21-29]；流固耦合[30-38]等方向发展。地下水渗流3.1地下水渗流基本理论3.1.1达西定律方程1856年达西通过大量试验研究得出砂土类孔隙介质的渗流能量损失与渗流速度之间呈线性正比关系，总结出了著名的达西定律即：vkh(3-1)L式中：h为总水头损失，L为渗流路径长度，k为渗透系数。3.1.2稳定渗流连续性方程渗流的连续性方程可以根据不可压缩流体的质量守恒原理加以证明 [39]，在渗流场中某一单元内水的质量增减速率等于单元体内水的质量随时间的变化速率。以图3-1为例[40]。7水文地质理论及工程应用图3-1 三维渗流单元体模型单元体的变长为dx、dy、dz，沿坐标轴方向的渗流速度分量为 vx、vy、vz，设流体密度为 ρ，通过x轴方向进入单元的水体质量速率为 ρvdydz，流出单元xρv体的水体质量速率为 ρv xdx dydz，则x轴方向的流入与流出的质量的速xx率之差为：ρv(3-2)xdxdydzx同理可得沿y轴和沿z轴的质量的速率之差为：ρv(3-3)ydxdydzyρv(3-4)zdxdydzz最后得到流体流入和流出质量速率之差，即水体的质量积累速率：ρvρvρv(3-5)xyzdxdydzxz根据质量守恒原理，它等于单元体内水的质量改变速率，即：8水文地质理论及工程应用ρvxρvρvzdxdydz(ρndxdydz)(3-6)yxyzt式中：(ρndxdydz)nρVρVnnVρ；n为土体空隙率；Vdxdydz。tttt这三项分别表示土体骨架颗粒、 空隙体积及流体密度改变率。前两项是土颗粒有效应力的表现，第三项是流体产生的压力。假设土和水都是不可压缩时，上式可简化为：vxvyvz0(3-7)xyz上式为不可压缩流体渗流时的连续性方程。说明在任意时刻的单位流速的改变率的代数和为零，单元体在一个方向的改变必须与其他方向的改变想平衡。将达西定律：vxkxhxvykyh(3-8)yvzkzhz带入式（3-7）中，则得到稳定渗流的连续性方程：(kxh)y(kyh)z(kzh)0(3-9)xxyz式中：k为渗透系数；h为水头。对于自由面变动的非稳定渗流， 不考虑土体和水的压缩性，所得出的方程与稳定渗流方程完全相同，但是考虑自由面发生改变的边界条件求解出来的水头h的分布是空间坐标和时间的函数，而稳定渗流方程式求解的只是空间坐标的函数。3.1.3定解条件渗流的发生都是在某一特定的流场中， 渗流方程的定解条件即边界条件和初始条件，通常这些条件是由观测和实验所确定。 渗流的微分方程和给出的定解条件能清楚地描述流场而形成渗流网的数学模型。一般存在两类边界条件：第一类边界条件：9水文地质理论及工程应用这类边界条件也被称为水头边界条件，在这类边界上，所有水头都是已知的，是最常见的情况。在自由水面上，水头等于垂直坐标，即 h=z，属于这一类边界条件。这类水头边界条件可表述为：h1H1(x,y,z,t)(3-10)式中： 1为已知水头边界的集合。第二类边界条件：这类边界也称为流量边界条件，这类边界条件上的流量是已知的，这类边界条件可表述为：kh2vn(3-11)n式中：2为已知流速边界的集合，在自由水位面上，对于稳定渗流，它也是一条流线kh20，所以自由水位面满足两类边界条件。n3.1.4有效应力原理及固结理论1923年由Terzaghi在研究土力学时提出了有效应力的概念，即土中某点总应力等于该点有效应力与空隙压力 （包括空隙水压力与空隙气压力） 之和。并提出只有有效应力才是控制土体体积与强度两者变化的土中应力。之后又在此基础上提出了关于饱和土体的固结理论，将土的本构方程和渗流定律结合起来，通过土体压缩系数指标及土的本构方程描述应力变化与土体变形间的关系：2uu(3-12)cvtz2式中：c为土的竖向固结系数； u为单元体中的超孔隙水压力， u hγ。v w但Terzaghi固结方程没有计入水平向的孔隙压力消散，所获结果也只是近似的。接着1954年，Biot以饱和土体的全应力和孔隙压力为状态变量，将Terzaghi的工作推广，得出三维固结理论：10水文地质理论及工程应用G2usGx(usvsws)u012vxyzxG2vsGx(usvsws)u012vxyzy(3-13)2sGusvswsu'Gw(12vxy)zxz(usvsws)k2u0txyzγw式中：G为剪切模量；v为泊松比；2222；us，vs，ws分x2y2z2别为x，y，z方向的位移；k为渗透系数； w为水的重度；u为超静水压力；u、x、u分别为x、y、z方向上的渗透力。yz该理论能够很好的考虑孔隙水压力的消散和骨架变形间的相互关系，成为孔隙介质与流体耦合作用理论研究基础—Biot理论[30-31]，该理论考虑了孔隙水渗流对多孔介质土体变形的耦合作用。3.1.5土水势理论土水势是衡量土中水能量的重要指标，是在岩土和地下水的平衡系统中，单位数量的水在恒温条件下，移动到参照状况的纯自由水体所能做的功。参照状况一般使用标准状态，即在大气压下，与土中的水具有相同温度的情况下或某一特定温度下，在某一固定高度的假想纯自由水体。在饱和带中，土水势大于参照状态的水势；在非饱和带中、地下水受毛细作用和吸附力的限制，土水势低于参照状态的水势[41]。土水势由若干分势组成，包括重力势、压力势、基质势、溶质势、荷载势等。因此，土水势可表示如下：ψψgψψψpψ......(3-14)mθΩ式中：ψ为土水势，即土中水的总势能；ψ为重力势；ψ为基质势；ψ为gmθ溶质势；ψp为压力势；ψΩ为荷载势。在不同条件下水土势由各不同的分量组成 [39]。采用的单位不同，可以有三11水文地质理论及工程应用种表示方法[42]。如果是单位质量水的能量，可表示为 KN m也即是焦耳：ψmghgh(3-15)m式中：m为水的质量；g为重力加速度；h为水对位置相对于参照面的高度。如果是单位体积水的能量，可表示为KPa：mghρgh(3-16)ψwv式中：v为水的容积；ρ为水的密度。w如果是单位重量水的能量则可表示为 m：ψmghh(3-17)mg下面将水土势均以单位质量水的能量表示。1）重力势：ψ zγ (3-18)g w式中：z为相对于某基准面的竖向距离， 在基准面上取正值，在之下取负值；γ为水的容重。w2）压力势：它由水受到的压力所决定，又可分为静水压力势、渗流压力势、超静水压力势也称为荷载势（在荷载势中单独说明）。某点的压力势能可以与改点连通的测压管中水位确定。ψ hγ (3-19)p w式中：h为测压管高度。3）基质势：基质势又称为广义毛细势，主要是由气水界面的收缩膜，即表面张力引起的。较干燥的固体颗粒与自由水接触时，将吸引自由水到干土中来，说明较干的土有较低的土水势。平衡状态时土体内不同高度处的含水量是不同的，不同含水量的非饱和土对应不同的基质势。基质势是一种负压力势。并且只存在于非饱和土中。ψ hγ (3-20)m w式中：h为某点到潜水面的高度。12水文地质理论及工程应用4）溶质势：溶质势是指可溶盐溶于地下水产生的“溶液”与纯水之间存在的势能差，纯水的溶质势为零，土中水的溶质势为负值。溶质势可以理解为溶质吸力，其大小相当于物理化学中溶液作用于半透膜上的渗透压， 但符号相反。当不存在半透膜时，这一现象并不影响整个土中水的流动， 一般可以不考虑溶质势。5）荷载势：荷载势是由外加荷载或土的自重作用引起的。土体在外加荷载或自重作用下，土体颗粒将发生位移，使孔隙水产生附加孔隙水压力，这种压力就是荷载势。它相当于欠固结饱和土体的自重压力及正常固结土在荷载作用下引起的超静孔隙水压力。在不同场合，土水势各分量的组合是不一样的。例如，对饱和土体来讲，总土水势应包括重力势、压力势、荷载势、溶质势；对于渗透固结问题，因地下水面以下的饱和土体中ψg ψp为常数，不随时间和位置而变（设水位不变） ，而由荷载或自重引起的荷载势 ψΩ，则随时间和空间而变，固结计算就是计算荷载势的变化过程。3.2地下水对边坡岩土体的作用效应3.2.1水对岩土体产生的物理作用地下水对岩土体的物理作用，包括润滑作用、软化和渗透作用、结合水的强化作用等。润滑作用使不连续结构构造面上（如未固结的沉积物及土壤的颗粒表面或坚硬岩石中的裂隙面、节理面和断层面等）的摩阻力减小和作用在不连续结构构造面上的剪应力效应增强，结果沿不连续结构构造面诱发岩土体的剪切运动。这个过程在斜坡受降雨入渗使得地下水位线上升到滑动面以上时体现的尤其显著。地下水对岩土体产生的润滑作用反映在力学上，就是使岩土体的摩擦角减小，摩阻力减小。地下水对岩土体的软化作用表现在对岩土体和岩体结构面中亲水性充填物的物理性状的改变上，土体和岩体结构面中充填物随含水量的变化，发生由固态向塑态直至液态的软化效应。一般在断层带易发生泥化现象，大多数滑坡的滑带土物质属于一些亲水性的粘土或泥状物质，遇水易于软化，是导致滑坡发生的直接诱因。软化作用使岩土体的力学性能大大降低，内聚力和摩擦角值减小。结合水的强化作用。对于包气带土体来说，由于土体处于非饱和状态， 其中13水文地质理论及工程应用的地下水处于负压状态，此时的土壤中的地下水不是重力水，而是结合水，按照有效应力原理，非饱和土体中的有效应力大于土体的总应力，地下水的作用是强化了土体的力学性能，即增加了土体的强度。当土体中无水时，包气带的砂土孔隙全被空气充填，空气的压力为正，此时砂土的有效应力小于其总应力，因而是一盘散沙，当加入适量水后砂土的强度迅速提高。当包气带土体中出现重力水时水的作用就变成了（润滑土粒和软化土体）弱化土体的作用。3.2.2水对岩土体产生的化学作用水通过溶解岩土体的矿物成分、胶结物或使某些成分结晶、沉淀，导致土的孔隙率、土颗粒的排列方式等微观结构发生变化，改变其结构特性而影响岩土体的力学性能[6]。受水化学作用后，岩土体物理力学特征的变化较为复杂，即使是坚硬致密的弱风化基岩，也不可避免地存在着大量微裂隙，水化学溶解长期在裂隙中与矿物颗粒或晶体发生化学反应，使原矿物分解并生成一些新的矿物，而某些新生矿物具有高度的分散性，这种作用逐渐地降低了岩土体的强度。以往，人们对水土的相互作用多集中在物理力学方面，近年来，一些地区发生地基下陷，地基土变黑软化，岩溶地区塌陷等环境地质效应等问题的突出，水土化学作用对土体力学性质的影响日渐为众多学者所重视。3.2.3水对岩土体产生的力学作用在粘性土坡的坡顶附近，可能因土的收缩及张力作用而发生裂缝。 地表水渗入裂缝后，将产生静水压力，它是促使土坡滑动的作用力， 对土坡的稳定是不利的；由于雨水渗入，河水水位上涨或水库蓄水等原因，地下水位抬高，使边坡不透水的结构面上受到静水压力作用， 它垂直于结构面而作用在坡体上， 削弱了该面上所受滑体重量产生的法向应力， 从而降低了抗滑阻力。在基坑土坡中采用明排水或堤岸内的水位急剧下降。 土坡内的水将向外渗流；水在多孔介质的孔隙中流动，会产生浮托力等作用力，浮托力与重力的方向相反， 引起岩土体的有效重量减少，使总的抗滑力减小，从而引发边坡失稳，运动方向朝向临空面。这些都是不利条件。1）静水压力效应：当降雨入渗使岩土空隙为重力水饱和时，水对固体骨架产生一种正应力，其矢量指向空隙壁面，此即空隙水压力，在土体中则为孔隙水14水文地质理论及工程应用压力，统称为静水压力。由于重力水服从静水压力分布规律， 即空隙水压力值由水头决定，地下某点空隙静水压力。地下某点空隙静水压力如下：pwρghrh(3-21)ww式中：ρ为水的密度；g为重力加速度；h为水头高度；rw为水的重度。w2）动水压力效应：地下水在孔隙中渗流时，会对周围骨架产生渗透压力 (或动水压力)，如果其渗透压力矢量方向指向坡外，则将降低坡体上岩土体的稳定性，极可能诱发滑坡。渗流作用在土骨架上的力就是渗透所遇阻力的反作用力，其作用方向与渗流方向一致，故有拖拽土体或土粒向渗流方向前进的趋势。 因而单位体积土体所受的渗透力即为渗透压力：dhρgIfρwg(3-22)w式中：dhdLI为水力坡度。dL由于w1g/cm3，所以渗透压力大小取决于水力梯度的大小。渗透压力普遍作用于渗流场中的所有土粒上， 它由孔隙水压力转化而来，即渗透水流的外力转化为均匀分布的内力或体积力。水力梯度越大，则渗透压力(或动水压力)越大。3）浮托力：库水浸没滑体形成的孔隙水压力或地下水入渗滑体下基岩承压含水层对岩土骨架起浮托作用， 使得地下水对上覆滑体产生顶托作用或 “悬浮减重”，从而消减了通过骨架起作用的有效应力，其关系式为：'(3-23)σσpw'式中：σ为有效应力；σ为总应力。4）增重效应：在结构松散、透水性好的土体中。大气降雨补给入渗土体。导致土体饱水，增加土体自重。增重效应若发生在滑体中，将增大滑坡下滑力，使坡体稳定性变差。在适当的斜坡坡度下滑坡发生滑动。 在西南中低山山区，基岩产状25°~35°，坡体为碎块石土等透水性较强的物质，且覆盖层相对较厚，利于饱水，滑动面为基岩与上覆滑坡体接触面，发生滑坡的可能性极大。5）土体饱水软化效应：土体在地下水的浸泡作用下，粘性土中蒙脱石、绿泥石含量高，其吸附水膜厚度显著增大，从而使土饱水。当总应力一定时，孔隙水压力增加，势必相应地减少有效应力。 将影响岩体的强度和稳定性。 孔隙水压15水文地质理论及工程应用力对岩土体强度的影响，可以用莫尔 -库仑破坏准则反应：τf (σp)tan ' c' (3-24)式中： f为抗剪强度； 为总应力；p为空隙水压力； '为土的有效内摩擦角，充水将导致有效内摩擦角减小； c'为有效粘聚力。渗流理论的应用4.1渗流理论在滑坡防治中的应用滑坡是一种多发常见的地质灾害现象。边坡稳定受到外界多种因素的影响，内部受力状态发生改变，受力不再平衡，促使不稳定体沿着一定的相对软弱面向下滑动的不良地质现象为滑坡。统计表明，我国有新老滑坡约30万处，其中灾害性滑坡约1.5万处。水利、地质矿山、道路桥梁等工程领域都存在着边坡稳定性问题，我国每年因滑坡造成的经济损失达100亿元以上，边坡工程的研究对国民经济建设有着重要的影响。影响边坡稳定的多种影响因素不是单独存在的，对于存在地下水等渗流问题的边坡，渗流场与应力场是同时存在，边坡是在它们的耦合作用下发生变形而导致的失稳。在现实中，渗流、路堤边坡等的开挖、地震、库水位的升降、暴雨及河流冲刷河岸等都有可能引起滑坡。一般地，边坡坍塌和滑坡等地质灾害的发生，同坡体地下水渗流场动态特征和变化规律具有密切关系，据以往的统计，由地下水导致的边坡破坏占总的约有90%[50]。因此大气降雨[44-46]及水库蓄水等对地下水渗流场构成大的影响事件，往往会引起一系列边坡失稳灾害，如福建省省道福三线雁石至白砂段共长约20公里，1998年底通车，1999年雨季(三、四月份)即有数十处边坡坍塌及滑坡灾害，严重影响线路正常运营并造成较大财产损失，被迫又进行防滑加固等工程处理。水库诱发的滑坡亦十分普遍，如1963年发生的意大利瓦依昂(Vaiont)水库左岸大滑坡，举世震惊。福建尤溪河上水库蓄水和降落，造成库岸多处新修公路部分坍滑入库中，危及正常交通等。这些事例表明渗流场的变化对边坡的稳定具有严重作用和影响。对于边坡稳定性评价，必须先对边坡渗流场的变化进行充分的了解，在此基础上，才能正确分析边坡的稳定状况，为其16水文地质理论及工程应用稳定性评价和治理工程措施的实施提供坚实基础。习惯上滑坡计算中是以周边表面上孔隙水压力计算的垂直条分法。在计算中根据静力学原理把滑动土体分离成若干土条或单元的自由体，各自由体之间的内力变成彼此相等的外力；当各自由体累加合成整体时，还原的土条单元之间内力互相抵消，可只考虑滑裂面上力的平衡。可是渗流的动力作用在各单元自由体再累加集合起来并不能互相抵消。土力学家曾对土条单元之间的侧压力作了各种不同的假定；例如瑞典圆弧法不计土条间压力，毕肖普法只考虑土条间水平压力，江布法假设推力线法，莫根斯坦假定函数关系的侧压力法，司喷色假定常数比值侧压力法等。但经过典型实例计算比较结果，其安全系数差别很小，最大差7%，一般差2%；可能就是土条间内力基本上互相抵消的原因。同时如果考虑渗流不当例如上述静、动水压力问题，在某些渗流严重情况下。滑坡安全系数就会发生百分之几十的误差。但如果把边界水压力改为体积力的渗透力，自然就不存在这个边界力误差问题了。有鉴于此，毛昶熙[43]等提出了采用渗透力算法，将渗流力学理论在滑坡计算中应用。这样在滑动面上求极限平衡即得出下面圆弧滑动的安全系数公式为：R(cl'(Zcos'Xsin')tan')(4-1)(ZrsinX(2rcosRcos'))式中：X，Z为三角形单元的体积力（有效自重，渗透力及地震力）的水平和垂直分量；R为滑弧半径；r为计算单元重心的半径距；为其半径距与铅垂线所成的角度；'为单元正下方滑动面上交点的半径与铅垂线所成的角度。渗流饱和区都取土体浮重，非饱和区取自然重，外水压力不计。在多个实例中[47]也证明将渗透力算法应用到滑坡分析中，计算滑坡稳定系数是可靠合理的。4.2渗流理论在管涌防治中的应用Terzaghi在1922年做板桩围堰防渗砂模型试验时，把下游土体砂面被渗流水头顶起浮动的现象称为管涌。随后，它就代表着地基土的渗透变形总称了 [48]，而且引导出渗流向上顶托土体破坏的渗流临界坡降太沙基公式：Jc(s1)(1n)(4-2)17水文地质理论及工程应用式中：s为土粒比重；n为孔隙率。经过前苏联学者研究，进而把土的渗透变形类型区别为管涌、 流土、接触冲刷和接触流土4种，将管涌定义为细颗粒在渗流作用下沿着骨架颗粒孔隙道的移动或流失，而流土定义为局部土体或颗粒群体被渗流冲动流失， 这样太沙基的管涌临界坡降公式也就相当于流土类型的破坏了。 我国在试验研究方面多把管涌与流土区别开来，在工程实际常把堤坝下游冒水涌砂现象统称为管涌现象。毛昶熙等人提出渗流垂直向上的管涌临界坡降的计算公式 [41,49]：7d54pf(1n)2Jc(4-3)df式中：df为填料粒径；df1.3d85d15；pf为相应于df的填料重量百分数，要在土料级配曲线上查得；n为土料空隙率；因此，只要有了土料级配曲线和密实度或孔隙率，就可算出管涌的临界坡降。此外，在应用上式计算过程的同时，也就从括号中的判据确定了是否为管涌土，即4pf(1n)小于1时为管涌土，此时Jc计算值在0.1~0.6；大于1时为非管涌土，此时Jc计算值为0.6~0.9，其破坏形式将是局部流土，即局部土体浮动隆起造成土面松动裂缝而破坏。此时可取Terzaghi传统理论公式计算 Jc 1，计算临界坡降。对于渗流水平管涌的临界坡降，毛昶熙提出采用 [49]：2(Jc)水平 （Jc）垂直 (4-4)3结语通过学习水文地质理论及工程应用这门课程，以及查阅相关资料的基础上，本文归纳了部分相关知识点。土中水的渗流使大气降水补给地下水或增加土壤含水量，是地球生命的源泉之一。同时也使宝贵的水资源得以储存， 使大地充满生机。可是渗流也会引发诸多严重的工程问题。 例如挡水和输水建筑物及构造物的渗漏问题；高层建筑深基坑的渗流问题； 采矿与石油工程中的渗流问题； 有毒生活和工业废水的排放通过土的渗流引起的地下水污染的问题等。 这些诸多问题的18水文地质理论及工程应用产生说明了研究渗流理论的重要性， 同时这些问题也促进了从微观到宏观， 从物理化学到力学，从理论分析到数值计算的对渗流问题的深入研究， 同时渗流理论的研究有为解决这些工程问题提供了行之有效的措施。 通过此次写论文，让我更加深入的理解了以上的知识点和相关的概念， 对水文地质理论及工程应用这门课程相关知识点有了更进一步的认识。19水文地质理论及工程应用参考文献张克恭，刘松玉．土力学[M]．北京:中国建筑工业出版社，2010．[2] 郭尚平，刘慈群，阎庆来，黄延章．渗流力学的近况和发展 [J]．力学与实践， 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