第二章土中水的运动规律(确定)

土体中的渗流土颗粒土中水渗流土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动水在土体孔隙中流动的现象称为渗流土具有被水等流体透过的性质称为土的渗透性§2.1概述第二章土中水的运动规律当前第1页\共有63页\编于星期三\8点碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流水在土体孔隙中流动的现象渗透性土体被水透过的性能渗透特性强度特性变形特性能量差§2.1概述第二章土中水的运动规律当前第2页\共有63页\编于星期三\8点渗漏

(渗流量问题)

因渗透而引起的水量损失，影响闸坝蓄水等经济效益。如：坝、围堰、水库、集水建筑物等。

渗透稳定(渗透变形问题):

土的稳定性受到渗流破坏，土体颗粒流失，关系工程成败。如：水工建筑物地基、挡水建筑物等。渗流控制问题：

当渗流量或渗透变形不满足设计要求时，要研究如何采取工程措施进行渗流控制。土的渗透性研究主要包括以下三个方面渗流模型：

1、不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；

2、不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之和均为渗流所充满。§2.1概述第二章土中水的运动规律当前第3页\共有63页\编于星期三\8点滑坡当前第4页\共有63页\编于星期三\8点溃坝当前第5页\共有63页\编于星期三\8点管涌当前第6页\共有63页\编于星期三\8点§2.1概述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第二章土中水的运动规律当前第7页\共有63页\编于星期三\8点§2.1概述渗水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第二章土中水的运动规律当前第8页\共有63页\编于星期三\8点§2.1概述渗流量透水层不透水层天然水面水井渗流漏斗状潜水面Q第二章土中水的运动规律当前第9页\共有63页\编于星期三\8点§2.1概述渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流第二章土中水的运动规律当前第10页\共有63页\编于星期三\8点§2.1概述渗流滑坡渗流滑坡第二章土中水的运动规律当前第11页\共有63页\编于星期三\8点§2.1概述渗流量渗透变形渗水压力渗流滑坡土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网渗透力与渗透变形土坡稳定分析挡水建筑物集水建筑物引水结构物基坑等地下施工边坡渗流第二章土中水的运动规律当前第12页\共有63页\编于星期三\8点水头与水力坡降土的渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素层状地基的等效渗透系数土的渗透性与渗透规律渗流的驱动能量反映渗流特点的定律土的渗透性一维渗流计算第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律

当前第13页\共有63页\编于星期三\8点位置水头：到基准面的竖直距离，代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能压力水头：水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能测管水头：测管水面到基准面的垂直距离，等于位置水头和压力水头之和，表示单位重量液体的总势能在静止液体中各点的测管水头相等位置、压力和测管水头zA00ABu0pazB基准面静水第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律

当前第14页\共有63页\编于星期三\8点水流动的驱动力水往低处流水往高处“跑”速度v压力u位置：使水流从位置势能高处流向位置势能低处流速：水具有的动能压力：水所具有的压力势能也可使水流发生流动第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律

当前第15页\共有63页\编于星期三\8点位置势能：mgz压力势能：00基准面质量m压力u流速vz动能：总能量：称为总水头，是水流动的驱动力单位重量水流的能量：水流动的驱动力-水头第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律

当前第16页\共有63页\编于星期三\8点渗流中的水头与水力坡降ABL透水层不透水层基坑板桩墙渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程、动量方程第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律

当前第17页\共有63页\编于星期三\8点ABLhAzA基准面总水头：单位重量水体所具有的能量位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力）流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）渗流的总水头：渗流问题的水头也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律

当前第18页\共有63页\编于星期三\8点A点总水头：水力坡降ABLhAhBzAzBΔh基准面水力坡降线B点总水头：二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失

水力坡降i：单位渗流长度上的水头损失第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律

当前第19页\共有63页\编于星期三\8点§2.2土的渗透试验和达西定律

一．Darcy定律二．Darcy定律的适用范围三．渗透试验简介水在土中渗透的基本规律四．影响渗透系数的因素第二章土的渗透性五．层状地基的等效渗透系数当前第20页\共有63页\编于星期三\8点h1h2L§2.2土的渗透试验和达西定律

一.Darcy定律Darcy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。k:

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i＝1时的渗流速度单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day水力坡降：第二章土中水的运动规律当前第21页\共有63页\编于星期三\8点§2.2土的渗透试验和达西定律

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>AvQ＝VA＝VsA第二章土中水的运动规律当前第22页\共有63页\编于星期三\8点§2.2土的渗透试验和达西定律

二.达西定律适用条件上限：粗粒土v>vcr①砾石类土中的渗流不符合达西定律②砂土中渗透速度vcr=可以用粒径来描述Darcy定律的范围ivovcrivoi0层流（线性流）——大部分砂土，粉土；疏松的黏土及砂性较重的黏性土

两种特例下限：黏性土(结合水膜的影响）致密的黏土i>i0,v=k(i-i0

)第二章土中水的运动规律当前第23页\共有63页\编于星期三\8点室内试验测定方法野外试验测定方法§2.2土的渗透试验和达西定律

常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验三.渗透试验简介

第二章土中水的运动规律当前第24页\共有63页\编于星期三\8点§2.2土的渗透试验和达西定律

1.室内试验方法1—常水头试验法结果整理试验装置：如图试验条件:

Δh，A，L=const量测变量:

Q，t适用土类：透水性较大的砂性土三.渗透试验简介

第二章土中水的运动规律当前第25页\共有63页\编于星期三\8点§2.1土的渗透试验和达西定律

2.室内试验方法2—变水头试验法试验装置：如图试验条件:

Δh变化，A，L=const，a量测变量:

Δh

，t透水性较小的黏性土常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土

三.渗透试验简介

土试料的透水量=测压管中水下降的体积第二章土中水的运动规律当前第26页\共有63页\编于星期三\8点tt+Δt§2.2土的渗透试验和达西定律

结果整理:理论依据:t时刻：

ΔhΔtdh流入量：流出量：连续性条件：选择几组Δh1,

Δh2,t，计算相应的k，取平均值三.渗透试验简介

渗水量随h的减小而增加第二章土中水的运动规律当前第27页\共有63页\编于星期三\8点§2.2土的渗透试验和达西定律

常水头试验变水头试验条件已知测定算定取值Δh=constΔh变化Δh，A，LQ，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t3.室内试验方法不同时段试验，取均值适用粗粒土黏性土三.渗透试验简介

第二章土中水的运动规律当前第28页\共有63页\编于星期三\8点4.

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§2.2土的渗透试验和达西定律

地下水位≈测压管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层观察井A=2πrhi=dh/dr缺点：费用较高，耗时较长实验方法：理论依据：三.渗透试验简介

第二章土中水的运动规律当前第29页\共有63页\编于星期三\8点§2.2土的渗透试验和达西定律

5.渗透系数的应用

通过室内渗透试验（常水头、变水头）测定。渗透系数可用做判断透水强弱，选择坝体填筑土料。强透水层中等透水层相对不透水层K>10-2cm/sK=10-3~10-5cm/sK<10-6cm/s卵石、圆砾等用于填筑坝体的防渗部位。三.渗透试验简介

第二章土中水的运动规律当前第30页\共有63页\编于星期三\8点各种土的渗透系数参考值各种土的渗透系数及测定方法§2.2土的渗透试验和达西定律

第二章土中水的运动规律当前第31页\共有63页\编于星期三\8点影响因素粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构§2.2土的渗透试验和达西定律

四.渗透系数的影响因素水的动力黏滞系数饱和度（含气量）—对k影响很大，封闭气泡第二章土中水的运动规律当前第32页\共有63页\编于星期三\8点是土中孔隙直径大小的主要影响因素因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此，土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如哈臣公式：土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律

四.渗透系数的影响因素当前第33页\共有63页\编于星期三\8点是单位土体中孔隙体积的直接度量对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数k之间的关系，如：土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律

四.渗透系数的影响因素当前第34页\共有63页\编于星期三\8点对黏性土，影响颗粒的表面力不同黏土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石>伊里石>蒙脱石；当黏土中含有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律

四.渗透系数的影响因素当前第35页\共有63页\编于星期三\8点影响孔隙系统的构成和方向性，对黏性土影响更大在宏观构造上，天然沉积层状黏性土层，扁平状黏土颗粒常呈水平排列，常使k水平﹥k垂直在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律

四.渗透系数的影响因素当前第36页\共有63页\编于星期三\8点饱和曲线含水量wWop干容重dmax1含水量w渗透系数k絮状结构分散结构土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律

四.渗透系数的影响因素当前第37页\共有63页\编于星期三\8点水的动力粘滞系数：温度，水粘滞性，k饱和度（含气量）：封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律

四.渗透系数的影响因素当前第38页\共有63页\编于星期三\8点等效渗透系数确立各层的ki根据渗流方向确定等效渗流系数§2.2土的渗透试验和达西定律天然土层多呈层状五.层状地基的等效渗透系数第二章土中水的运动规律当前第39页\共有63页\编于星期三\8点H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL五.层状地基的等效渗透系数§2.2土的渗透试验和达西定律1122不透水层水平渗流条件:等效渗透系数:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi第二章土中水的运动规律当前第40页\共有63页\编于星期三\8点H1H2H3HΔhk1k2k3xz五.层状地基的等效渗透系数§2.2土的渗透试验和达西定律竖直渗流:v承压水条件:等效渗透系数:vi=ki(Δhi/Hi)第二章土中水的运动规律当前第41页\共有63页\编于星期三\8点水平渗流情形垂直渗流情形条件已知等效推定§2.2土的渗透试验和达西定律五.层状地基的等效渗透系数第二章土中水的运动规律当前第42页\共有63页\编于星期三\8点算例说明

§2.2土的渗透试验和达西定律按层厚加权平均，由较大值控制倒数层厚加权平均，由较小值控制五.层状地基的等效渗透系数第二章土中水的运动规律当前第43页\共有63页\编于星期三\8点水平成层土的平均渗透系数将取决于最透水土层的厚度和渗透性垂直成层土的平均渗透系数将取决于最不透水土层的厚度和渗透性§2.2土的渗透试验和达西定律第二章土中水的运动规律当前第44页\共有63页\编于星期三\8点§2.3渗透力和渗透破坏

一、渗流作用下土的应力状态（一）静水条件下土的有效应力与中性应力1、总应力作用在截面上水柱和土的重量为：

a点的应力：

2、中性应力a点孔隙内的水所具有的静水压力为：

§2.3渗透力和渗透破坏第二章土中水的运动规律当前第45页\共有63页\编于星期三\8点3.有效应力§2.3渗透力和渗透破坏a点除了作用有孔隙水压力外，还有土颗粒之间传递的有效应力，它直接由土颗粒的接触点传递压力，完全作用在土体骨架上而影响骨架土粒的结构变形，故称为有效应力。第二章土中水的运动规律当前第46页\共有63页\编于星期三\8点（二）渗流作用下土的有效应力§2.3渗透力和渗透破坏水通过土层向下渗流水通过土层向上渗流1、水通过土层向下渗流水面,保持不变动水压力总应力

有效应力

渗流作用铅直向下时，能使土的有效应力增加。2、水通过土层向上渗流渗流作用铅直向上时，则渗流引起的孔隙水压力可使土的有效应力减小，影响土的渗透稳定。第二章土中水的运动规律当前第47页\共有63页\编于星期三\8点二.渗透力和渗透变形试验观察h=0静水中，土骨架会受到浮力作用。h>0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h1hh222hwL土样滤网贮水器ab§2.3渗透力和渗透破坏111.渗透力第二章土中水的运动规律当前第48页\共有63页\编于星期三\8点h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab土粒渗流j§2.3渗透力和渗透破坏1.渗透力第二章土中水的运动规律当前第49页\共有63页\编于星期三\8点h200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1W=Lγsat＝L(γ’+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh2R=?R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ’+γw)+γwhw

R=γ’L土水整体分析§2.3渗透力和渗透破坏1.渗透力第二章土中水的运动规律当前第50页\共有63页\编于星期三\8点h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1W=Lγsat＝L(γ’+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh1R=?R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ’+γw)+γwhw

R=γ’L－γwΔhR=γ’L渗流中的土体§2.3渗透力和渗透破坏1.渗透力第二章土中水的运动规律当前第51页\共有63页\编于星期三\8点h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1R=γ’L－γwΔhR=γ’L渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少减少的部分由谁承担？水与土之间的作用力－渗流的拖曳力总渗透力J=γwΔh渗透力j=J/V=γwΔh/L=γwij=

γwi§2.3渗透力和渗透破坏1.渗透力第二章土中水的运动规律当前第52页\共有63页\编于星期三\8点1.渗透力§2.3渗透力和渗透破坏渗透力的性质物理意义：渗流作用于单位土体的力（kN/m3），是渗流对土粒的作用力，为体积力。j=γwi大小：方向：与渗流方向一致作用对象：土骨架第二章土中水的运动规律当前第53页\共有63页\编于星期三\8点基本类型2.渗透变形及其基本形式（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件防治措施§2.3渗透力和渗透破坏第二章土中水的运动规律当前第54页\共有63页\编于星期三\8点§2.3渗透力和渗透破坏2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）（1）渗透变形土粒间不存在接触应力，处于即将被浮动的临界状态。当时，土粒被渗流夹带向上浮动。总渗透力：浮重：当时，，

有效应力：

第二章土中水的运动规律当前第55页\共有63页\编于星期三\8点渗流引起的渗透破坏主要有：1.由于渗流力（渗透力）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2.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管涌流砂（或流土）滑坡水库塌岸，岸坡、土坝在水位降落时滑动，挡土墙等结构物失稳在土坡稳定分析中讲引起§2.3渗透力和渗透破坏2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）第二章土中水的运动规律当前第56页\共有63页\编于星期三\8点黏性土k1<<k2砂性土k2坝体（2）基本形式

2.渗透变形及其基本形式（渗透破坏）a流土渗流原因：§2.3渗透力和渗透破坏在渗流作用下，黏性土或无黏性土体中某一范围内的颗粒或颗粒群同时发生流动的现象。下游的土坡局部面积出现被渗流带走并导致坡面出现局部滑动。

当i≥icr时,发生渗透破坏。流砂产生的原因：1.水在土中自下而上渗流

2.J≥W第二章土中水的运动规律当前第57页\共有63页\编于星期三\8点§2.3渗透力和渗透破坏2.渗透变形及其基本形式（渗透破