第二章 土的渗透性及渗流

第二章土的渗透性及渗流第1页，课件共39页，创作于2023年2月重点及难点：第二章土的渗透性及渗流土体渗透的基本概念；达西定律；渗流系数测定；影响渗流的因素；流土和管涌现象。第2页，课件共39页，创作于2023年2月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第一节概述一、渗透的基本概念碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动能量差第二章土的渗透性及渗流水在土体孔隙中透过的现象渗透性土体具有被液体透过的性质渗透渗流液体在土空隙或其它透水性介质中的流动第3页，课件共39页，创作于2023年2月渗透力土中的渗流对土颗粒施加上的作用力渗流量渗透变形当渗流力过大时就会引起土颗粒或土体的移动，产生渗透变形，甚至渗透破坏透水层不透水层基坑板桩墙二、渗透现象和问题2.1板桩围护下的基坑渗流第一节概述第4页，课件共39页，创作于2023年2月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2.2土石坝坝身及坝基中的渗流土坝蓄水后水透过坝身流向下游第一节概述第5页，课件共39页，创作于2023年2月渗流量透水层不透水层天然水面2.3水井渗流漏斗状潜水面第一节概述第6页，课件共39页，创作于2023年2月渗流量原地下水位渗流时地下水位2.4渠道渗流第一节概述第7页，课件共39页，创作于2023年2月2.5渗流滑坡渗流造成变形第一节概述第8页，课件共39页，创作于2023年2月ABL透水层不透水层基坑板桩墙第二节土的渗透性一、渗流的基本概念1.1渗流中的水头差和水力梯度水在土中的渗流就是由于水头差引起的第9页，课件共39页，创作于2023年2月ABLh1h2zAzBΔh00基准面水力梯度线总水头－单位质量水体所具有的能量（m）z：基准面高程V2/(m/s)：流速水头≈0A点总水头：B点总水头：总水头：水力梯度：1.1渗流中的水头差和水力梯度P：水压（kPa）γw：水的重度（kN/m3)第10页，课件共39页，创作于2023年2月二、渗透试验与达西定律试验前提：层流Δh↑，q↑A↑，q↑L↑，q↓断面平均流速水力坡降2.1渗透试验试验结果试验装置：如图试验条件:

h1，A，L量测变量:

h2，V，tΔh=h1-h2q=Q/t（单位时间渗出水量）概念：达西定律指层流条件下，反应土中水渗流速度与能量（水头）损失之间关系的渗流规律第11页，课件共39页，创作于2023年2月2.2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Vr：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A>Arq＝VA＝VrArk:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力梯度i＝1时的渗流速度单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day2.渗透试验与达西定律第12页，课件共39页，创作于2023年2月①土中水的渗流处于层流状态vioib④密实粘土：i>ib,v=k(i-ib)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梯度的规律还偏离达西定律而呈非线性关系。Ib为开始发生渗透时的水力梯度，即初始水力梯度2.渗透试验与达西定律2.3达西定律适用范围③砾石类土中的渗流不符合达西定律ivovct②适于大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土，渗流速度与水力梯度呈线性关系vio第13页，课件共39页，创作于2023年2月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二、土的渗透性2.4渗透系数K的测定2.渗透试验与达西定律第14页，课件共39页，创作于2023年2月室内试验方法1—常水头试验法结果整理试验装置：如图试验条件:

Δh，A，L量测变量:

Q，ti=Δh/Lq=Q/t=kAiv=ki适用土类：透水性较大的砂性土2.4渗透系数K的测定2.渗透试验与达西定律第15页，课件共39页，创作于2023年2月室内试验方法2—变水头试验法试验装置：如图试验条件:

Δh变化，A，L量测变量:

Δh

，t变水头法仅适用于：透水性较小的粘性土2.4渗透系数K的测定2.渗透试验与达西定律第16页，课件共39页，创作于2023年2月tt+Δt室内试验方法2—变水头试验法结果整理:理论依据:t时刻：ΔhΔtdhdQ=-adhdQ=kiAdt=k(Δh/L)Adt流入量=流出量流入量：流出量：连续性条件：-adh=k(Δh/L)Adt选择几组h1,h2,t，计算相应的k，取平均值2.4渗透系数K的测定h1hh2第17页，课件共39页，创作于2023年2月常水头试验变水头试验条件已知测定算定取值Δh不变Δh变化Δh，A，LQ，t重复试验后，取均值a，A，Lh1h2，t室内试验方法不同时段试验，取均值适用透水性较大的砂性土透水性较小的粘性土2.4渗透系数K的测定2.渗透试验与达西定律二、土的渗透性第18页，课件共39页，创作于2023年2月

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：2.4渗透系数K的测定第19页，课件共39页，创作于2023年2月3.影响渗透系数的因素①.土粒大小与级配

一般土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，K值就越大，但粗粒中含有细粒时，随细粒含量增加，K值急剧下降，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

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，即K值减小。③.土的饱和度

一般情况下，土的饱和度越低，K值愈小。第20页，课件共39页，创作于2023年2月⑤.水的温度

④.土的结构：细粒在天然状态下具有复杂的结构，结构一旦受扰动，原有的过水通道的形状及其分布就会发生改变，因而K值就不同。扰动土样与击实土样的K值通常比同一密度的原状土的K值要小。

动力黏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。

T、

20分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数，可查表；K20和KT为T℃和20℃时土的渗透系数3.影响渗透系数的因素⑥.土的构造：若在黏性土层中有很薄的砂土夹层的层理结构，会使土在水平方向上的K值比垂直方向的K值大许多倍。第21页，课件共39页，创作于2023年2月4.层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的km考虑渗流方向天然土层多呈层状第22页，课件共39页，创作于2023年2月H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层水平渗流条件:等效渗透系数:qx=vxH=kxiHΣqmx=ΣkmimHm4.成层土的平均渗透系数第23页，课件共39页，创作于2023年2月H1H2H3HΔhk1k2k3xz竖直渗流:v承压水条件:等效渗透系数:4.成层土的平均渗透系数第24页，课件共39页，创作于2023年2月算例

按层厚加权平均，由较大值控制倒数按层厚加权平均，由较小值控制4.成层土的平均渗透系数第25页，课件共39页，创作于2023年2月三、渗透破坏与控制渗透破坏由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部产生移动，导致土体变形失稳，如流砂和管涌由于渗流的作用，使水压力或浮力发生变化，导致土体或结构失稳，如岸坡滑动或挡土墙整体失稳第26页，课件共39页，创作于2023年2月1渗流力：单位体积土颗粒受到渗流作用力称为渗流力试验观察Δh=0静水中，土骨架会受到浮力作用。Δh>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。h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab三、渗透破坏与控制渗透破坏试验示意第27页，课件共39页，创作于2023年2月h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab②水柱上下两端面的边界水压力，γwhw和γwh1①水柱重力1.渗流力GwJ’水柱③设单位土体内渗流力和土粒对水流阻力为J和T（J=T作用与反作用力），则总阻力T’=TLAw，方向竖直向下。由平衡条件：渗流力为一种体积力，单位与γw相同，大小与水力梯度成正比，方向与渗透方向一致。第28页，课件共39页，创作于2023年2月2.流土—在向上渗流力作用下，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流土或流砂，表现为局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动

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三、渗透破坏与控制第29页，课件共39页，创作于2023年2月2.流土—在向上渗流力作用下，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流土或流砂，表现为局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动

三、渗透破坏与控制流土发生的临界状态：流土发生临界状态的水力梯度：工程中利用容许水力梯度设计渗流逸出处水力梯度：第30页，课件共39页，创作于2023年2月3.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，出现塌陷、溃口等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管道，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。一般不均系数Cu大于10才会发生管涌。第31页，课件共39页，创作于2023年2月4.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

流土：①存在使流砂现象发生的临界水力梯度ic，当i<ic土体处于稳定状态，当i>ic，土体发生流土破坏；当i=ic土体处于临界状态；②土不均匀系数越大，ic越小，土中细颗粒含量高，ic增大；土的渗透系数愈大，ic越小。管涌：①一般Cu＞10的土体才会发生管涌；②管涌多发生于砂性土中；③土中粗颗粒所构成的空隙直径必须大于细颗粒；④渗流力能够带动细颗粒在空隙间滚动或是移动是发生管涌的水力条件；⑤如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细粒含量约为30%－35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象第32页，课件共39页，创作于2023年2月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三、渗透破坏与控制第33页，课件共39页，创作于2023年2月三、渗透破坏与控制5.防渗措施5.1防治流土①减小或消除水头差，如采用基坑外的井点降水法；②增长渗流路径，如打板桩；③在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力；④土层加固处理，如冻结法、注浆法。5.2防治管涌①改变水利条件，降低水力梯度，如打板桩；②改变几何条件，在渗流溢出部位铺设反虑层是防治管涌破坏的有效措施第34页，课件共39页，创作于2023年2月5.3.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