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1、本章提要 本章特点 学习要点,第三章：土的渗透性和渗流,土的渗透性和渗透规律 平面渗流及流网 渗透力与渗透变形 有严格的理论（水流的一般规律） 有经验性规律（散粒多孔介质特性） 注意对物理概念和意义的把握 注意把握土是散粒多孔介质这一特点,3.1 概述 3.2 土的渗透性与渗透规律 3.3 土中二维渗流及流网 3.4 渗透破坏与控制,第三章：土的渗透性和渗流,3.1 概述,土体中的渗流,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 土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性,3.1 概述
2、,土体中的渗流,对土的渗透问题研究主要包括下述三个方面： 渗流量问题 渗透变形（渗透破坏）问题 渗流控制问题,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,3.1 概述- 渗流问题,防渗体,坝体,渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗透力？,工程实例,板桩围护下的基坑渗流,3.1 概述- 渗流问题,渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗水压力？,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,工程实例,渗流问题： 1. 渗流量Q？ 2. 降水深度？,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,3.1 概述- 渗流问题,渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 地下水影响 范围？,渠
3、道、河流渗流,3.1 概述- 渗流问题,原地下水位,渗流时地下水位,3.1 概述- 渗流问题,降雨入渗引起的滑坡,渗流问题： 1. 渗透力？ 2. 入渗过程？,事故实例,渗流量 扬压力 渗水压力 渗透破坏 渗流速度 渗水面位置,挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基础工程 地下工程 边坡工程,渗透特性 变形特性 强度特性,土的渗透特性,3.1 概述- 土渗流特性,3.1 概述 3.2 土的渗透性与渗透规律 3.3 土中二维渗流及流网 3.4 渗透破坏与控制,第三章：土的渗透性和渗流问题,3.2 土的渗透性与渗透规律,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
4、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,地基的渗透系数,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,3.2 土的渗透性与渗透规律,位置、压力和测管水头,3.2 土的渗透性与渗透规律,水流动的驱动力,水往低处流,水往高处“跑”,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
5、流发生流动,压力势能：,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：,3.2 土的渗透性与渗透规律,水流动的驱动力 - 水头,渗流中的水头与水力坡降,3.2 土的渗透性与渗透规律,A,B,L,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,3.2 土的渗透性与渗透规律,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
6、处,A点总水头：,3.2 土的渗透性与渗透规律,水力坡降,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,达西渗透试验,3.2 土的渗透性与渗透规律,1856 年达西(Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验,或：,其中，A是试样的断面积,达西定律,3.2 土的渗透性与渗透规律,达西定律：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 渗透系数k: 反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i1时的渗流速度，单位： cm/s, m/s, m/day 渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也
7、称假想渗流速度,其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速,达西定律的适用范围,3.2 土的渗透性与渗透规律,适用条件：层流（线性流动）,岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断 ：,Re5时层流 Re 200时紊流 200 Re 5时为过渡区,达西定律的适用范围,3.2 土的渗透性与渗透规律,在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：,两种特例,对致密的粘性土，存在起始水力坡降i0 ？,ii0, v=k(i - i0 ),渗透系数的测定方法
8、,常水头试验法 变水头试验法,井孔抽水试验 井孔注水试验,3.2 土的渗透性与渗透规律,室内试验方法 野外试验方法,室内试验方法-常水头试验法,试验条件: h，A，L=const 量测变量: 体积V，t,适用土类：透水性较大的砂性土,3.2 土的渗透性与渗透规律,室内试验方法-变水头试验法,试验条件:h变化 A，a，L=const 量测变量: h，t,适用土类：透水性较小 的粘性土,3.2 土的渗透性与渗透规律,土样,A,L,Q,水头 测管,开关,a,在tt+dt时段内：,3.2 土的渗透性与渗透规律,室内试验方法-变水头试验法,室内试验方法小结,3.2 土的渗透性与渗透规律,常水头试验,变水
9、头试验,条件,已知,测定,公式,取值,h=const,h变化,h，A，L,V，t,重复试验后，取均值,a，A，L,h，t,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,3.2 土的渗透性与渗透规律,现场测定法抽水试验,试验条件: Q=const 量测变量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？,优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长,3.2 土的渗透性与渗透规律,现场测定法抽水试验,影响孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大 在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得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
10、的透水性,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,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：,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：,对粘性土，影响颗粒的表面力 不同粘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 ；当粘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
11、数,3.2 土的渗透性与渗透规律,土的性质 水的性质 土的构造,粒径大小及级配 孔隙比 矿物成分 结构,渗透系数的影响因素,土的构造因素对k值影响很大，如粘土层最后那个夹薄层砂土，则水平向K值比垂直向K值大很多。,3.2 土的渗透性与渗透规律,渗透系数经验确定方法,洁净的不含细粒土的松砂,对于粘土的渗透系数,3.2 土的渗透性与渗透规律,层状地基的等效渗透系数,等效渗透系数,确立各层土的ki 根据渗流方向确定等效渗流系数,天然土层多呈层状,多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变,3.2 土的渗透性与渗透规律,等效渗透系数:,层状地基的水平等效渗透系数,层状地基的垂直等效渗透系数,3
12、.2 土的渗透性与渗透规律,等效渗透系数:,算例说明,按层厚加权平均，由较大值控制,层厚倒数加权平均，由较小值控制,层状地基的等效渗透系数,3.2 土的渗透性与渗透规律,层状地基的等效渗透系数,3.2 土的渗透性与渗透规律,水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,公式,3.2 土的渗透性与渗透规律,小 结,水头与水力坡降 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,总水头=位置水头+压力水头 水头是渗流的驱动力,达西定律 渗透系数、渗透速度 达西定律的适用条件,常水头试验 变水头试验 抽水试验 渗透系数影响因素,水平等效渗透系数 垂直等效渗透系数,3.1 概述
13、3.2 土的渗透性与渗透规律 3.3 二维渗流与流网 3.4 渗透破坏与控制,第三章：土的渗透性和渗流问题,平面渗流的基本方程及求解 流网的绘制及应用,平面问题：渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方向不发生变化，则在垂直该方向的各个平面内，渗流状况完全一致。 对平面问题，常取dy=1m单位宽度的一片来进行分析,3.3 平面渗流与流网,h=h(x,z), v=v(x,z),与时间无关,稳定渗流：流场不随时间发生变化的渗流,平面稳定渗流,3.3 平面渗流与流网,渗流的连续性方程,单位时间流入单元的水量:,渗流的连续性方程：,单位时间内流出单元的水量:,连续性条件:,渗流的运动方程,达西定律：,渗流的
14、连续性方程：,渗流的运动方程：,3.3 平面渗流与流网,特例：各向同性均质土体 kx=kz,Laplace方程，描述渗流场内水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程,3.3 平面渗流与流网,渗流的边界条件,举例：,两层土样保持常水头，渗流沿竖向z方向。,则Laplace方程：,求土层1的系数：,边界条件： Z=0,h=h1 Z=H1,h=h2,代入Laplace方程解得：,求土层2的系数：,边界条件： Z=H1,h=h2 Z=H1+H2,h=0,3.3 平面渗流与流网,渗流的边界条件,根据连续性原理：通过土层1和土层2的水量相等,或：,代入下式：,解得：,根据公式可以得到任意位置的水头h,3.3
15、平面渗流与流网,H1,H2,2,3,4,渗流的边界条件,课堂讨论：土石坝渗流问题的边界条件,渗流域,不透水层,3.3 平面渗流与流网,H1,H2,2,3,4,水头边界条件 在边界1上给定水头,2,流速边界条件 在边界2上给定法向流速,4,3,渗出面 在边界3上H=z，vn0,自由水面* 在边界4上H=z，vn=0,渗流的边界条件,平面稳定渗流问题描述,运动方程：,边界条件：,水头边界条件 在边界1上给定水头,2,流速边界条件 在边界2上给定法向流速,4,3,渗出面 在边界3上h=z，vn0,自由水面* 在边界4上h=z，vn=0,3.3 平面渗流与流网,或：,3.3 平面渗流与流网,数学解析法或近似解析法：求取渗流运动方程在特定边界条件下的理论解，或者在一些假定条件下，求其近似解 数值解法：有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到迅速地发展 电比拟试验法：利用电场来模拟渗
