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1、第三章：土的渗透性及渗流,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。,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,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流、库区渗漏,3.1 概述- 渗流问题,防渗体,坝体,工程实例,板桩围护下的基坑渗流,3.1 概述- 渗流问题,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,工程实例,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,渠道、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,事故实例,挡水建筑物 集水建筑物 引
2、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,3.2.1 渗流的基本概念,水流动的驱动力,“水往低处流”,水往高处“跑”,水流从位置势能高处流向位置势能低处,水具有的动能 水所具有的压力势能,也可使水流发生流动,3.2 土的渗流性与渗透规律,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：,3.2.1 土的渗透规律,水流动的驱动力,- 水头, 能量,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
3、势能 总水头：为位置水头和压力水头之和，即测管水面到基准面的垂直距离，表示单位重量液体的总势能 在静止液体中各点的总水头相等,3.2.1 土的渗透规律,位置水头、压力水头和总水头,3.2.1 土的渗流性与渗透规律,A,B,L,3.2.1 土的渗流性与渗透规律,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p/w：水体的压力势能（p为孔隙水压力） 流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多0）,渗流的总水头：,渗流问题的水头,渗流总是从总水头高处流向总水头低处,A点总水头：,3.2.1 土的渗流性与渗透规律,水力梯度,B点总水头：,二点总水头差：反映了两点
4、间水流由于摩阻力造成的能量损失,水力梯度 i：单位渗流长度上的水头损失,达西渗透试验达西定律,3.2.2 土的渗流性与渗透规律,1856 年达西(Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验,其中，A是试样的断面积,达西定律,3.2.2 土的渗流性与渗透规律,达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力梯度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，其物理意义为水力梯度i1时的渗流速度，单位： cm/s, m/s, m/day,水力梯度 i：单位渗流长度上的水头损失,渗流模型,岩石中的渗流 （a）实际渗透 (b)渗流模型,3.2.2 土的渗流性与渗透规律,
5、(1)不考虑渗流路径的迂回，只分析它的主要流向；,(2)假想土颗粒和孔隙所处空间均被渗流充满,简化：,模型中的渗流具有以下性质：,(1)通过任意断面的流量与真实水流通过该断面的流量相等。,(2)某一端面处的水压力与真是水流的相等。,(3)在任意岩土颗粒处受到的阻力与真实水流的相等。,渗流运动要素是表征渗流运动特征的物理量，主要有渗流量Q或q、渗流速度V、压强P、水头H等。,渗流的要素,渗流速度 渗流场中垂直于渗流方向的任意一个过水断面，包括空隙面积（Ar）和固体颗粒所占据的面积(As)，A= Ar + As。渗流平行流动时为平面。 渗流速度：孔隙水单位时间渗透的距离，单位m/d或m/s 或单位
6、时间内通过单位过水断面的水量 是渗流在过水断面上的平均流速。 它描述的是渗流具有的平均速度， q即渗流量，是单位时间内通过 过水断面的水体积，单位m3/d。,V=Q/(tA)=q/A,单位m/d或m/s,实际平均流速是多孔介质中地下水通过空隙面积的平均速度,Vr=q/Ar,V/Vr=Ar/A=n,V=q/A,渗流速度,Vr=V/n,透水层,不透水层,防渗体,坝体,3.3 二维渗流与流网,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,
7、运动方程：,或：,3.3 二维渗流与流网,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：利用电场来模拟渗流场，简便、直观，可以用于二维问题和三维问题 流网法：简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题,渗流分析的方法,3.3 平面渗流与流网,H1,H2,2,3,4,渗流的边界,课堂讨论：土石坝渗流问题的边界条件,渗流域,不透水层,等势线,流线,流网及其特性,流线和等势线正交 流网中每一网格的边长之比为常数，通常取为1，网格为曲线正方形 相邻等势线之间的水头
8、损失（差）相等 各个流槽(或流道)的渗流量相等。,在流场中，流线和等势线（等水头线）组成的网格称为流网,3.3 平面渗流与流网,流网的画法,1）确定边界条件：边界流线和首尾等势线 2）研究水流的方向：流线的走向 3）判断网格的疏密大致分布 4）初步绘制流网的雏形：正交、曲边正方形 5）反复修改和检查,3.3 平面渗流与流网,要点：边界条件、正交性、 曲边正方形、多练习,a,b,c,d,e,f,g,h,流网的应用,3.3 平面渗流与流网,测点总水头 ha,确定孔压,相邻等势线的水头损失,流网的应用,2.3 平面渗流与流网,确定流速,确定流量,流道数,3.4 渗透力与渗透变形,渗透力-试验观察,h
9、=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。 降低贮水器时，试样筒中水流产生自上而下的渗流，对土体产生与重力方向相同的作用力； 升高贮水器时，试样筒中水流产生自下而上的渗流，对土体产生与重力方向相反的作用力。,渗流中的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力，与渗流方向相同。,4.4 渗透力与渗透变形,渗透力-试验观察,土粒,渗 流,渗透力 j,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,4.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,W = L satA L( + w) A,P1 = whwA,P2 = wh2A,p = ?,p + P2 = W + P1,p + wh2A = L(+
10、w) A+ whwA,p = LA,土水整体受力分析- 静水,4.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,渗透力-受力分析,W = L satA L( + w) A,P1 = whwA,P2 = wh1A,p = ?,p + P2 = W + P1,p + wh1A = L(+ w) A + whwA,p = (L - wh) A,土水整体受力分析- 渗流,4.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,渗透力-受力分析,p = (L - wh) A,土水整体受力分析- 对比,静水中的土体,渗流中的土体,向上渗流存在时，滤网支持力减少,p = L A,减少的部分由谁承担？,总渗透力： J=wh A
11、,渗透力j：单位土体内土骨架所受到的 渗透水流的拖曳力，为体积力。,j = J/V = wh A /(L A) = wi,某场地地下水位如图所示，已知粘土层饱和重度为19.2kN/m3,砂层中承压水头hw=15m(由砂层顶面算起)，h1=4m，h2=8m。试计算砂层顶面处的有效应力及粘土中的单位渗流力。,向上渗流存在时，滤网支持力减少。当滤网支持力为零，即土体即将失稳时的水力梯度称为临界水力梯度icr，它是土体开始发生流土破坏时的水力梯度。,4.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,渗透力-受力分析, = L - wh=0,临界水力梯度,icr = h/L =/w, = w h/L =wi=
12、j,向上渗流存在时，滤网支持力减少。当滤网支持力为零，即土体即将失稳时.临界状态,icr = h/L =/w,渗透力的性质,物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力 大小： j = wi 方向：与水力梯度方向一致 作用对象：土骨架,4.4 渗透力与渗透变形,4.4 渗透力与渗透变形,土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型 基本类型： 流土 管涌 接触流土 接触冲刷,渗透变形,单一土层渗透变形的两种基本型式,4.4 渗透力与渗透变形,渗透变形 - 流土,流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或
13、颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力梯度达到一定的大小，都可发生流土破坏,渗流,4.4 渗透力与渗透变形,渗透变形 管涌,原因,内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙 外因：渗透力足够大,管涌：在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道,渗流,过程演示,1. 在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失,2. 孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走,3. 形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷,4.4 渗透力与渗透变形,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
14、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,4.4 渗透力与渗透变形,Fs: 安全系数1.52.0, i : 允许坡降（无粘性土的允许值）,i icr :土体处于稳定状态,i = icr :土体处于临界状态,i icr :土体发生流土破坏,工程设计：,渗透破坏可能性的判别,在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力梯度这一
15、水力条件，均存在产生渗透破坏的可能性：,渗透变形的防治措施,减小i：上游延长渗径 减小水压差,2.4 渗透力与渗透变形,在下游溢出处增设反滤层等 下游增加透水盖重,防治一：降低水力梯度,防治二：增大允许i：,icr = h/L =/w,土坝，高90m， 长1000m， 1975年建成， 次年6月失事 渗透破坏：冲蚀 水力劈裂,Teton坝失事现场现状,原因,Teton坝,1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。,Teton坝,11：00左右 洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加,11：50左右 洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。,Teton坝,失事原因研究,广州京广广场基坑塌方,珠海祖国广场基坑失事,西藏易贡巨型滑坡,时间：2000年4月9日约20时 规模：滑坡体自相对高差近3
