土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 §2.2 土的渗透性 第二章第二章 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 §2.3 二维渗流与流网 §2.4 渗透力与渗透变形 §2.1 概述 碎散性多孔介质 三相体系 孔隙流体流动 渗流 渗透性 土具有被水、气等液体透过的性质 渗透特性渗透特性 强度特性 变形特性 非饱和土的渗透性 饱和土的渗透性 2.12.1概概 述述 能量差 水、气等在土体孔隙中流动的现象 Ø渗流量问题 Ø渗透力和水压力问题 Ø渗透变形问题 Ø渗流控制问题 渗流量 渗透变形 石坝 浸润线 透水层 不透水层不透水层 石坝坝基坝身渗流石坝坝基坝身渗流 渗透压力 渗流量 渗透变形 透水层 不透水层不透水层 基坑 板桩墙 板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流 一、渗流中的水头与水力坡降 A B L 透水层 不透水层 基坑 §2.2 土的渗透性与渗透规律 A B L h1 h2 zA zB Δh 00 基准面 A A点总水头点总水头 ：： B B点总水头点总水头 ：： 总水头总水头 ：： 水力梯度水力梯度 ：： z：位置水头 u—水压力，孔隙水压力 v－渗流流速 水力坡降线 伯努里方程：用能量的方式来表达，为表 达方便常用水头来表示 二、渗透试验与达西定律 §试验前提：层流 断面平均流速 水力坡降 1.渗透试验 §试验结果 §试验装置：如图 §试验条件: h1，A，L=const §量测变量: h2，V，T Δh=h1-h2Q=V.T 2. 达西定律 渗透定律渗透定律 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：注意： V：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 Av Q＝VA ＝ VsAv 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 粗粒土： ①砾石类土中的渗流不符合达西定律 ②砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s 适用条件适用条件 i v o vcr i v i0 层流（线性流） ——大部分砂土，粉土；疏松的粘土 及砂性较重的粘性土 两种特例两种特例 粘性土： 致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 ) 三、渗透系数的测定及影响因素 室内试验测定方法 常水头试验法 变水头试验法 井孔抽水试验 井孔注水试验 1. 测定方法 野外试验测定方法 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，L V，t 重复试验后，取均值 a，A，L Δh，t 室内试验方法室内试验方法 不同时段试验，取均值 适用粗粒土粘性土 2.影响因素 土粒特性 流体特性 粒径大小及级配粒径大小及级配 孔隙比孔隙比 矿物成分矿物成分 结构结构 饱和度（含气量）饱和度（含气量） — —对对k k影响很大，封闭影响很大，封闭 气泡气泡 l水的动力粘滞系数（水温） 四、层状地基的等效渗透系数 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 天然土层多呈层状天然土层多呈层状 水平渗流情形垂直渗流情形 条件 已知 等效 推定 §2.3 平面渗流与流网 Laplace方程 一、平面渗流的基本方程及求解 连续性条件 假定： Δh 对于稳定渗流 h=h(x,z), v=v(x,z) 取单宽： dy=1 与时间无关 达西定律 平面渗流的基本方程 1. 基本方程 连续性条件连续性条件 达西定律达西定律 Laplace方程 取任一单元体dxdz单宽： dy=1 假定 § 解析方法 § 试验比拟方法 （电比拟方法） § 数值方法 § 图解法 流网——近似求解方法 适用于边界条件简单的情况 通解：两个共轭调和函数 势函数 流函数 等势线 流线 相互正交 边界条件 特定解 差分法、有限元方法，精度高，应用广泛 利用渗流场和电场均服从Laplace方程这一特点，按一定 比例制作模型，用电场中的等势线和流线来模拟渗流场中的 等势线和流线，以达到确定渗流场中渗流要素的目的。
理论基础： 解析法的结果 二、流网的绘制及应用 §流网——渗流场中的两族相互正交曲线— —等势线和流线所形成的网络状曲线簇 §流线——水质点运动的轨迹线 §等势线——测管水头相同的点之连线 §流网法——通过绘制流线与势线的网络状 曲线簇来求解渗流问题 基本要求 1. 正交性：流线与等势线必须正交 H △h 0 l s l s 2. 各个网格的长宽比c应为常数取c=1，即为曲边 正方形 3. 在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性 A B C D l s H △h 00 l s 绘制方法 根据渗流场 的边界条件 确定边界流线 和首尾等势线 正交性 曲边正方形 流线→等势线→反复修改，调整 精度较高的流网图 初步绘制流网 流网特点 §与上下游水位变化无关Δh=const； §与k无关； §等势线上各点测管水头h相等； §相邻等势线间的水头损失相等； §各流槽的渗流量相等 § 测管水头 h 实际应用 § 确定孔压 § 确定流速 § 确定流量 § 水力坡降 H △h 0 l s l s M: 流槽数 ΔH= Δh/N: 相邻等势线间的水头损失 例题见p67 例题2-5 Laplace方程 （基本方程） 连续性条件 达西定律 假定kx=kz 流线方程 水头描述 势函数 流线描述 流函数 共轭、正交 理论基础 边界条件 小结 求解 平面渗流的基本方程及求 解 流网的绘制及应 用 实际应用 基本要求 主要特点 绘制方法 §2.4 渗透力与渗透稳定性 一、渗透力（动水力） 试验观察试验观察 §Δh0 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 §Δh=0 静水中，土骨架会受到浮力作用 一. 渗透力 h1 Δh h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b 土 粒 渗 流 j 渗透力与浮力有何区别？ 2、物理本质 h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b P2 W P1 R 静水中的土体 A=1 W = Lγsat＝L(γ + γw) P1 = γwhw P2 = γwh2 R = ? R + P2 = W + P1 R + γwh2 = L(γ + γw) + γwhw R = γ L —土水整体分析 3、渗透力计算方法 h1 Δh h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b P2 W P1 R 静水中的土体 A=1 W = Lγsat＝L(γ + γw) P1 = γwhw P2 = γwh1 R = ? R + P2 = W + P1 R + γwh1 = L(γ + γw) + γwhw R = γL－ γwΔh R = γ L 渗流中的土体 土水整体分析 h1 Δh h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b P2 W P1 R 静水中的土体 A=1 R = γ L-γwΔh R = 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 = γwi j = γwi h1 Δh h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b P2 W P1 R A=1 R = γ L－ γwΔh 渗流中的土体所受滤网支持力 向上渗流存在时，滤网支持力减少 临界水力坡降 i = Δh/L = γ /γw icr = γ/γw γ L－ γwΔh = 0 土水整体分析 P2 W P1 R h1 Δh h2 00 hw L 土样 滤网 贮水器 a b A=1 P1+ Ww+ J = P2 水体的平衡条件 j = γwi γwhw+ γwL + j L= γwh1 W’ J W w J’ = R + P 2 P 1 P1 = γwhw P2 = γwh1 Ww= Vvγw+ Vsγw= Lγw 土水隔离分析 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，它是体积力 j = γwi 大小 ： 方向：与 i 方向一致（均质土与渗流方向一致） 作用对象：土骨架 利用流网求渗透力 复杂条件 总渗透力 大 小：j 网格面积 方 向：与i方向一致（均质土：流线） 作用点：形心 流网较密处i较大，该处渗透力也大 不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同 H △h 0 l s l s 一. 渗透力 基本类型 二.渗透变形（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 1. 流土 流土 在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒 同时发生悬浮移动的现象 粘性土k110） 不连续 连续 D0=0.25d20 细粒含量35% 细粒含量25% 细粒含量=25-35% D0 d5 D0 = d3-d5 管涌土 过渡型土 非管涌土 非管涌土 管涌土 过渡型土 几何条件 3. 防治措施 增大[i]：下游增加透水盖重 防治流土 土石坝 防渗斜墙及铺盖 浸润线 透水层 不透水层 减小i ：上游延长渗径； 下游减小水压 防治管涌 改善几何条件：设反滤层等 改善水力条件：减小渗透坡降 作业：p78-81 习题2-4，2-5 ，2-7 ，2-10 。