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1、靳静靳静123主要内容主要内容4概述概述浸透实际浸透实际流网及其工程运用流网及其工程运用土中渗流的作用力及浸透变形土中渗流的作用力及浸透变形2-1概概述述浸透：在水位差的作用下，水透浸透：在水位差的作用下，水透浸透：在水位差的作用下，水透浸透：在水位差的作用下，水透浸透：在水位差的作用下，水透浸透：在水位差的作用下，水透过过过土体孔隙的景象。土体孔隙的景象。土体孔隙的景象。土体孔隙的景象。土体孔隙的景象。土体孔隙的景象。土的浸透性：普通是指水流土的浸透性：普通是指水流土的浸透性：普通是指水流土的浸透性：普通是指水流土的浸透性：普通是指水流土的浸透性：普通是指水流经过经过经过土中孔隙土中孔隙土中
2、孔隙土中孔隙土中孔隙土中孔隙难难难易易易易易易程度程度程度程度程度程度 的性的性的性的性的性的性质质质，或称透水性。，或称透水性。，或称透水性。，或称透水性。，或称透水性。，或称透水性。三相系三相系多孔介多孔介多孔介多孔介质质孔隙流体孔隙流体孔隙流体流孔隙流体流动能量差能量差浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流2-1概概述述水水坝坝蓄蓄水水后后，水水透透过坝身流向下游过坝身流向下游闸基闸基2-1概概述述在在上上游游水水位位压压力力差差的的作作用用下下，水水将将从从上上游游河河底底进进入入闸闸基基的的地基，沿地基土中的孔隙渗向下游，再从下游河床逸出。地基，
3、沿地基土中的孔隙渗向下游，再从下游河床逸出。透水层透水层不透水层不透水层板桩墙板桩墙基坑基坑板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流2-1概概述述基基坑坑开开挖挖过过程程中中，通通常常是是基基外外土土层层中中的的地地下下水水位位高高于于基基坑坑内内水水位位而而构构成成水水头头差差，地地下下水水将将经经过过坑坑外外土土层层绕绕过过板板桩桩渗渗入坑内。入坑内。典型事故典型事故l2019年年7月月1日日凌凌晨晨发发生生的的上上海海轨轨道道交交通通4号号线线塌塌方方事事故故，直直接接经经济济损损失失1.5亿亿元元左左右右，3栋栋建建筑筑物物严严重重倾倾斜斜，黄黄埔埔江江防防汛汛墙墙部部分塌陷并引发管涌
4、。分塌陷并引发管涌。l事事故故发发生生段段为为地地铁铁董董家家渡渡段段的的两两条条隧隧道道之之间间的的一一条条狭狭小小衔衔接通道，即旁通道，靠黄浦江接通道，即旁通道，靠黄浦江260米处。米处。l事故发生缘由：事故发生缘由：l1竖井与旁通道的开挖顺序错误；竖井与旁通道的开挖顺序错误；l2冷冻设备出现缺点导致温度上升；冷冻设备出现缺点导致温度上升；l3地下承压水导致喷砂。地下承压水导致喷砂。l三方面不利要素遇在一同，最终导致了事故的发生。三方面不利要素遇在一同，最终导致了事故的发生。浸透所引起的浸透所引起的浸透所引起的浸透所引起的问题问题：一、水的一、水的一、水的一、水的问题问题二、土的二、土的二
5、、土的二、土的问题问题水的问题水水的的问问题题指指在在工工程程中中由由于于水水本本身身引引起起的的工工程程问问题题，比比如如基基坑坑、隧隧道道等等开开挖挖工工程程中中普普遍遍存存在在地地下下水水渗渗出出而而出出现现需需求求排排水水的的问问题题；相相反反在在以以蓄蓄水水为为目目的的的的土土坝坝中中会会由由于于浸浸透透呵呵斥斥水水量量损损失失而而出出现现需需求求挡挡水水的的问问题题；另另外外还还有有一一些些像像污污水水的的浸浸透透引引起起地地下下水水污污染染，地地下下水水开开采采引引起起大大面面积积地地面面沉沉降降及及沼沼泽泽枯枯竭竭等等地地下下水水环环境境的的问问题题。也也就就是是说说，说说本本
6、身身的的量量( (涌涌水水量量、渗渗水水量量) )、质质( (水水质质) )、赋赋存存位位置置( (地地下下水水位位) )的的变变化化所所引引起起的的问题。问题。 土的问题土土的的问问题题是是指指由由于于水水的的浸浸透透引引起起土土体体内内部部应应力力形形状状的的变变化化或或土土体体、地地根根本本身身的的构构造造、强强度度等等形形状状的的变变化化，从从而而影影响响建建筑筑物物或或地地基基地地稳稳定定性性或或产产生生有有害害变变形形的的影影响响，在在坡坡面面、挡挡土土墙墙等等构构造造物物中中经经常常会会由由于于水水的的浸浸透透而而呵呵斥斥内内部部应应力力形形状状的的变变化化而而失失稳稳；土土坝坝
7、、堤堤防防、基基坑坑等等构构造造物物会会由由于于管管涌涌逐逐渐渐改改动动地地基基土土内内的的构构造造而而酿酿成成破破坏坏事事故故；非非饱饱和和的的坡坡面面会会由由于于水水分分的的浸浸透透而而呵呵斥斥土土的的强强度度的的降降低低而而引引起起滑滑坡坡。由由于于浸浸透透而而引引起起的的代代表表性性例例子子就就是是地地下下水水开开采采呵呵斥斥的的地地面面下沉问题。下沉问题。一、渗流模型一、渗流模型实践土体中的渗流践土体中的渗流2.2浸透浸透实际实际l一一是是不不思思索索渗渗流流途途径径的的迂迂回回曲曲折折，只分析它的主要流向；只分析它的主要流向；l二二是是不不思思索索土土体体中中颗粒粒的的影影响响，以
8、以为空空隙隙和和土土粒粒所所占占的的空空间之之总和和均均为渗流所充溢。渗流所充溢。对渗流作以下两方面的渗流作以下两方面的简化：化：渗流模型渗流模型 为了使渗流模型在渗流特性上与真了使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致，它的渗流相一致，它还应符符合以下要求：合以下要求：vv (1) (1) (1) (1)流量相等：在同一流量相等：在同一流量相等：在同一流量相等：在同一过过水断面，渗流模型的流量等于真水断面，渗流模型的流量等于真水断面，渗流模型的流量等于真水断面，渗流模型的流量等于真实实渗流的流量；渗流的流量；渗流的流量；渗流的流量； vv (2) (2) (2) (2)压压力相等：在恣意截面
9、上，渗流模型的力相等：在恣意截面上，渗流模型的力相等：在恣意截面上，渗流模型的力相等：在恣意截面上，渗流模型的压压力与真力与真力与真力与真实实渗流渗流渗流渗流的的的的压压力相等；力相等；力相等；力相等；vv (3) (3) (3) (3)阻力相等：在一阻力相等：在一阻力相等：在一阻力相等：在一样样体体体体积积内，渗流模型所遭到的阻力与真内，渗流模型所遭到的阻力与真内，渗流模型所遭到的阻力与真内，渗流模型所遭到的阻力与真实实渗流所遭到的阻力相等。渗流所遭到的阻力相等。渗流所遭到的阻力相等。渗流所遭到的阻力相等。l 建建立立渗渗流流模模型型后后，即即可可采采用用液液体体运运动的的有有关关概概念念和
10、和实际对土土体体渗流渗流问题进展分析。展分析。渗流模型：渗流模型：真真实渗流：渗流：工程中工程中对于浸透速度，用渗流模型的平均浸透速度于浸透速度，用渗流模型的平均浸透速度v来替来替代真代真实速度。速度。q：渗流流量，：渗流流量，单单位位时间时间内流内流过过截面截面积积A的水量，的水量，m3/s。v：渗流流速，：渗流流速，单单位位时间时间内流内流过过土截面水量，土截面水量，m/s。真真真真实实渗流与渗流模型中平均流速的关系渗流与渗流模型中平均流速的关系渗流与渗流模型中平均流速的关系渗流与渗流模型中平均流速的关系模型的平均流速模型的平均流速小于真小于真实流速。流速。式中：式中：1、达西浸透、达西浸
11、透实验实验与达西定律与达西定律达西达西(1856年年)分析了大量分析了大量实验资实验资料，料，发现发现土中浸透的渗流土中浸透的渗流量量q与与圆圆筒断面筒断面积积A和及水和及水头损头损失失h成正，与断面成正，与断面间间距距l成反比，成反比，即即二、达西二、达西Darcy浸透定律浸透定律或或式中：式中：称称为水力坡度，也称水力坡降；水力坡度，也称水力坡降；k为浸透系数，其浸透系数，其值等于坡度等于坡度为1时水的浸透速度，水的浸透速度，cm/s。上式所表示的关系称上式所表示的关系称为达西定律，它是浸透的根本定律。达西定律，它是浸透的根本定律。达西达西达西达西实验实验的安装的安装的安装的安装达西浸透达
12、西浸透达西浸透达西浸透实验实验安装安装安装安装:直直立立圆筒筒。横横截截面面积为A，上上端端开开口口。在在侧壁装有两支相距壁装有两支相距为l的的侧压管。管。滤板：板：滤板上填放板上填放颗粒均匀的砂土。粒均匀的砂土。溢溢水水管管：水水由由上上端端注注入入圆筒筒，多多余余的的水水从此溢出，使筒内的水位从此溢出，使筒内的水位维持恒定。持恒定。短水管：浸透短水管：浸透过滤板的水从此流入板的水从此流入。量杯：量杯：计算渗流量算渗流量q。同同时读取取断断面面1-1和和断断面面2-2处的的测压管管水水头值h1、h2，得得到到两两断断面面之之间的的水水头损失失h=(l+h1)-h2。1122lvh1h2z1z
13、2h1当当渗渗流流速速度度较小小时，浸浸透透的的沿沿程程水水头损失失与与流流速速的的一一次次方方成成正正比比。在在普普通通情情况况下下，砂砂土土、粘粘土土中中的的浸浸透透速速度度很很小小，其其渗渗流流可可以以看看作作是是一一种种水水流流流流线相相互互平平行行的的流流动层流流，渗渗流流运运动规律律符符合合达达西西定定律律，渗渗流流速速度度v和和水水力力梯度梯度i的关系可在的关系可在v-i坐坐标系中成一条直系中成一条直线，如，如图(a)所示。所示。细细粒土的粒土的粒土的粒土的v-iv-iv-iv-i关系关系关系关系粗粒土的粗粒土的粗粒土的粗粒土的v-iv-iv-iv-i关系关系关系关系砂土、普通粘
14、土砂土、普通粘土砂土、普通粘土砂土、普通粘土颗颗粒极粒极粒极粒极细细的粘土的粘土的粘土的粘土达西定律是由砂达西定律是由砂质土体土体(中砂、中砂、细砂、粉砂等砂、粉砂等)实验得到的，后来得到的，后来推行运用于其他土体如粘土和具有推行运用于其他土体如粘土和具有细裂隙的岩石等。裂隙的岩石等。达西浸透实验达西浸透实验(a)(b)2粗粒土粗粒土(如如砾石、卵石等石、卵石等)的的实验结果果见图(b)所示。所示。由由于于其其孔孔隙隙很很大大，当当水水力力坡坡度度较小小时，流流速速不不大大，渗渗流流可可以以以以为是是层流流，速速度度较小小时，浸透可以以，浸透可以以为是是层流，流，v-i关系成关系成线性性变化，
15、达西定律依然适用。化，达西定律依然适用。当当水水力力坡坡度度较大大时，流流速速增增大大，渗渗流流将将过渡渡为不不规那那么么的的相相互互混混杂的的方方式式紊流，紊流，v-i关系成非关系成非线性性变化，达西定律不再适用。化，达西定律不再适用。细细粒土的粒土的粒土的粒土的v-iv-iv-iv-i关系关系关系关系粗粒土的粗粒土的粗粒土的粗粒土的v-iv-iv-iv-i关系关系关系关系砂土、普通粘土砂土、普通粘土砂土、普通粘土砂土、普通粘土颗颗粒极粒极粒极粒极细细的粘土的粘土的粘土的粘土注注：对颗粒粒极极细的的粘粘土土，由由于于土土粒粒周周围存存在在结合合水水，结合合水水因因受受分分子子引引力力作作用用
16、而而呈呈现粘粘滞滞性性，需需抑抑制制这种种结合合水水的的粘粘滞滞阻阻力力才才干干发生生渗渗流流。常常把把抑抑制制此此粘粘滞滞阻阻力力所所需需求的水求的水头梯度，称梯度，称为起始水力坡度起始水力坡度ibib，只需在到达起始水力坡度，只需在到达起始水力坡度时才干才干发生渗流。生渗流。由于土体中的孔隙普通非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大、由于土体中的孔隙普通非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动形状大多属于层流。流速缓慢，因此，其流动形状大多属于层流。当流速较小时，各流层质点互不混杂，这种型态的流动叫当流速较小时，各流层质点互不混杂，这种型态的流动叫层流。层流。当流
17、速较大时，各流层质点构成涡体相互混掺，这种型态当流速较大时，各流层质点构成涡体相互混掺，这种型态的流动叫做紊流。的流动叫做紊流。达西定律的讨论：达西定律的讨论：达西定律经过砂质土实验得到，其适用条件是水流为层流，浸透达西定律经过砂质土实验得到，其适用条件是水流为层流，浸透可自在发生。可自在发生。密实粘土的浸透需求一个起始水力梯度，浸透不能自在发生，这密实粘土的浸透需求一个起始水力梯度，浸透不能自在发生，这时不符合达西定律，如图时不符合达西定律，如图b。3.颗粒较大的土，如卵石，其流速大至紊流，不符合达西定律，颗粒较大的土，如卵石，其流速大至紊流，不符合达西定律，如图如图c通常可通常可通常可通常
18、可经过经过实验实验方法方法方法方法实验实验室室室室测测定法定法定法定法现场测现场测定法定法定法定法或或或或阅历阅历估算法估算法估算法估算法来确定来确定来确定来确定k k值值。 三、浸透系数确实定三、浸透系数确实定浸透系数的浸透系数的浸透系数的浸透系数的测测定定定定浸透系数的大小是直接衡量土的透水性浸透系数的大小是直接衡量土的透水性浸透系数的大小是直接衡量土的透水性浸透系数的大小是直接衡量土的透水性强强弱的一个重要力学弱的一个重要力学弱的一个重要力学弱的一个重要力学性性性性质质目的。目的。目的。目的。一一一一实验实验室内室内室内室内测测定浸透系数定浸透系数定浸透系数定浸透系数就原理而言，可分就原
19、理而言，可分就原理而言，可分就原理而言，可分为为常水常水常水常水头实验头实验和和和和变变水水水水头实验头实验。(1)(1)(1)(1)常水常水常水常水头头法法法法是在整个是在整个是在整个是在整个实验过实验过程中，水程中，水程中，水程中，水头坚头坚持不持不持不持不变变。常水常水常水常水头头法适用于透水性法适用于透水性法适用于透水性法适用于透水性强强的无粘性土。的无粘性土。的无粘性土。的无粘性土。k 10-3 k 10-3 k 10-3 k 10-3 为细为细砂到中等卵石。砂到中等卵石。砂到中等卵石。砂到中等卵石。土的浸透系数：土的浸透系数：土的浸透系数：土的浸透系数：下下下下页页所示所示所示所示
20、为为基基基基马马式浸透式浸透式浸透式浸透仪仪基基基基马马式浸透式浸透式浸透式浸透仪仪(2)(2)(2)(2)变变变变水水水水头头头头法法法法在整个在整个在整个在整个实验过实验过实验过实验过程中，水程中，水程中，水程中，水头头头头是随着是随着是随着是随着时间时间时间时间而而而而变变变变化的。化的。化的。化的。变变变变水水水水头头头头法适用于透水性弱的粘性土。法适用于透水性弱的粘性土。法适用于透水性弱的粘性土。法适用于透水性弱的粘性土。透水性透水性透水性透水性较较较较小小小小 (10-7 k10-3) (10-7 k10-3) (10-7 k10-3) (10-7 k10-3) 粘性土粘性土粘性土
21、粘性土根根据据延延续续性性原原理理，流流经经土土样样的的渗渗流流水水量量取取决决于于玻玻璃璃管管的的水水位位下下降降，dt时时间间下下降降dh,流速为流速为v=-dh/dt，有，有在土样内，由达西定律有：在土样内，由达西定律有：所以：所以：积分得：积分得：为起始水头高度。为起始水头高度。把把两两个个时时间间及及对对应应的的水水头头高高度度带带入入上上式式，并并做做差差，可得渗流系数为：可得渗流系数为：AAh 现场测现场测定法的定法的定法的定法的实验实验条件比条件比条件比条件比实验实验室室室室测测定法更符合定法更符合定法更符合定法更符合实实践土践土践土践土层层的浸透情的浸透情的浸透情的浸透情况，
22、况，况，况，测测得的浸透系数得的浸透系数得的浸透系数得的浸透系数k k k k值为值为整个渗流区整个渗流区整个渗流区整个渗流区较较大范大范大范大范围围内土体浸透系数的平内土体浸透系数的平内土体浸透系数的平内土体浸透系数的平均均均均值值，是比，是比，是比，是比较较可靠的可靠的可靠的可靠的实验实验方法，但方法，但方法，但方法，但实验规实验规模模模模较较大，所需人力物力大，所需人力物力大，所需人力物力大，所需人力物力较较多。多。多。多。常用的是野外抽水常用的是野外抽水常用的是野外抽水常用的是野外抽水实验实验。 实验实验开开开开场场前先在前先在前先在前先在现场钻现场钻一中心抽水井，根据井底土一中心抽水
23、井，根据井底土一中心抽水井，根据井底土一中心抽水井，根据井底土层层情况可分情况可分情况可分情况可分为为两种两种两种两种类类型：完好井和非完好井。型：完好井和非完好井。型：完好井和非完好井。型：完好井和非完好井。二二现场测定浸透系数定浸透系数抽水法抽水法 地下水位地下水位测压管水面测压管水面抽水量抽水量q qdhdrrhh1h2r1r2察看井察看井优点：可获得现场较为可优点：可获得现场较为可靠的平均浸透系数靠的平均浸透系数 缺陷：费用较高，耗时较长缺陷：费用较高，耗时较长不透水层不透水层透水层透水层井井在半径在半径r r处的过水断面面积为处的过水断面面积为由达西定律：由达西定律：现场抽水实验公式
24、裘布依公式推导：现场抽水实验公式裘布依公式推导：1991年哈森提出用有效粒径d10计算较均匀砂土的公式:1955年，太沙基提出思索土体孔隙比e的阅历公式:三阅历估算法三阅历估算法 土的浸透系数参考值土的浸透系数参考值2.3流网及其工程运用流网及其工程运用闸基的渗流闸基的渗流一、平面稳定渗流根本微分方程一、平面稳定渗流根本微分方程在渗流场中的在渗流场中的x，z处取一个单元体，处取一个单元体，那么对于该单元体的水量变化为：那么对于该单元体的水量变化为：假定渗流为稳定流，土骨架不变形，假定渗流为稳定流，土骨架不变形，流体不可紧缩，有：流体不可紧缩，有：dQ=0即：即：平面渗流延平面渗流延平面渗流延平
25、面渗流延续续条件微分方程条件微分方程条件微分方程条件微分方程oxzdxdz对于于kxkz的各向异性土，达西定律写成：的各向异性土，达西定律写成：代入，得代入，得 ：对于各向同性土对于各向同性土 ：平面平面平面平面稳稳定渗流定渗流定渗流定渗流问题问题根本微分方程根本微分方程根本微分方程根本微分方程为求解方便，作变换，令为求解方便，作变换，令 ，得到，得到n渗渗流流场场内内任任一一点点的的水水头头是是其其坐坐标标的的函函数数，因因此此求求解解渗渗流流问问题题的的第第一一步步就就是是先先确确定定渗渗流流场场中中各各点点的的水水头头势势能能，即即求求解解渗渗流流根根本本微分方程。微分方程。n众众所所周
26、周知知，满满足足拉拉普普拉拉斯斯方方程程的的解解是是两两组组彼彼此此正正交交的的曲曲线线。就就渗渗流流而而言言，一一组组为为等等势势线线各各水水头头相相等等，另另一一组组为为流流线线代代表表渗渗流方向，等势线和流网交错在一同构成的网格叫流网。流方向，等势线和流网交错在一同构成的网格叫流网。n只只需需满满足足边边境境条条件件的的那那一一种种流流线线和和等等势势线线的的组组合合方方式式才才是是Laplace方程式的正确解答。方程式的正确解答。拉普拉斯方程平面平面平面平面稳稳定渗流定渗流定渗流定渗流问题问题根本微分方程根本微分方程根本微分方程根本微分方程n 求解方法求解方法解析法解析法数值法数值法电
27、拟法电拟法比比较较准准确确，但但只只需需在在边边境境条条件件简简单单情情况况下下才才干干求求解解有限单元法有限单元法(FEM)有限差分法有限差分法(FDM)电网络模拟电网络模拟边境条件比较复杂的渗流边境条件比较复杂的渗流图解法图解法流网解法流网解法三、平面稳定渗流的流网解法三、平面稳定渗流的流网解法一流网及其性一流网及其性一流网及其性一流网及其性一流网及其性一流网及其性质质质 平面稳定渗流根本微分方程平面稳定渗流根本微分方程的解可以用渗流区平面内两簇相的解可以用渗流区平面内两簇相互正交的曲线来表示。其中一簇互正交的曲线来表示。其中一簇为流线，它代表水流的流动途径；为流线，它代表水流的流动途径；
28、另一簇为等势线，在任一条等势另一簇为等势线，在任一条等势线上的各水头相等。工程上把这线上的各水头相等。工程上把这种等势线簇和流线簇交错成的网种等势线簇和流线簇交错成的网格图形称为流网。格图形称为流网。 闸基的渗流流网闸基的渗流流网 对对对于各向同性的浸透介于各向同性的浸透介于各向同性的浸透介于各向同性的浸透介于各向同性的浸透介于各向同性的浸透介质质质，流网具有以下性，流网具有以下性，流网具有以下性，流网具有以下性，流网具有以下性，流网具有以下性质质质： 流网是相互正交的网格流网是相互正交的网格流网是相互正交的网格流网是相互正交的网格流网是相互正交的网格流网是相互正交的网格; ; ; 流网流网流
29、网流网流网流网为为为曲曲曲曲曲曲边边边正方形；正方形；正方形；正方形；正方形；正方形； 网网网网网网格格格格格格的的的的的的长长长度度度度度度l l l与与与与与与宽宽宽度度度度度度b b b之之之之之之比比比比比比通通通通通通常常常常常常取取取取取取为为为定定定定定定值值值，普普普普普普通通通通通通取取取取取取1.01.01.0。 恣意两相恣意两相恣意两相恣意两相恣意两相恣意两相邻邻邻等等等等等等势线间势线间势线间的水的水的水的水的水的水头损头损头损失相等；失相等；失相等；失相等；失相等；失相等；渗流区内水渗流区内水渗流区内水渗流区内水渗流区内水渗流区内水头头头依等依等依等依等依等依等势线势
30、线势线等量等量等量等量等量等量变变变化，相化，相化，相化，相化，相化，相邻邻邻等等等等等等势线势线势线的水的水的水的水的水的水头头头差一差一差一差一差一差一样样样。 恣意两相恣意两相恣意两相恣意两相恣意两相恣意两相邻邻邻流流流流流流线间线间线间的的的的的的单单单位渗流量相等。位渗流量相等。位渗流量相等。位渗流量相等。位渗流量相等。位渗流量相等。相相相相相相邻邻邻流流流流流流线间线间线间的渗流区域称的渗流区域称的渗流区域称的渗流区域称的渗流区域称的渗流区域称为为为流槽，每一流流槽，每一流流槽，每一流流槽，每一流流槽，每一流流槽，每一流槽的槽的槽的槽的槽的槽的单单单位渗流量与位渗流量与位渗流量与位
31、渗流量与位渗流量与位渗流量与总总总水水水水水水头头头h h h、浸透系数、浸透系数、浸透系数、浸透系数、浸透系数、浸透系数k k k及及及及及及等等等等等等势线间势线间势线间隔数有关，与流槽位置无关。隔数有关，与流槽位置无关。隔数有关，与流槽位置无关。隔数有关，与流槽位置无关。隔数有关，与流槽位置无关。隔数有关，与流槽位置无关。接接近近坝坝底底，流流线线密密集集，水水力梯度大，渗流速度大力梯度大，渗流速度大远远离离坝坝底底，流流线线稀稀疏疏，水水力力坡坡度度小小，渗渗流流速速度度小小二流网的二流网的二流网的二流网的二流网的二流网的绘绘绘制制制制制制流网的绘制方法大致有三种：流网的绘制方法大致有
32、三种：第一种是解析法；第一种是解析法；第二种方法是实验法，常用的有水电比较法；第二种方法是实验法，常用的有水电比较法；第三种方法是近似作图法也称手描法，系根据流网性质第三种方法是近似作图法也称手描法，系根据流网性质和确定的边境条件，用作图方法逐渐近似画出流线和等和确定的边境条件，用作图方法逐渐近似画出流线和等势线。势线。近似作图法的步骤大致为：近似作图法的步骤大致为：先按流动趋势画出流线，然后根据流网正交性画出等势线，先按流动趋势画出流线，然后根据流网正交性画出等势线，构成流网。如发现所画的流网不成曲边正方形时，需反复构成流网。如发现所画的流网不成曲边正方形时，需反复修正等势线和流线直至满足要
33、求修正等势线和流线直至满足要求 右图为一带板桩的溢流坝，其流网右图为一带板桩的溢流坝，其流网可按如下步骤绘出：可按如下步骤绘出： 1首先将建筑物及土层剖面按一定的比例绘出，并根据渗流区的边境，确定边境限及边境等势线。图2-11溢流溢流坝的渗流流网的渗流流网2根据流网特性，初步绘出流网形状。3逐渐修正流网。ABCDlsHhh00ls绘制方法制方法根据渗流根据渗流场的的边境境条件条件确定确定边境流境流线和首尾等和首尾等势线正交性正交性曲曲边正方形正方形流流线等等势线反复修正，反复修正，调整整精度较高的流网图精度较高的流网图初步绘制流网初步绘制流网三流网的工程运用三流网的工程运用三流网的工程运用三流
34、网的工程运用三流网的工程运用三流网的工程运用要求：能对流网进展分析，能根据流网求渗流速度，渗流量要求：能对流网进展分析，能根据流网求渗流速度，渗流量 和孔隙水压力。和孔隙水压力。1.渗流速度渗流速度lh/n-1vb2.渗流量渗流量3.孔孔压压的的计计算算一一点点的的孔孔隙隙水水压力力u等等于于该点点测压管管水水柱柱高高度度H与与水水的的重重度度乘乘积，即即恣意点的水柱高度恣意点的水柱高度Hi可由可由该点所在的等点所在的等势线的水的水头确定。确定。E点的总水头点的总水头hE应为入渗边境上的总水头减去这段流程的水头损失，即应为入渗边境上的总水头减去这段流程的水头损失，即水头损失水头损失hf为为E点
35、点测压测压管水柱高度管水柱高度HE为为E点点总总水水头头与其位置坐与其位置坐标值标值ZE之差，即之差，即【例【例题题2-1】板】板桩桩支支挡挡构造如构造如图图2-12所示，由所示，由于基坑内外土于基坑内外土层层存在水位差而存在水位差而发发生渗流，渗生渗流，渗流流网如流流网如图图中所示。知土中所示。知土层层浸透系数浸透系数k2.510-3cm/s，A点、点、B点分点分别别位于基坑底位于基坑底面以下面以下1.2m和和2.6m。试试求求:图2-121整个渗流区的整个渗流区的单位位宽度流量度流量q；2AB段的平均浸透速度段的平均浸透速度vAB。3图中中A点和点和B点的孔隙水点的孔隙水压力力uA与与uB
36、。【解】【解】(1)基坑内外的基坑内外的总水水头差：差：流网流网图中共有中共有4条流条流线，9条等条等势线，即，即n=9,m=4。在流网中。在流网中选取一网格，如取一网格，如A，B点所在的网格，其点所在的网格，其长度与度与宽度度为lb1.5m，那么整个渗流区的，那么整个渗流区的单宽流量流量q为： ab段的平均浸透速度：段的平均浸透速度：(2) (2) 恣意两等恣意两等势线间势线间的水的水头头差：差：(3)A点和点和B点的测压水柱高度分别为：点的测压水柱高度分别为：而而A点和点和B点的孔隙水点的孔隙水压压力分力分别为别为：水在土中流水在土中流动能量耗能量耗费力力图拖曳土粒拖曳土粒水水头损失失2.
37、4土中渗流的作用力及浸透土中渗流的作用力及浸透变变形形一、浸透力的概念一、浸透力的概念一、浸透力的概念一、浸透力的概念一、浸透力的概念一、浸透力的概念 浸透水流浸透水流对土骨架土骨架产生的生的拖曳力称拖曳力称为浸透力、渗流浸透力、渗流力、力、动水水压力力土粒土粒土粒土粒土粒土粒对对对水流的水流的水流的水流的水流的水流的总总总阻力阻力阻力阻力阻力阻力JsJsJsh2h0h1h0hGwGwJsJsABCDABCDFHFNABCDl lbGwJsFHU2浸透力如何浸透力如何浸透力如何浸透力如何浸透力如何浸透力如何计计计算算算算算算 以网格中的孔隙水以网格中的孔隙水以网格中的孔隙水以网格中的孔隙水以网
38、格中的孔隙水以网格中的孔隙水 为为为研研研研研研讨对讨对讨对象象象象象象 FNGwJsABCDFHFN 在平行水流方向，用力的平衡条件：在平行水流方向，用力的平衡条件：在平行水流方向，用力的平衡条件：在平行水流方向，用力的平衡条件：在平行水流方向，用力的平衡条件：在平行水流方向，用力的平衡条件：设阻力设阻力Js在水流方向和垂直水流方向的分量分别为在水流方向和垂直水流方向的分量分别为Jst、Jsn，在垂直水流方向的平衡：，在垂直水流方向的平衡：可可见阻力阻力Js在垂直水流方向的分量在垂直水流方向的分量为零，零，因此因此Js=Jst，其方向与水流方向一致。，其方向与水流方向一致。渗流力的大小与水力
39、梯度成正比，其渗流力的大小与水力梯度成正比，其渗流力的大小与水力梯度成正比，其渗流力的大小与水力梯度成正比，其渗流力的大小与水力梯度成正比，其渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流或流向方向一致，是作用方向与渗流或流向方向一致，是作用方向与渗流或流向方向一致，是作用方向与渗流或流向方向一致，是作用方向与渗流或流向方向一致，是作用方向与渗流或流向方向一致，是一种体一种体一种体一种体一种体一种体积积积力，常以力，常以力，常以力，常以力，常以力，常以kN/m3kN/m3kN/m3计计计。h2h0h1h0hABCDl lb水流对土粒的浸透力水流对土粒的浸透力J是阻力是阻力Js的反作用力，的反作
40、用力，故单元体中的浸透力为故单元体中的浸透力为单位体积内土粒遭到的单位浸透力为：单位体积内土粒遭到的单位浸透力为：GwJsABCDFHFNl1 1点点，渗渗流流力力与与重重力力方方向向一一致致，渗渗流流力力促促使使土土体体压压密密，对稳定有利。对稳定有利。l2 2点点、3 3点点，渗渗流流力力与与重重力力方方向向正正交交，对稳定不利。对稳定不利。l3 3点点，渗渗流流力力与与重重力力方方向向相相反反，对对稳稳定特别不利。定特别不利。二、浸透二、浸透二、浸透二、浸透变变形浸透破坏形浸透破坏形浸透破坏形浸透破坏 浸浸透透变形形：当当水水力力梯梯度度超超越越一一定定的的界界限限值后后，土土中中的的渗
41、渗流流水水流流会会把把部部分分土土体体或或土土颗粒粒冲冲出出、带走走，导致致部部分分土土体体发生生位位移移，位位移移到到达达一一定定程程度度，土土体体将将发生生失失稳破破坏坏，这种种景景象象称称为浸透浸透变形。形。 浸透浸透变形主要有两种方式：形主要有两种方式：(1)流土流土(流砂流砂)：渗流水流将整个土体：渗流水流将整个土体带走的景象走的景象(2)管涌：渗流中土体大管涌：渗流中土体大颗粒之粒之间的小的小颗粒被冲出的景象。粒被冲出的景象。1.流土流土(砂砂)假假设水水的的渗渗流流方方向向自自上上而而下下，在在土土体体外外表表取取一一单元元体体进展展分分析析。知知土土的的有有效效重重度度为，当当
42、向向上上的的浸浸透透力力J与与土土的的有有效重度相等效重度相等时，即，即这时，土土颗粒粒间的的压力力就就等等于于零零，土土颗粒粒将将处于于悬浮浮形形状状而而失失去去稳定定，这种种景景象象就就称称为流流砂砂。这时的的水水力力梯梯度度称称为临界水力梯度界水力梯度icr为：(和土的密和土的密实实程度有关程度有关)流砂构成条件：流砂构成条件：K: 平安系数平安系数2.02.5i:允允许许水力坡度；水力坡度；i icr :土体土体处于于稳定形状定形状土体土体发生流土破坏生流土破坏土体土体处于于临界形状界形状工程工程阅历判判别：粘粘性性土土中中，浸浸透透力力的的作作用用往往往往使使渗渗流流逸逸出出处某某一
43、一范范围内内的的土土体体出出现外表隆起外表隆起变形形；粉粉砂砂细砂砂及及粉粉土土等等粘粘聚聚性性差差的的细粒粒土土中中，水水力力梯梯度度到到达达一一定定值后后，渗渗流流逸逸出出处出出现外外表表隆隆起起变形形的的同同时，还能能够出出现渗渗流流水水流流夹带泥土向外涌出的砂沸景象。泥土向外涌出的砂沸景象。2.管涌管涌水水在在砂砂土土中中渗渗流流时，土土中中的的一一些些细小小颗粒粒在在浸浸透透力力作作用用下下，能能够经过粗粗颗粒粒的的孔孔隙隙被被水水流流带走走，这种种景景象象称称为管管涌涌。管管涌涌能能够于于部分范部分范围，但也能，但也能够逐逐渐扩展，最后展，最后导致土体失致土体失稳破坏。破坏。管涌管
44、涌实验确定确定临界水力梯度：界水力梯度：图2-14(a)管涌管涌实验安装安装图图2-14(b)管涌管涌实验v-i关系曲关系曲线发发生生管管涌涌的的临临界界水水力力梯梯度度与与土土的的颗颗粒粒大大小小及及其级配情况有关。其级配情况有关。不均匀系数越大，管涌景象越容易发生。不均匀系数越大，管涌景象越容易发生。【例例题题2-2】某某工工程程开开挖挖深深度度为为6.0m的的基基坑坑时时采采用用板板桩桩围围护护构构造造，基基坑坑在在排排水水后后的的稳稳定定渗渗流流流流网网如如图图2-16所所示示。地地基基土土的的饱饱和和重重度度rsat=19.8kN/m3，地地下下水水位位间间隔隔地地表表1.5m。判判
45、别别基基坑坑中中的的ab渗渗流流逸出逸出处处能否能否发发生流土？生流土？【解解】由由流流网网图图可可知知，地地基基中中流流网网的的等等势势线线数数量量为为n=10，总总水水头头差差为为h=6.0m1.5m=4.5m，那那么么相相邻邻两两等等势势线线的的水水头头损损失失为为：ab渗流逸出渗流逸出处处的水力梯度的水力梯度iab 可用流网网格可用流网网格abcd的平均水力梯度近似表示，的平均水力梯度近似表示，从流网从流网图图中可量得网格中可量得网格长长度度l=1.6 m，那么，那么可可见iabic，在，在ab渗流逸出渗流逸出处不会不会发生流土景象。生流土景象。而流土的而流土的临界水力梯度界水力梯度为
46、：粉细沙随地下水流入基粉细沙随地下水流入基坑，产生流砂坑，产生流砂 在基坑开挖和地下构造施工中，必需防止流砂，以免发生艰苦基坑坍在基坑开挖和地下构造施工中，必需防止流砂，以免发生艰苦基坑坍塌事故。塌事故。流砂流砂 枯水期施工法枯水期施工法 设止水帷幕止水帷幕( (如延如延续板板桩、深、深层搅拌拌桩、密排灌、密排灌 注注桩等等) )法。法。 冻结法法 人工降低地下水位人工降低地下水位 ( (井点降水法井点降水法) )法。法。流砂的防治措施：流砂的防治措施：管涌管涌管涌管涌管涌管涌管涌的治理反滤导渗反滤导渗管涌的治理反滤围井反滤围井管涌的治理蓄水反压蓄水反压:经过抬高管涌区内的水位来减小堤内外经过
47、抬高管涌区内的水位来减小堤内外的水头差，从而降低浸透压力，减小出逸水力坡度，的水头差，从而降低浸透压力，减小出逸水力坡度，到达制止管涌破坏和稳定管涌险情的目的。到达制止管涌破坏和稳定管涌险情的目的。浸透实际的建立浸透实际的建立浸透模型浸透模型达西浸透定律达西浸透定律实验实验室室室室测测定法定法定法定法现场测现场测定法定法定法定法阅历阅历估算法估算法估算法估算法浸透系数浸透系数k确实定确实定平面稳定渗流问题根本微分方程平面稳定渗流问题根本微分方程流网解法流网解法根据流网求渗流速度，渗流量和孔隙水压力根据流网求渗流速度，渗流量和孔隙水压力流网性质流网性质单位浸透力单位浸透力浸透力浸透力浸透变形方式浸透变形方式流土流土(流砂流砂)管涌管涌流砂构成条件流砂构成条件i icr :土体处于稳定形状土体处于稳定形状土体发生流土破坏土体发生流土破坏土体处于临界形状土体处于临界形状临界水力梯度用管涌实验确定临界水力梯度用管涌实验确定
