土的渗透性及水的渗流

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1、土的渗透性及水的渗流 第二章1本章特点本章特点学习要点学习要点主要难点主要难点有较严格的理论（水流的一般规律）有较严格的理论（水流的一般规律）有经验性规律（散粒体多孔介质特性）有经验性规律（散粒体多孔介质特性）注重对物理概念和意义的深入理解注重对物理概念和意义的深入理解注意土是散粒体（多孔介质）这一特点注意土是散粒体（多孔介质）这一特点 水头及水力坡降水头及水力坡降二维流网及其应用二维流网及其应用渗透力及其分析方法渗透力及其分析方法2 土的渗透性及水的渗流 2碎散性碎散性多孔介质多孔介质三相体系三相体系孔隙流体流动孔隙流体流动渗流渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象水、气等在土体孔隙中流动的现象

2、渗透性渗透性土具有被水、气等流体透过的性质土具有被水、气等流体透过的性质渗透特性渗透特性强度特性强度特性变形特性变形特性非饱和土的渗透性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性饱和土的渗透性概述概述能量差能量差土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流2 土的渗透性及水的渗流 3水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部的应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事故。土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。 2 土的渗透性及水的渗流 4水的问题水的问题指在工程中由于水本身引起的工程问题，比如基坑、隧道等开挖工程中普遍存在

3、地下水渗出而出现需要排水的问题；相反在以蓄水为目的的土坝中会由于渗透造成水量损失而出现需要挡水的问题；另外还有一些像污水的渗透引起地下水污染，地下水开采引起大面积地面沉降及沼泽枯竭等地下水环境的问题。也就是说，水自身的量（涌水量，渗水量）、质（水质）、赋存位置（地下水位）的变化所引起的问题。 2 土的渗透性及水的渗流 5土的问题l土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的影响，在坡面、挡土墙等结构物中常常会由于水的渗透而造成内部应力状态的变化而失稳；土坝、堤防、基坑等结构物会由于管涌逐渐改变地基土内的

4、结构而酿成破坏事故；非饱和的坡面会由于水分的渗透而造成土的强度的降低而引起滑坡。由于渗透而引起的代表性例子就是地下水开采造成的地面下沉问题。 2 土的渗透性及水的渗流 6概述渗流量渗透变形土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖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2 土的渗透性及水的渗流 7渗流作用造成大坝塌方2 土的渗透性及水的渗流 8渗水压力扬压力渗流量渗透变形透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流概述2 土的渗透性及水的渗流 9渗流量透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q概述2 土的渗透性及水的渗

5、流 10渗流量原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位渠道渗流概述2 土的渗透性及水的渗流 11渗流滑坡渗流滑坡概述2 土的渗透性及水的渗流 12渗流量渗透变形渗水压力渗流滑坡土的渗透性及渗流稳定土的渗透性及渗流稳定二维渗流及流网二维渗流及流网渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形扬压力土坡稳定分析土坡稳定分析挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工多雨地区边坡概述2 土的渗透性及水的渗流 13第二章 土的渗透性及水的渗流 2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2.1 2.1 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律2.2 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 142.

6、1 土的渗透性与渗透规律 一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与水力坡降二渗透试验与达西定律二渗透试验与达西定律三渗透系数的测定及影响因素三渗透系数的测定及影响因素四层状地基的等效渗透系数四层状地基的等效渗透系数15ABL2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与水力坡降2 土的渗透性及水的渗流 16ABL一渗流中的水头与水力坡降h1h2zAzBh h00基准面基准面水力坡降线水力坡降线总水头总水头单位重量水体所具有的能量z：位置水头：位置水头u/u/w w：压力水头：压力水头V2/(2g)：

7、流速水头流速水头00A 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：水力坡降：水力坡降：2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 水头差：水头差：测管水头测管水头2 土的渗透性及水的渗流 17二二. . 渗透试验与渗透试验与达西定律达西定律试验前提试验前提：层流层流h，Q A，Q L， Q断面平均流速断面平均流速水力坡降水力坡降1.1.渗透试验渗透试验试验结果试验结果试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h1，A，L=const量测变量量测变量: : h2，V，Th=h1-h2Q=V/T2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 土的

8、渗透性及水的渗流 182.2.达西定律达西定律 渗透定律在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关。的一次方成正比，并与土的性质有关。二. 渗透试验与达西定律注意：注意：AAvv：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度假想渗流速度，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实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A AvQvA vsAvk: : 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：物理意义：水力坡降水力坡降i1 1时的渗流速度时的渗流速

9、度单位：单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 土的渗透性及水的渗流 192. 2. 达西定律达西定律 适用条件：适用条件：层流（线性流）层流（线性流）2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 二. 渗透试验与达西定律岩土工程中的绝大多数渗流问岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围。属层流范围。在粗粒土孔隙中，水流形态可在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。渗流不再服从达西定律。可用雷诺数可用雷诺数Re进

10、行判断：进行判断：Re5时层流时层流Re 200时紊流时紊流200 Re 5时为过渡区时为过渡区 2 土的渗透性及水的渗流 20层流紊流层流紊流2 土的渗透性及水的渗流 212. 2. 达西定律达西定律（1）粗粒土：）粗粒土：砾石类土中的渗流常不符合达西定律砾石类土中的渗流常不符合达西定律砂土中渗透速度砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0 两种特例：两种特例：（2）粘性土：）粘性土：致密的粘土致密的粘土 i i0, v = k(i - i0 )2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 二. 渗透试验与达西定律2 土的渗透性及水的渗流 22三三. .

11、渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 室内试验测定方法室内试验测定方法野外试验测定方法野外试验测定方法常水头试验法常水头试验法变水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔抽水试验井孔注水试验井孔注水试验1. 1. 测定方法测定方法2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 土的渗透性及水的渗流 23 室内试验方法室内试验方法1 1常水头试验法常水头试验法三. 渗透系数的测定及影响因素 1. 1. 测定方法测定方法结果整理结果整理试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h，A，L=const量测变量量测变量: : V，ti=h/LV=Qt=vAtv=ki适用土类

12、：适用土类：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 hL土样土样AVQ 室内试验方法室内试验方法22变水头试验法变水头试验法透水性较小的粘性土透水性较小的粘性土?2 土的渗透性及水的渗流 第七次课至此詹第七次课至此詹24三. 渗透系数的测定及影响因素 1. 1. 测定方法测定方法 室内试验方法室内试验方法22变水头试验法变水头试验法试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h变化变化，A，L=const量测变量量测变量: : h ，t2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测

13、管测管开关开关a2 土的渗透性及水的渗流 25三. 渗透系数的测定及影响因素 1. 1. 测定方法测定方法 室内试验方法室内试验方法22变水头试验法变水头试验法结果整理结果整理: :理论依据理论依据: :t时刻：时刻： hdtdhdVe= - adhdVo=kiAdt=k (h/L)AdtdVe=dVo流入量流入量：流出量：流出量：连续性条件：连续性条件：-adh =k (h/L)Adt选择几组选择几组h1, h2, t ，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开关ahdhtt

14、+dt2 土的渗透性及水的渗流 第七次课至此铁第七次课至此铁26 野外测定方法野外测定方法抽水试验和注水试验法抽水试验和注水试验法优点：可获得现场较为可优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数靠的平均渗透系数1. 1. 测定方法测定方法三. 渗透系数的测定及影响因素 地下水位地下水位测压管水面测压管水面井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层观察井观察井A=2rhi=dh/dr缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长实验方法：实验方法：理论依据：理论依据：2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 积积分分2 土的渗透性及水的渗流 第七次课至此城第七次

15、课至此城272.影响因素 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三. 渗透系数的测定及影响因素 饱和度（含气量）饱和度（含气量）水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 土的渗透性及水的渗流 282.2.影响因素影响因素 三. 渗透系数的测定及影响因素 2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 粒径大小及级配：粒径大小及级配：是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形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。成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体

16、孔隙的大小一般由细颗粒所控制。（1）土粒特性的影响）土粒特性的影响孔隙比：孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数k一般随孔隙比一般随孔隙比e增大而增大。增大而增大。矿物成分：矿物成分：对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系对粘性土，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数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石伊里石伊里石蒙脱石；塑性指蒙脱石；塑性指数数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数。综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数。结构：结构：影

17、响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，常使得天然沉积层状粘性土层，常使得 k水平水平 k垂直垂直；在微观结构上，当孔隙；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的透水性。比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。2 土的渗透性及水的渗流 29饱和度饱和度 s sr r(%)(%)渗透系数渗透系数k(10k(10-3-3cm/s)cm/s)8 87 76 65 54 43 32 280 90 10080 90 100饱和度的影响饱和度的影响流体粘滞性的影响流体粘滞性的影响温度高温

18、度高粘滞性低粘滞性低渗透系数大渗透系数大封闭气泡对封闭气泡对k影响很大，可影响很大，可减少有效渗透面积，还可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道以堵塞孔隙的通道2.2.影响因素影响因素 三. 渗透系数的测定及影响因素 2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 （2）流体特性的影响）流体特性的影响2 土的渗透性及水的渗流 30四四. .层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的确立各层的km考虑渗流方向考虑渗流方向天然土层多呈层状天然土层多呈层状2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 土的渗透性及水的渗流 31H1H2H3Hhk1k2k3x

19、zq1xq3xq2xL四.层状地基的等效渗透系数1122不透水层不透水层水平渗流水平渗流条件条件: :等效渗透系数等效渗透系数: :qx=vxH=kxiHqmx=kmimHm2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 土的渗透性及水的渗流 32H1H2H3Hhk1k2k3xz四.层状地基的等效渗透系数竖直渗流竖直渗流:v承压水承压水条件条件:等效渗透系数等效渗透系数: :2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 土的渗透性及水的渗流 33算例算例 按层厚加权平均，由较大值控制按层厚加权平均，由较大值控制倒数按层厚加权平均，由较小值控制倒数按层厚加权平均，由较小值控

20、制四.层状地基的等效渗透系数2.12.1土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2 土的渗透性及水的渗流 342.1 2.1 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 第二章 土的渗透性及水的渗流 2.2 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 352.2 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 hh h恒定恒定稳定渗流稳定渗流h=h(x,z), v=v(x,z)对单宽对单宽dydy=1=1，取一微小单元，取一微小单元dxdx, , dzdz与时间无关与时间无关xz2 土的渗透性及水的渗流 36Laplace方程方程（基本方程）（基本方程）连续性

21、条件连续性条件达西定律达西定律流线方程流线方程假定假定kx=kz2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 流线描述流线描述水头描述水头描述势函数的势函数的基本方程基本方程 流函数的流函数的基本方程基本方程 势函数势函数 流函数流函数共轭调和，等值线正交共轭调和，等值线正交求解（流网）求解（流网）边界条件边界条件基本要求基本要求绘制方法绘制方法主要特点主要特点实际应用实际应用2 土的渗透性及水的渗流 372.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 连续性条件连续性条件一一. 平面渗流的基本方程及求解平面渗流的基本方程及求解 1. 基本方程基本方程水头描述水头描述2 土的渗透性及水的渗流 382.2 平面渗

22、流与流网平面渗流与流网 连续性条件连续性条件 达西定律达西定律Laplace方程方程描述渗流场内部的测管水头描述渗流场内部的测管水头的分布，是平面稳定渗流的的分布，是平面稳定渗流的基本方程式之一基本方程式之一 假定假定 kx=kz 水头描述水头描述 h：势函数：势函数与渗透系数无关与渗透系数无关 等价于水头等价于水头一. 平面渗流的基本方程及求解 1. 1. 基本方程基本方程 2 土的渗透性及水的渗流 392.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 1. 基本方程基本方程流线描述流线描述一. 平面渗流的基本方程及求解 xz+ddql 同一条流线上，流函数的值为常数，流线不能相交同一条流线上，流函数的

23、值为常数，流线不能相交l 两条流线流函数的差值等于其间通过的流量两条流线流函数的差值等于其间通过的流量v vx xv vz zdzdz- -dxdx(x,z)2 土的渗透性及水的渗流 402.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 一. 平面渗流的基本方程及求解 流线描述流线描述1. 1. 基本方程基本方程 Laplace方程方程1 1）势函数和流函数均满足拉普拉斯方程）势函数和流函数均满足拉普拉斯方程2 2）势函数等值线和流函数）势函数等值线和流函数等值线等值线正交，任一点两线的斜率互成负倒数正交，任一点两线的斜率互成负倒数3 3）势函数和流函数为共轭调和函数，两者完备地描述了一渗流场）势函数和流

24、函数为共轭调和函数，两者完备地描述了一渗流场 +d +d ba2 土的渗透性及水的渗流 41一. 平面渗流的基本方程及求解 2. 求解方法求解方法 确定渗流场内各点的确定渗流场内各点的测管水头测管水头h h的分布的分布基本方程基本方程边界条件边界条件定解条件定解条件2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 其它各量其它各量2 土的渗透性及水的渗流 42一. 平面渗流的基本方程及求解 2. 2. 求解方法求解方法 边界条件边界条件2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙水头边界条件：水头边界条件：首尾等水头线首尾等水头线12 流速边界条件：流速边界条件：

25、边界流线边界流线3 其它边界条件：其它边界条件：渗出面、渗出面、自由水面自由水面11222 土的渗透性及水的渗流 43一. 平面渗流的基本方程及求解 2. 2. 求解方法求解方法 解析方法解析方法试验比拟方法试验比拟方法 （电比拟方法）（电比拟方法） 数值方法数值方法图解法图解法 流网流网近似求解方法近似求解方法 适用于边界条件简单的情况适用于边界条件简单的情况 通解：两个共轭调和函数通解：两个共轭调和函数势函数势函数( (x,zx,z) )流函数流函数( (x,zx,z) )等势线等势线流线流线相互正交相互正交边界条件边界条件特定解特定解差分法、有限元方法，精度高，应用愈来愈广泛差分法、有限

26、元方法，精度高，应用愈来愈广泛 利用渗流场和电场均服从利用渗流场和电场均服从LaplaceLaplace方程这一特点，按一定比例制方程这一特点，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，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。以达到确定渗流场中渗流要素的目的。理论基础：理论基础：解析法的结果解析法的结果2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2 土的渗透性及水的渗流 44二二.流网的绘制及应用流网的绘制及应用 流流 网网渗流场中的两族相互正交曲线渗流场中的两族相互正交曲线等势线和流线所形成的网等势线和流线所形成的

27、网络状曲线簇。络状曲线簇。流流 线线水质点运动的轨迹线。水质点运动的轨迹线。等势线等势线测管水头相同的点之连线测管水头相同的点之连线 。流网法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。通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。H h02.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2 土的渗透性及水的渗流 45 基本要求基本要求1. 正交性：流线与等势线（等水头线）必须正交正交性：流线与等势线（等水头线）必须正交二.流网的绘制及应用 H h0lsls2. 等间隔流线与等间隔等势线形成的流网中，各个网格等间隔流线与等间隔等势线形成的流网中，各个网格的长宽比的长宽比c应为常数。取应为常数。

28、取c=1，即为曲边正方形即为曲边正方形3. 在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 +d +d ba通解通解数学描述数学描述几何表示几何表示2 土的渗透性及水的渗流 46ABCDlsHh h00ls二.流网的绘制及应用 绘制方法绘制方法一个高精度的流网图，需经过一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成。多次的修改后才能完成。根据渗流场根据渗流场的边界条件的边界条件确定边界流线确定边界流线和首尾等势线和首尾等势线正交性正交性曲边正方形曲边正方形初步绘制流网初步绘制流网流线流线等势线等势线反复修改，调整

29、反复修改，调整精度较高的流网图精度较高的流网图2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 工具：工具：铅笔橡皮铅笔橡皮2 土的渗透性及水的渗流 47 主要特点主要特点与上下游水位变化无关与上下游水位变化无关 hh=const=const；与与k k无关；无关；等势线上各点测管水头等势线上各点测管水头h h相等。相等。二.流网的绘制及应用 H h0lsls2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2 土的渗透性及水的渗流 48测管水头测管水头 h 实际应用实际应用 确定孔压确定孔压 确定流速确定流速 确定流量确定流量二.流网的绘制及应用 水力坡降水力坡降H h0lsls2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网

30、 M: 流道数流道数H= h/N: 相邻等势线间的水头损失相邻等势线间的水头损失2 土的渗透性及水的渗流 49Laplace方程方程（基本方程）（基本方程）连续性条件连续性条件达西定律达西定律假定假定kx=kz流线方程流线方程水头描述水头描述势函数势函数 流线描述流线描述流函数流函数共轭、正交共轭、正交理论基础理论基础边界条件边界条件小结2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 求解求解平平面面渗渗流流的的基基本本方方程程及及求求解解流流网网的的绘绘制制及及应应用用实际应用实际应用基本要求基本要求主要特点主要特点绘制方法绘制方法2 土的渗透性及水的渗流 50土的渗透性及水的渗流 第二章512.1

31、2.1 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 第二章 土的渗透性及水的渗流 2.2 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 522.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一一. 渗透力渗透力1、试验观察渗透变形渗透变形渗透力渗透力二二. .渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏） 2、物理本质3、计算方法土水整体分析土水整体分析土水隔离分析土水隔离分析53一一. . 渗透力渗透力1、试验观察hh=0 =0 静水中，土骨架会受到浮力作用。静水中，土骨架会受到浮力作用。hh0 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

32、骨水在流动时，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。架产生一个摩擦、拖曳力。渗透力渗透力 j 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。渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性及水的渗流 54一. 渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b土土粒粒渗渗 流流j2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 渗透力与浮力有何区别？渗透力与浮力有何区别？2、物理本质2 土的渗透性及水的渗流 55h200hwL土

33、样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W = = LsatsatL( + w)P1 = = whwP2 = = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L 土水整体分析土水整体分析2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一. 渗透力3、计算方法2 土的渗透性及水的渗流 56h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W = = LsatsatL( + w)P1 = = whwP2 = = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + w

34、h1 = L( + w) + whw R = L whR = L 渗流中的土体渗流中的土体2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一. 渗透力土水整体分析土水整体分析3 3、计算方法、计算方法2 土的渗透性及水的渗流 57h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1R = L whR = L 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？水与土之间的作用力渗流的拖曳力水与土之间的作用力渗流的拖曳力总渗透力总渗透力J = wh渗透力渗透力 j = J/V = wh/

35、L = wij = wi2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一. 渗透力土水整体分析土水整体分析3 3、计算方法、计算方法2 土的渗透性及水的渗流 58h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1RA=1R = L wh渗流中的土体所受滤网支持力渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少临界水力坡降临界水力坡降i = h/L = /wicr = / /w L wh = 02.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一. 渗透力土水整体分析土水整体分析3 3、计算方法、计算方法2 土的渗透性及水的渗流 59P2WP1Rh1hh2

36、00hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bA=1P1+ Ww+ J = P2水体的平衡条件水体的平衡条件j = wiwhw+ wL + j L= wh1WJWwJ=R+P2P1P1 = = whwP2 = = wh1Ww= Vvw+ Vsw= Lw土水隔离分析土水隔离分析2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一. 渗透力3 3、计算方法、计算方法2 土的渗透性及水的渗流 60渗透力的性质渗透力的性质物理意义：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 = wi大小：大小：方向：方向：与与i方向一致（均质土与方向一致

37、（均质土与渗流方向一致）渗流方向一致）作用对象：作用对象：土骨架土骨架2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一. 渗透力2 土的渗透性及水的渗流 61利用流网求渗透力利用流网求渗透力复杂条件总渗透力总渗透力大大 小：小：j 网格面积网格面积 方方 向：向：与与i方向一致（均质土：流线）方向一致（均质土：流线）作用点：作用点：形心形心 流网较密处流网较密处i i较大，该处渗透力也大较大，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不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同H h0lsls2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一. 渗透力2 土的渗透性及水的渗流 62基本类型基本类型

38、二二. .渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏） 流土流土管涌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形成条件 防治措施防治措施 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性及水的渗流 63粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体1.1. 基本类型基本类型 二.渗透变形（渗透破坏） 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渗流渗流原因：原因：2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性及水的渗流 641.1. 基本类型基本类型 管涌管涌原因：原因：内因内因 有足够

39、多的粗颗粒形有足够多的粗颗粒形成大于细粒径的孔隙通道成大于细粒径的孔隙通道外因外因渗透力足够大渗透力足够大 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。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。管涌管涌破坏2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 二.渗透变形（渗透破坏） 2 土的渗透性及水的渗流 651. 基本类型基本类型 流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土土体局部范围的颗粒同时发土体局部范围的颗粒同时发生移动生移动管涌管涌只发生在水流渗出的表层只

40、发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可只要渗透力足够大，可发生在任何土中发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成的土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生在特定级配的无一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口二.渗透变形 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性及水的渗流 662.2.形成条件形成条件F

41、s: 安全系数安全系数1.52.0二.渗透变形 i : 允许坡降允许坡降i icr :土体处于稳定状态土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体发生流土破坏土体处于临界状态土体处于临界状态流土流土经验判断：经验判断：2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 无压重时：无压重时：2 土的渗透性及水的渗流 67较均匀土较均匀土（CuCu1010）二.渗透变形 2.2.形成条件形成条件管涌管涌几何条件几何条件水力条件水力条件一般发生在无粘性土中一般发生在无粘性土中级配级配孔隙及细粒孔隙及细粒判定判定非管涌土非管涌土粗粒形成的孔隙粗粒形成的孔隙通道小于细粒径通道小于细粒径不均不均匀土匀土（Cu10Cu10）

42、不连续不连续连续连续D D0 0=0.25d=0.25d2020细粒含量细粒含量35%35%细粒含量细粒含量25%25%细粒含量细粒含量=25-35%=25-35%D D0 0 d d5 5D D0 0 = d = d3 3-d-d5 5管涌土管涌土过渡型土过渡型土非管涌土非管涌土非管涌土非管涌土管涌土管涌土过渡型土过渡型土几何条件几何条件P(%)lgd骨架骨架充填料充填料P53d5d32.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性及水的渗流 68水力条件：水力条件：i icr5 10 15 20 25 30 35 402.01.51.00.50icrCu流土流土过渡过渡管涌管涌二.

43、渗透变形 2.2.形成条件形成条件Cu 20时时, icr =0.25-0.30 i=0.10-0.15苏联：苏联：中国：中国：水力坡降级配连续土级配不连续土破坏坡降icr0.20-0.400.1-0.3允许坡降i0.15-0.250.1-0.22.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性及水的渗流 69管涌与流土的比较管涌流土1 与级配有关（不连续级配） 与级配无关（各种级配土均可发生）2水利坡降 i 较小也会发生需渗透力3土体中任何部位渗流出口处4沿土体中任何方向与重力方向相反70流土2 土的渗透性及水的渗流 71流土2 土的渗透性及水的渗流 72 图为发生在上海黄浦江隧道施工

44、中流土带来的灾害。施工中发生渗水后，随后出现大量流砂涌入施工中的隧道，导致中山南路部分地面下沉，建筑倾斜。 2 土的渗透性及水的渗流 73管涌管涌指在渗流作用下土体的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。主要发生在砂砾土中。2 土的渗透性及水的渗流 74 图为发生在湖南望城湘江大堤最大的管涌。由于暴雨使湘江水猛长，使土体中的水力坡降增加，加之土结构的几何原因，发生了图中的管涌。沙袋用来提高逸出口水位，以降低水力坡降。此外还抛了一些大的砾石形成反滤层。2 土的渗透性及水的渗流 75管涌2 土的渗透性及水的渗流 76管涌2 土的渗透性及水的渗流 773. 3. 防治措施防治措施 增

45、大增大 ii：下游增加透水盖重下游增加透水盖重 二.渗透变形防治流土防治流土土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层减小减小i i ：上游延长渗径；上游延长渗径； 下游减小水压下游减小水压防治管涌防治管涌改善几何条件：改善几何条件：设反滤层等设反滤层等改善水力条件：改善水力条件：减小渗透坡降减小渗透坡降2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2 土的渗透性及水的渗流 78管涌的治理反滤倒渗2 土的渗透性及水的渗流 79管涌的治理反滤围井2 土的渗透性及水的渗流 80管涌的治理蓄水反压2 土的渗透性及水的渗流 81小结工程实例工程实例渗流问题渗流问题土的

46、渗透性土的渗透性及渗透规律及渗透规律二维渗流二维渗流及流网及流网渗透力与渗透力与渗透变形渗透变形渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数平面渗流的基平面渗流的基本方程及求解本方程及求解 流网的绘流网的绘制及应用制及应用 渗透力：渗透力：概念与计算概念与计算渗透变形：渗透变形：类型，条件，防治类型，条件，防治2 土的渗透性及水的渗流 82n位置水头：位置水头：到基准面的竖直距离，到基准面的竖直距离，代表单位重量的液体从基准面算起代表单位重量的液体从基准面算起所具有的

47、位置势能所具有的位置势能n压力水头：压力水头：水压力所能引起的自由水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重量液体所水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能具有的压力势能n测管水头：测管水头：测管水面到基准面的垂测管水面到基准面的垂直距离，等于位置水头和压力水头直距离，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之和，表示单位重量液体的总势能n在静止液体中各点的测管水头相等在静止液体中各点的测管水头相等位置、压力和测管水头位置、压力和测管水头zA00ABu0pazB基准面基准面静水静水83水流动的驱动力水流动的驱动力水往低处流水往低处流水往高处水往高处“跑跑”速度速度v压力压力u位

48、置：位置：使水流从位置势能使水流从位置势能高处流向位置势能低处高处流向位置势能低处流速：流速：水具有的动能水具有的动能压力：压力：水所具有的压力势能水所具有的压力势能也可使水流发生流动也可使水流发生流动84n位置势能：位置势能：mgzn压力势能：压力势能：00基准面基准面质量质量 m压力压力 u流速流速 vzn动能：动能：n总能量：总能量：称为总水头，是水流动称为总水头，是水流动的驱动力的驱动力n单位重量水流的能量：单位重量水流的能量：水流动的驱动力水流动的驱动力 - 水头水头85渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降ABL透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙渗流为水体的流动

49、，应满渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程：连续性方程、能量方程、动量方程程、动量方程86ABLhAzA基准面基准面n 总水头：总水头：单位单位重量重量水体所具有的能量水体所具有的能量 位置水头位置水头Z Z：水体的位置势能（任选基准面）：水体的位置势能（任选基准面） 压力水头压力水头u/ w：水体的压力势能（：水体的压力势能（u孔隙水压力）孔隙水压力） 流速水头流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流：水体的动能（对渗流多处于层流0）n 渗流的总水头：渗流的总水头：渗流问题的水头渗流问题的水头也称也称测管水头测管水头，是渗流的

50、，是渗流的总驱动能，渗流总是从水总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处头高处流向水头低处87 A A点总水头：点总水头：水力坡降水力坡降ABLhAhBzAzBh h基准面基准面水力坡降线水力坡降线 B B点总水头：点总水头：二点总水头差：反映了二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力两点间水流由于摩阻力造成的能量损失造成的能量损失 水力坡降水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失：单位渗流长度上的水头损失88达西渗透试验达西渗透试验LAh1h2QQ透水石1856 年达西年达西(Darcy)在研究城在研究城市供水问题时进行的渗流试验市供水问题时进行的渗流试验或：或：其中，其中，A是试样的断面积是

51、试样的断面积89达西定律达西定律n达达西西定定律律：在在层层流流状状态态的的渗渗流流中中，渗渗透透速速度度v与与水水力力坡坡降降i的一次方成正比，并与土的性质有关的一次方成正比，并与土的性质有关n渗渗透透系系数数k: 反反映映土土的的透透水水性性能能的的比比例例系系数数，其其物物理理意意义义为为水力坡降水力坡降i1时的渗流速度，单位：时的渗流速度，单位： cm/s, m/s, m/dayn渗渗透透速速度度v：土土体体试试样样全全断断面面的的平平均均渗渗流流速速度度，也也称称假假想想渗流速度渗流速度其中，其中，V Vs s为实际平均流速，孔隙断面的平均流速为实际平均流速，孔隙断面的平均流速90达

52、西定律的适用范围达西定律的适用范围n 适用条件：层流（线性流动）适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝大多数渗流岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判定律。可用雷诺数进行判断断 ：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5达西定律达西定律适用范围适用范围2.01.51.00.50水水力力坡坡降降流速流速 (m/h)砾石砾石粗砂粗砂中砂中砂细砂细砂极细砂极细砂h10dvRe=Re5时层流时层流Re 200时紊流时紊流200 Re 5时为过渡区时为过渡区 91管涌与流土的比较92