2土的渗透性.ppt.Convertor.doc

土的渗透性 水透过土体孔隙的现象成为渗透 土具有被水透过的性能称为土的渗透性二 Darcy渗透定律 由于土中孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大，流速缓慢 层流Darcy渗透定律v 渗透速度（cm/s或m/s）q 渗流量（cm3/s后m3/s）i 水力梯度，沿渗流方向单位距离的水头 损失，无因次h 试样两端的水位差，即水头损失L 渗径长度k 渗透系数（cm/s或m/s,m/d）A 试样截面积（cm2或者m2）流速与水力梯度的关系砂土砂土的水力梯度与渗透速度呈线性关系，符合达西渗透定律。流速与水力梯度的关系粘土对于密实的粘土，由于吸着水具有较大的粘滞阻力，因此，只有当水力梯度达到某一数值后，克服了吸着水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。我们将这一开始发生渗透时的水力梯度成为粘性土的起始水力梯度ib粘性土不但存在起始水力梯度，而且当水力梯度超过起始水力梯度后，渗透速度与水力梯度的规律还偏离达西渗透定律而呈非线性关系。为方便，用虚直线来描述密实粘土地渗透速度与水力梯度的关系，用以下形式表示。 流速与水力梯度的关系粘土流速与水力梯度的关系砾土在粗粒土中（砾、卵石等），只有在小的水力梯度下，渗透速度与水力梯度才呈非线性关系，而在较大的水力梯度下，水在土中流动进入紊流状态，渗透速度与水力梯度呈非线性关系，此时达西定律同样不能适用 注意按照达西定律求出的渗透速度是一种假想的平均流速 ，它假定水在土中的渗透是通过土体截面来进行的 。实际上 ，水在土体中的实际流速要比用达西定律求出的流速要大得多。他们之间的关系为 Darcy渗透定律的适用条件 太沙基通过大量试验证明从砂土到粘土达西渗透定律在很大的范围内都能适用，其适用范围是由雷诺系数来决定的，也就是说只有当渗流为层流的时候才能适用。根据水的密度，流速v，水的粘滞系数，土粒粒子平均粒径d，可以算出雷诺数ReDarcy渗透定律的适用条件从层流转换为紊流时的Re数一般为0.17.5的范围，而一般认为在土的孔隙内水流只要雷诺数1.0，达西定律就可以满足。因此达西定律的适用界限可以考虑为 Darcy渗透定律的适用条件如果考虑水的密度1.0（g/cm3）水温10时水的粘滞系数0.0131(g/seccm)，而一般的流速可以考虑v0.25（cm/sec）可以算出满足达西定律的土的平均粒径d对于比粗砂更细的土来说，达西渗透定律一般是适用的，而对于粗粒土来讲，只有在水力坡降很小的情况下才能适用。 三 渗透系数的测定 渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力学性质指标。渗透系数的测定可以分为现场试验和室内试验两大类。一般，现场试验比室内试验得到的结果要准确可靠。因此，对于重要工程常需进行现场测定。 室内测定土的渗透系数的仪器和方法很多，但就其原理来讲，可分为常水头试验和变水头试验两种，前者适用于透水性强的无粘性土，后者适用于透水性弱的粘性土。 常水头法 常水头法就是在整个试验过程中，水头保持不变，试验装置如图 用量筒和秒表测出某一时刻t内流经试样的水量V，即可求出流过土体的流量，再根据达西定律求解k变水头法粘性土，渗透系数小，流经水量少变水头法在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的，试验装置如图，试样的一端与细玻璃管相接，在试验过程中测出某一时段内细玻璃管中水位的变化，就可根据达西定律求出水的渗透系数。变水头法设玻璃管的内截面积为a，试验开始以后任一时刻t的水位差为h，经时段dt，细玻璃管中水位下落dh，则在时段dt内流经试样的水量变水头法影响渗透系数的因素很多，诸如土的种类、级配、孔隙比及水的温度等。因此，为了准确地测定土的渗透系数，必须尽力保持土的原始状态并消除人为因素的影响 成层土的渗透系数天然沉积土往往由渗透性不同的土层组成。对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当各层的渗透系数和厚度已知时，我们可以求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数，作为进行渗透计算的依据。与层面平行的情况与层面垂直的情况与层面垂直的情况结论对于成层土，如果各土层的厚度大致相近，而渗透性相差悬殊时与层向平行的平均渗透系数将取决于最透水土层的厚度和渗透性与层向垂直的平均渗透系数将取决于最不透水土层的厚度和渗透性二向渗流和流网特征一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程 单位时间内流入单元体的总水量必等于流出的总水量流网及其特征渗流场中任一点的水头是其坐标的函数，因此求解渗流问题的第一步就是先确定渗流场中各点的水头，亦即求解渗流基本微分方程满足拉普拉斯方程的将是两组彼此正交的曲线，一组称为等势线（各点水头相等），另一组称为流线（表示渗流的方向），等势线和流线交织在一起形成的网格叫流网只有满足边界条件的那一种流线和等势线的组合形式才是拉普拉斯方程的正确解答流网及其特征求解方法解析法数值法电拟法比较精确，但只有在边界条件简单的情况下才能求解有限差分法（FDM）有限单元法（FEM）电网络模拟边界条件比较复杂的渗流典型流网分析接近坝底，流线密集，水力梯度大，渗透速度大远离坝底，流线稀疏，水力梯度小，渗透速度小流网特征流线与等势线彼此正交每个网格的长度比为常数，为了方便常取1，这时的网格就成为正方形或曲边正方形相邻等势线间的水头损失相等各流槽的渗流量相等渗流力及渗透稳定渗流土体内部应力状态变化土体的局部稳定问题土体的整体稳定问题管涌、流土等水库塌岸岸坡、土坝在水位降落时引起的滑动渗流力的概念水在土中流动能量消耗力图拖曳土粒水头损失渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为渗流力渗透力、动水压力渗流力的概念流土、浮冲、砂沸渗流力存在abcdUw1Uw2FsWw渗流力的概念渗流力的概念渗流力的概念渗流力的概念1点，渗流力与重力方向一致，渗流力促使土体压密，对稳定有利2点，3点，渗流力与重力方向正交，对稳定不利4点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利渗透变形的形式按照渗透水流引起的局部破坏特征，渗透变形可分为流土和管涌两种基本形式流土是指在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流逸出处。基坑或渠道开挖时所出现的流砂现象是流土的一种常见形式流土流土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。管涌管涌管涌管涌的治理反滤倒渗管涌的治理反滤围井管涌的治理蓄水反压整体破坏水库塌岸按渗透变形划分土的类型管涌土非管涌土在很大的水力梯度下也不会发生管涌在不大的水力梯度下就可以发生管涌流土型管涌型管涌土的划分管涌土发展性管涌土非发展性管涌土管涌型土过渡型土流土型土非管涌土土土的类型与渗透变形型式粘性土无粘性土过渡型土只有流土而无管涌与土的颗粒组成、级配和密度等因素有关与密度有关，大密度流土，小密度管涌土的临界水力梯度抗渗强度：土体抵抗渗透破坏的能力，通常以濒临渗透破坏时的水力梯度表示，一般称为临界水力梯度或抗渗梯度流土型土的临界水力梯度逸出处单位土体临界水力梯度流土型土的临界水力梯度流土的临界水力梯度决定于土的物理性质，当土的比重和孔隙率已知时，则土的临界水力梯度是一定值，一般在0.81.2之间根据竖向渗流不考虑周围土体的约束作用情况下推得的，因此，按此式求得临界水力梯度偏小，一般比试验值要小1520粘性土的临界水力梯度粘性土由于粒间粘结力的存在，其临界水力梯度较大。粘性土与无粘性土的流土破坏机理不同，后者是由于渗流力的作用，前者则还与土体表面的水化崩解作用（水稳性）以及渗流出口临空面的孔径有关。水科院建议对粘性土逸出梯度与渗透稳定流土一般发生在渗流逸出处。因此只要求出渗流逸出处的水力梯度，就可判别流土的可能性。土处于稳定状态土处于临界状态土处于流土状态逸出梯度与渗透稳定渗透逸出的水力梯度实际上是不可求出的，通常是把渗流逸出处的流网网格的平均水力梯度作为逸出梯度。在设计时，为保证建筑物的安全，通常要求将逸出梯度限制在容许梯度之内管涌型土的临界水力梯度管涌是单个土粒在土体中移动和带出，水科院提出的管涌土临界水力梯度的计算公式为根据渗流场中单个土粒收到的渗流力、浮力以及自重作用时的极限平衡条件，并结合试验资料分析而得到管涌土的临界水力梯度流速与水力梯度的关系临界水力梯度与不均匀系数的关系土的不均匀系数越大，临界水力梯度越小。结论不是绝对的临