第4章 土的渗透性及土中渗流

1、49-1土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院孔隙水在水头差作用下渗透：水透过土体孔隙的现象 渗透性：土允许水透过的性能称为土的渗透性 造成水量损失，影响工程效益 引起土体内部应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，甚者还会酿成破坏事故 本章将主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，以及渗透力、渗透变形等问题。 概述49-2土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院渗流量渗透变形土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线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49-3土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院

2、吉林大学建设工程学院渗水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49-4土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院渗流量透水层不透水层天然水面天然水面水水 井井 渗渗 流流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q49-5土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院渗流量渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流49-6土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院Teton坝坝概况：概况：土坝高土坝高90m90m，长，长1000m1000m，建成，建成于于19751975年，年，19761

3、976年年6 6月失事月失事损失：损失：直接损失直接损失80008000万美元，万美元，间接损失间接损失2.52.5亿美元，亿美元，死亡死亡1414人，受灾人，受灾2.52.5万万人，人，6060万亩土地万亩土地原因：原因：渗透破坏水力劈裂渗透破坏水力劈裂49-7土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院Teton坝坝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。49-8土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院Teton坝坝1111：0000左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加49-9土质学与土力学土质学与土力

4、学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院TetonTeton坝坝11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。49-10土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院11：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。TetonTeton坝坝49-11土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下TetonTeton坝坝49-12土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院12：00过后坍塌口加宽TetonTeton坝坝49-

5、13土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁TetonTeton坝坝49-14土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage水头：水头：单位重量水体所具有的能量。 按照伯努里方程，液流中一点的总水头由三部分组成总水头由三部分组成： 1. 位置水头位置水头 z 2. 压力水头压力水头 u/ w 3. 流速水头流速水头 v2/2g达西定达西定律律一、一、土的渗透定律土的渗透定律 达西定律（达西定律（H.Darcy,1856） 1.1.渗流中的总水头与水力坡降渗流中的总水头与水力坡降 液体流动

6、必须满足的条件：液体流动必须满足的条件： 连续原理连续原理 能量守恒原理能量守恒原理(伯努里伯努里D.Bernoulli方程方程) 为了研究的方便，常用水头水头的概念来研究水体流动中的位能位能和动能动能。h=z+u/ w+v2/2g 49-15土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage达西定达西定律律h=z + u/ w 49-16土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage伯努里方程伯努里方程用于土中渗流计算时需要注意两点： (1) 饱和土体中两点间是否出现渗流，完全由总水头差总水头差决定。只有当两点间存在总水

7、头差时，才会发生水从总水头高的点向总水头低的点流动。 (2) 由于土中渗流阻力大，故流速v在一般情况下都很小，因而形成的流速水头也很小，为简便起见可以忽略。 由于渗流过程中存在能量损失，测管水头线沿渗流方向下降。两点间的水头损失，可用一无量纲的形式来表示，即 i=h/L i 称为水力坡降，L为两点间的渗流路径， 水力坡降的物理意义:单位渗流长度上的水头损失单位渗流长度上的水头损失。49-17土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage 达西根据对不同尺寸的圆筒和不同类型及长度的土样所进行的试验发现，渗出量Q与圆筒断面积A和水力坡降i成正比，且与土的透水性

8、质有关。即LhAQkAiQ kiAQv写成等式为：写成等式为：上式称为达西定律达西定律。 式中，v断面，单位mm/s或或m/day； k反映土的透水性能的比例系数，称为。它相当于水力水力 坡降坡降i1时的渗透速度时的渗透速度，故其量纲与流速相同，mm/s 或或 m/day。达西定律达西定律 49-18土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage 并不是土孔隙中水的。因为公式推导中采用的是土样的整个断面积，其中包括了土粒骨架所占的部分面积在内。 土粒本身是不能透水的，故真实的过水面积 应小于 ，从而实际平均流速应大于 。一般称 为假想渗流速度 v 与 vs

9、 的关系可通过水流连续原理建立: vs= v/n 为了研究方便，渗流计算中均采用假想的平均流速假想的平均流速。 49-19土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage达西定律的适用范围达西定律的适用范围 达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损失关系的规律，即与成线性关系，因此只。在土木工程中，绝大多数渗流，无论是发生在砂土中或一般的粘性土中，均可视为层流范围，故达西定律均可适用。49-20土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage渗透系数的测定和影响因素渗透系数的测定和影响因素 是一个代表土的渗透性强弱的定量指

10、标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。不同种类的土，k 值差别很大。因此，准确地测定土的渗透系数是一项十分重要的工作。 (1)渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法 渗透系数的测定方法主要分实验室内测定和野外现场测定两大类。 实验室测定法实验室测定法 目前在实验室中测定渗透系数 k 的试验方法很多，但从试验原理上大体可分为常水头法常水头法和变水头法变水头法两种。 现场测定法现场测定法 现场研究场地的渗透性，进行渗透系数 k 值测定时，常用现场井孔抽水试验或井孔注水试验的方法。 49-21土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage 适用于测定透水性大的

11、砂性土砂性土的渗透系数。 适用于测定渗透性很小的粘性土粘性土的渗透系数。 由于粘性土的渗透水量很由于粘性土的渗透水量很少，用常水头试验不易准确少，用常水头试验不易准确测定测定。室内试验方法室内试验方法49-22土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage现场抽水试验方法现场抽水试验方法 122122log)(3 . 2rrhhQk)(2)/ln(00hHDrRQk49-23土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院经验公式经验公式哈臣（哈臣（A.Hazen）提出砂质土的渗透系数）提出砂质土的渗透系数 k210)5 . 11 (

12、dk 太沙基提出了考虑土体孔隙比太沙基提出了考虑土体孔隙比 e 的经验公式的经验公式22102edk 49-24土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage成层土的等效渗透系数成层土的等效渗透系数 大多数天然沉积土层是由渗透系数不同的多层土所组成，宏观上具有非均质性。等效方法等效方法： 等效厚度等于各土层之和。 等效渗透系数的大小与水流的方向有关。层状土层层状土层 单一土层单一土层 49-25土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage 水平渗流的特点：水平渗流的特点： (1) 各层土中的水力坡降各层土中的水力坡降

13、i( h/L)与等效土层的平均水力坡降与等效土层的平均水力坡降i相同相同。 (2) 垂直垂直x-z面取单位宽度，通过等效土层面取单位宽度，通过等效土层H的总渗流量等于各层土渗流量的总渗流量等于各层土渗流量 之和，即之和，即 niixxxxxqqqqq1321 将达西定律代入上式可得沿水平方向将达西定律代入上式可得沿水平方向 的等效渗透系数的等效渗透系数kx： iniixHkHk1149-26土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院 竖直渗流的特点：竖直渗流的特点： (1)根据水流连续原理，流经各土层的流速根据水流连续原理，流经各土层的流速 与流经等效土层的与流经等

14、效土层的流速相同流速相同，即，即 (2)流经等效土层流经等效土层H的的总水头损失总水头损失h等于各层等于各层 上的水头损失之和上的水头损失之和，即，即 将达西定律代入上式可得沿竖直方向的等效将达西定律代入上式可得沿竖直方向的等效 渗透系数渗透系数kz： vvvv321niihhhhh1321niiizkhHk149-27土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage计算结果表明，薄砂夹层对于垂直渗透系数几乎没有影响，但对计算结果表明，薄砂夹层对于垂直渗透系数几乎没有影响，但对于水平等效渗透系数有着巨大影响（与没有砂夹层比增加于水平等效渗透系数有着巨大影响（

15、与没有砂夹层比增加21倍倍多），值得注意。多），值得注意。49-28土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage例题例题42对由三层土组成的试样进对由三层土组成的试样进行垂直和水平渗透试验，行垂直和水平渗透试验，见图，两种试验中水头差见图，两种试验中水头差均为均为25cm，试样的长、，试样的长、宽、高均为宽、高均为45cm。图中图中，黏土scmkcmH/105 . 2,5611粉土scmkcmH/104,20422砂土scmkcmH/102,20233求：求：水平方向等效渗透系数和渗水平方向等效渗透系数和渗流量；流量； 垂直方向等效渗透系数和垂直方向等效

16、渗透系数和渗流量；渗流量；垂直向上渗透试验中稳垂直向上渗透试验中稳定渗流时定渗流时A、B、C三点的量水管测三点的量水管测管水头管水头hA、 hB 、 hC 。49-29土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage49-30土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage49-31土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院 1.土的粒度成分和矿物成分的影响土的粒度成分和矿物成分的影响 (1)粒径大小与级配粒径大小与级配； (2)孔隙比孔隙比； (3)矿物成分矿物成分； (4)饱和度饱和度。 尤

17、以前两项，即粒径大小和孔隙比对k 的影响最大。 2.土的结构的影响土的结构的影响 3.土中气体的影响土中气体的影响 4.渗透水的性质对渗透水的性质对k值的影响值的影响 水的性质对渗透系数k 值的影响主要是由于粘滞性不同所引起。温度高时，水的粘滞性降低， k值变大：反之k值变小。49-32土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage49-33土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImageNoImage 取土水为整体作为隔离体，则作用在土柱上的力： (1) 土水总重量 W satL； (2) 土柱两端的边界水压力 whw

18、和 w h1； (3) 土柱下部滤网的支 承反力R。 在此种条件下，土粒与水之间的作用力为内力，在土柱的受力分析中不出现。 方法一方法一 49-34土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage 把土骨架和水分开来取隔离体。 作用在土骨架隔离体上的力：作用在土骨架隔离体上的力： (1) 土粒有效重量W L； (2) 总渗透力JjL,方向竖直向上； (3) 下部支承反力R。 作用在孔隙水隔离体上的力：作用在孔隙水隔离体上的力： (1)孔隙水重量和土粒浮力的反力之和。 WwVv w + VS w wL (2)土柱两端的边界水压力 w hw和 w h1； (3)

19、土柱内土粒对水流的阻力，其大小和渗透力相等，方向相反。则总阻力 J j L。49-35土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage考虑水体隔离体的平衡条件，可得：考虑水体隔离体的平衡条件，可得：iLhLLhhjhLjLhhJwhwwwwwwwwwwww)(111故渗透力故渗透力 j = j= w i 渗透力是一种体积力，量纲与渗透力是一种体积力，量纲与 w相同。渗透力的大小和水力坡降成相同。渗透力的大小和水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。正比，其方向与渗流方向一致。 渗透力的计算渗透力的计算49-36土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院

20、吉林大学建设工程学院 (一一)渗透力实验验证渗透力实验验证 当h1h2时，土中水处于静止状态，无渗流发生， 贮水器向上提升，使h1h2，由于存在水头差土中产生向上的渗流。水头差 h是土体中渗流所损失的能量。能量损失说明土粒对水流给以阻力；反之渗流必然对每个土颗粒有推动、摩擦和拖曳的作用力，称之为渗透力渗透力，可定义为每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力，用 j表示。49-37土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage土的渗透变形土的渗透变形( (渗透破坏渗透破坏) ) 土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称渗透变形土工建筑物及地基由于渗流作用而

21、出现的变形或破坏称渗透变形( (或称渗或称渗透破坏透破坏) )。如土层剥落，地面隆起，以及出现集中渗流通道等。如土层剥落，地面隆起，以及出现集中渗流通道等。 ( (一一) ) 渗透变形的类型渗透变形的类型 土的渗透变形类型就单一土层来说主要有土的渗透变形类型就单一土层来说主要有流砂流砂和和管涌管涌两种基本型式。两种基本型式。 1.1.流砂流砂 在在向上的渗透水流向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象称为浮、移动的现象称为流土流土或或流砂流砂。只要水力坡降达到一定的大小，都会发生。只要水力坡降达到一定的大小，都

22、会发生流土破坏。流土破坏。49-38土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage2.管涌管涌 在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动以在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动以 至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透流速不断增加较粗的颗粒也相至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透流速不断增加较粗的颗粒也相 继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌 陷，这种现象称为陷，这种现象称为管涌管涌。 管涌破坏一般有个时间发展过程，是一种管涌破坏一般有个时间发展

23、过程，是一种渐进性质的破坏渐进性质的破坏。管涌发。管涌发 生在一定级配的无粘性土中，发生的部位可以在生在一定级配的无粘性土中，发生的部位可以在渗流逸出处渗流逸出处，也可以在，也可以在 土体内部土体内部，故也称之为渗流的潜蚀现象。，故也称之为渗流的潜蚀现象。49-39土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage二维渗流与流网二维渗流与流网 工程上遇到的渗流问题，常常属于边界条件复杂一些的二维或三维渗流问题。例如闸坝下透水地基的渗流，以及土坝坝身的渗流等，其流线都是弯曲的，不能再视为一维渗流。这时，达西定律也需用微分方程形式来表达。 为了求解和评价渗流在地基

24、或坝体中是否造成有害的影响，需要知道整个渗流场中各处的测管水头、渗透坡降和渗流速度。通常按平面渗流问题处理。 49-40土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage02222yhkxhkyx 对于各向同性的均质土，kxky，则上式可表示为：02222yhxh 上式即为著名的拉普拉斯拉普拉斯(Laplace)方程。该方程描述了渗流场内部的测管水头h的分布，是平面稳定渗流的基本方程式。通过求解一定边界条件下的拉普拉斯方程，即可求得该条件下的渗流场。 一、平面渗流的基本方程一、平面渗流的基本方程49-41土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大

25、学建设工程学院NoImage二、拉普拉斯方程式的求解二、拉普拉斯方程式的求解 大致可分为下述四种类型： 是用绘制流网的方法求解拉普拉斯方程的。该法具有简便、迅速的优点，并能用于建筑物边界轮廓较复杂的情况。只要满足绘制流网的基本要求，精度就可以得到保证，因而该法在工程上得到广泛应用。49-42土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage流网的绘制及应用流网的绘制及应用 1.绘制流网的基本要求绘制流网的基本要求绘制原则绘制原则: (1) 流线与等势线必须正交。 (2) 流线与等势线构成的各个网格的长宽比应为常数，即 l/ sC。当取 l= s时，网格应呈曲线

26、正方形，这是绘制流网时最方便和最常见的一种流网图形。 (3)必须满足流场的边界条件，以保证解的唯一性。49-43土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage 现以透水地基上混凝土坝下的流网为例，说明绘制流网的步骤。 (1)首先根据渗流场的边界条件，确定边界流线和边界等势线。 (2)根据绘制流网的另外两个要求，初步绘制流网。然后再自中央向两边画等势线，每根等势线要与流线正交，并弯曲成曲线正方形。 (3)一般初绘的流网总不能完全符合要求，必须反复修改，直至大部分网格满足曲线正方形为止。49-44土质学与土力学土质学与土力学 吉林大学建设工程学院吉林大学建设工程学院NoImage 流网绘出后，即可求得渗流场中各点的测管水头、水力被降、渗透流速和渗流量。 求总水头求总水头 根据流网特征可知，任意两相邻等势线间的势能差相等，即水头损失相等，相邻两条等势线之间的水头损失h 。即 式