土力学教学课件第4章土的渗透性及渗透稳定

土力学教学课件第4章土的渗透性及渗透稳定土力学教学课件第4章土的渗透性及渗透稳定1土体中的渗流土颗粒土中水渗流土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动水在土体孔隙中流动的现象称为渗流土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性土体中的渗流土颗粒土中水渗流土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在22.渗流引起的问题(Problemsinducedbyseepage)（1）渗漏(Leakage)（2）渗透破坏(Seepagefailure)（3）影响土体的固结、强度、稳定和工程施工

Impactconsolidation,strength,stabilityofsoilsandprojectconstruction透水层不透水层防渗体坝体浸润线2.渗流引起的问题(Problemsinduced3渗流问题：1.渗流量Q？2.降水深度？透水层不透水层天然水面水井渗流漏斗状潜水面Q渗流问题：透水层不透水层天然水面水井渗流漏斗状潜水面Q4板桩围护下的基坑渗流渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗水压力？透水层不透水层基坑板桩墙工程实例板桩围护下的基坑渗流渗流问题：透水层不透水层基坑板桩墙工程实5渗流问题：1.渗流量？2.地下水影响

范围？渠道、河流渗流原地下水位渗流时地下水位渗流问题：渠道、河流渗流原地下水位渗流时地下水位6降雨入渗引起的滑坡渗流问题：1.渗透力？2.入渗过程？事故实例降雨入渗引起的滑坡渗流问题：事故实例7渗流量扬压力渗水压力渗透破坏渗流速度渗水面位置挡水建筑物集水建筑物引水结构物基础工程地下工程边坡工程渗透特性变形特性强度特性土的渗透特性渗流量挡水建筑物渗透特性土的渗透特性84.2土的渗透性

Section2Permeabilityofsoils4.2.1水头与水力梯度Waterheadandhydraulicgradient1.水头及其类型（Waterhead

anditstypes）(1)位置水头Elevationheadz(2)压力水头Pressurehead(3)流速水头velocityhead(4)总水头Totalhead(4-1)4.2土的渗透性

Section2Permea92.水力梯度（Hydraulicgradient）4.2.2达西定律

Darcy'slaw1.达西定律的内容

砂土中的渗透流量Q

与水头差(h1-h2)成正比，与渗径L

成反比

(4-5)

图4-2达西砂土试验装置(4-6,a)LAh1h2QQ透水石2.水力梯度（Hydraulicgradient）(410引入水力坡降，则上式可改写为：

Q=kiA上式还可写为：式中，k称为土的渗透系数

(Coefficientofpermeability)(cm/s)。(4-7)(4-6,b)2.达西定律的适用范围(Applicablescope)（1）粗粒土——小于临界流速(Criticalvelocity)Vcr（图4-3）（2）密实粘土——大于起始水力坡降(Incepthydraulicgradient)

ib（图4-4）引入水力坡降，则上式可改写为：(4-7)(4-6,b)2.11达西定律：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，并与土的性质有关渗透系数k:

反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i＝1时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方12达西定律的适用范围适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5达西定律适用范围2.01.51.00.50水力坡降流速(m/h)砾石粗砂中砂细砂极细砂h10dvRe=Re＜5时层流

Re

＞200时紊流

200＞

Re＞5时为过渡区

达西定律的适用范围适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝134.2.3土的渗透系数及其测定

Permeabilitycoefficientofsoilsanditsmeasurement1.渗透系数的物理意义(Physicalmeaning)2.坝基土层渗透性分类（1）强透水层(Strongpermeablelayer)

(k>10-1~10-2cm/s)（2）中等透水层(k＝10-2~10-4cm/s)Moderatepermeablelayer（3）相对不透水层(k<10-4~10-7cm/s)Relativeimpermeablelayer3.室内渗透试验(Permeabilitytestindoor)（1）常水头—粗粒土Constanthead

permeabilitytestforcoarse-grainedsoil(4-9)4.2.3土的渗透系数及其测定(4-9)14土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关ahL土样AVQ变水头试验仪常水头试验仪土样At=t1h1t=t2h2LQ水头开关ahL土样A15变水头试验仪常水头试验仪变水头试验仪常水头试验仪变水头试验仪常水头试验仪变水头试验仪常水头试验仪16（2）变水头——细粒土

Fallingheadpermeabilitytestforfine-grainedsoil两边积分，得(4-10)(4-11)（2）变水头——细粒土(4-10)(4-11)17室内试验方法–小结常水头试验变水头试验条件已知测定公式取值Δh=constΔh变化Δh，A，LV，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土室内试验方法–小结常水头试验变水头试验条件已知测定公式取值Δ18渗透系数的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室内试验方法野外试验方法4.现场渗透试验(Permeabilitytestinsite)（自学）（1）抽水法(Pumpingtest)（2）注水法(Waterinjectiontest)5.经验估算法(Empiricalestimateformula)常见的渗透系数的经验计算公式见P73表4－1。常见的各类土的渗透系数的变化范围见P73表4－2。渗透系数的测定方法常水头试验法井孔抽水试验室内试验方194.现场渗透试验(Permeabilitytestinsite)（自学）（1）抽水法(Pumpingtest)（2）注水法(Waterinjectiontest)5.经验估算法(Empiricalestimateformula)常见的渗透系数的经验计算公式见P73表4－1。常见的各类土的渗透系数的变化范围见P73表4－2。4.现场渗透试验(Permeabilitytest20现场测定法－抽水试验抽水量Qr1r2h1h2井不透水层试验条件:Q=const量测变量:r=r1，h1=？

r=r2，h2=？

优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数缺点：费用较高，耗时较长观察井现场测定法－抽水试验抽水量Qr1r2h1h2井不透水层试验214.3渗流作用下的应力状态

Section3Stressstateunderseepage4.3.1静水中土的有效应力和孔隙水压力(图4-8(a))

Effectivestressandporewaterpressureinstaticwater4.3.2稳定渗流情况下的有效应力和孔隙水压力

Effectivestressandporewaterpressureincaseofstableseepage1.向下渗流的情况(图4-8(b))Caseofseepagedownwards4.3渗流作用下的应力状态

Section3St22由试样2—2截面的受力平衡(Staticequilibrium)得：(4-16)(4-17)由试样2—2截面的受力平衡(Staticequilibr23由有效应力原理得：2.向上渗流的情况（图4-5(c)）CaseofSeepageupwards由有效应力原理得：(4-17,a)(4-17,b)由有效应力原理得：(4-17,a)(4-17,b)243.结论

(Conclusions)（1）有效应力状态可用试样饱和重量与边界上孔隙水压力之和表示（2）有效应力状态与渗流作用的方向有关3.结论(Conclusions)254.4.1渗透力(Seepageforce)

1.总渗透力(Totalseepageforce)2.渗透力

j3.有效应力状态的两种表示方法（1）试样的浮重度γ′与土骨架所受的渗透力j表示(4-18)(4-17,c)4.4土的渗透稳定

Section4Seepagestabilityofsoils渗透变形（Seepagefailure）4.4.1渗透力(Seepageforce)(4-126（2）试样饱和重量与边界上孔隙水压力之和表示（式(4-17)）4.4.2渗透破坏的形式(Typesofseepagefailure)1.流土

(Heaving,Boiling)（图4-9(b)）2.管涌

(Piping)（图4-9(a)）3.接触流失

(Contactlose)

4.接触冲刷

(Contactscouring)

图4-9（2）试样饱和重量与边界上孔隙水压力之和表示（式(4-17)27渗透变形-流土流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏粘性土k1<<k2砂性土k2坝体渗流原因：与土的密实度有关渗透变形-流土流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的28坝体渗透变形–管涌原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：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渗流过程演示1.在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失2.孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走3.形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷坝体渗透变形–管涌原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细294.4.3渗透破坏的判别(Judgement)1.粘性土和均匀砂—流土Cohesivesoilanduniformsand2.级配不连续的砂砾石Discontinuouslygradedsandygravel（1）填料含量(Fillingcontent)<25%——管涌（2）填料含量(Fillingcontent)>35%——流土（3）填料含量(Fillingcontent)＝25％～35%——过渡型(Transitiontype)3.级配连续的砂砾石

Continuouslygradedsandygravel4.4.3渗透破坏的判别(Judgement)30（1）平均孔隙直径D0>可流动填料直径d5——管涌

Meanvoiddiameter>Flowablefillingdiameterd5——Piping（2）平均孔隙直径D0<可流动填料直径d3——流土（3）平均孔隙直径D0介于可流动填料直径d3～d5之间——过渡型4.4.4渗透破坏的临界坡降

Criticalhydraulicgradientofseepagefailure1.流土(Boiling)(图4-10)

当

时，

代入式（4-17，b）得(4-19)(4-20)（1）平均孔隙直径D0>可流动填料直径d5——管涌(4-1931粘性土发生流土破坏的经验临界坡降(Experientialvalues)0.8～1.2允许抗渗坡降

[i]:一般砂土=0.4~0.5；细粒含量大于35%砂砾料0.5～0.8Allowableseepageresistantgradient实际允许坡降较大，粘性土可达4～6(4-21,a)(4-21,b)粘性土发生流土破坏的经验临界坡降(Experiential32（1）icr是Cu的函数（图4-11(a)）（2）icr决定于细粒填料的含量（图4-11(b)）砂砾料的抗渗坡降见P80表4-3。(4-23)2.管涌(Piping)（1）icr是Cu的函数（图4-11(a)）(4-2333图4-11图4-1134Fs:安全系数1.5~2.0[i]:允许坡降i<icr:土体处于稳定状态i=

icr:土体处于临界状态i>icr:土体发生流土破坏工程设计：流土可能性的判别在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：Fs:安全系数1.5~2.0[i]:允许坡降35土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土（分散性土例外）属于非管涌土无粘性土中发生管涌必须具备相应的几何条件和水力条件管涌可能性的判别土是否会发生管涌，取决于土的性质：管涌可能性的判别36较均匀土（Cu10）几何条件

水力条件无粘性土管涌的判别级配孔隙及细粒判定非管涌土粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒不均匀土（Cu>10）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

<d3d0

>d5d0=d3-d5管涌土过渡型土非管涌土非管涌土管涌土过渡型土P(%)lgd骨架充填料发生管涌的必要条件：粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径较均匀土几何条件无粘性土管涌的判别级配孔隙及细粒判定非管涌37几何条件

水力条件无粘性土管涌的判别渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。可用管涌临界水力坡降表示051015202530351.51.00.50icrCu流土过渡管涌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[i]0.15-0.250.1-0.2伊斯托敏娜（苏）中国学者Cu>20时,icr=0.25-0.30，考虑安全系数后：

[i]=0.10-0.15几何条件无粘性土管涌的判别渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚38流土与管涌的比较流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等现象位置土类历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口流土与管涌的比较流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发39透水层不透水层防渗体坝体浸润线渗透变形的防治措施减小i：上游延长渗径下游减小水压增大[i]：下游增加透水

盖重改善几何条件：设反滤层等

改善水力条件：减小渗透坡降防治流土防治管涌透水层不透水层防渗体坝体浸润线渗透变形的防治措施减小i：上40工程实例渗流问题土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网渗透力与渗透变形渗流中的水头与水力坡降渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素层状地基的等效渗透系数平面渗流的基本方程及求解流网的绘制

及应用

渗透力：概念与计算渗透变形：类型、条件、防治工程实例土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网渗透力与渗透变形渗41平面问题：渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方向不发生变化，则在垂直该方向的各个平面内，渗流状况完全一致。

对平面问题，常取dy=1m单位宽度的一片来进行分析h=h(x,z),v=v(x,z)与时间无关稳定渗流：流场不随时间发生变化的渗流Δh平面稳定渗流平面问题：渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方向不发生变化，则42渗流的连续性方程单位时间流入单元的水量:渗流的连续性方程：单位时间内流出单元的水量:连续性条件:dxdzvxvzxz渗流的连续性方程单位时间流入单元的水量:渗流的连续性方程：43渗流的运动方程达西定律：渗流的连续性方程：渗流的运动方程：特例：各向同性均质土体kx=kzLaplace方程，描述渗流场内水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程渗流的运动方程达西定律：渗流的连续性方程：渗流的运动方44H1H2123{1水头边界条件在边界1上给定水头12流速边界条件在边界2上给定法向流速43渗出面在边界3上H=z，vn>0自由水面*在边界4上H=z，vn=0渗流的边界条件4H1H2123{1水头边界条件在边界1上给定水45平面稳定渗流问题描述运动方程：边界条件：水头边界条件在边界1上给定水头12流速边界条件在边界2上给定法向流速43渗出面在边界3上h=z，vn>0自由水面*在边界4上h=z，vn=0或：平面稳定渗流问题描述运动方程：边界条件：水头边界条件46数学解析法或近似解析法：求取渗流运动方程在特定边界条件下的理论解，或者在一些假定条件下，求其近似解数值解法：有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到迅速地发展电比拟试验法：利用电场来模拟渗流场，简便、直观，可以用于二维问题和三维问题流网法：简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题渗流分析的方法数学解析法或近似解析法：求取渗流运动方程在特定边界条件下的理471.平面稳定渗流的基本方程BasicdifferentialequationofPlanesteadyseepage2.流网及其特性（图4-13）Flownetanditsproperties3.水力要素的计算

Calculationofhydraulicparameters(4-23,c)4.5平面渗流和流网的应用

Section5Planeseepageandapplicationofflownet1.平面稳定渗流的基本方程(4-23,c)4.5平48流网及其特性流线和等势线正交流网中应使相邻流线间的流函数差和相邻等势线间的势函数（水头）差不变流网中每一网格的边长比为常数，通常取为1在流场中，流线和等势线（等水头线）组成的网格称为流网+d+dvsl流网及其特性流线和等势线正交在流场中，流线和等势线（等水头线49图4-13图4-1350（1）孔隙水压力(Porewaterpressure)u（2）水力坡降(Hydraulicgradient)i（3）渗流量(Seepagedischarge)对各向同性土体(Forisotropicsoil)(4-26,a)(4-26,b)(4-25)(4-24)（1）孔隙水压力(Porewaterpressure)51土力学教学课件第4章土的渗透性及渗透稳定524.6有关土渗透性的几个问题

Section6Severalproblemsofpermeabilityofsoils4.6.1影响土的渗透性的因素

Effectfactorsonsoilpermeability1.土粒大小和级配

(Particlesizeandgrading)（1）土粒大小——特征直径(Characteristicdiameter)

d20（2）细颗粒含量(Fineparticlecontent)（图4-14(a)）（3）含砾量(Gravelcontent)（图4-14(b)）（4）粘土颗粒的矿物成份(Mineralogicalcomposition)(4-27)4.6有关土渗透性的几个问题

Section653饱和曲线含水量wWop干容重dmax1含水量w渗透系数k絮状结构分散结构渗透系数的影响因素土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构饱和曲线含水量wWop干容重dmax1含水量w54渗透系数的影响因素水的动力粘滞系数：温度，水粘滞性，k饱和度（含气量）：封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道土的性质水的性质粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构渗透系数的影响因素水的动力粘滞系数：土的性质粒径大小及级55图4-11图4-14图4-11图4-14562.土的密度（孔隙比或孔隙率）（图4-15）

Soildensity(Voidratioorporosity)3.水的动力粘滞系数η

Coefficientofdynamicviscosity

Tηk4.土中封闭气体含量(Occludeaircontent)4.6.2成层土体中的渗流

Seepageinstratifiedsoil(4-28)2.土的密度（孔隙比或孔隙率）（图4-15）(4-28)57图4-12图4-15图4-12图4-1558层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层土的ki根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层土的ki天然土层591.二向稳定渗流的基本方程式Basicdifferentialequationoftwo-dimensionalsteadyseepage2.kx、ky的确定(Determination)（1）kx（图4-16（a））(4-29)(4-30)1.二向稳定渗流的基本方程式(4-29)(4-30)60（2）ky（图4-16（b））(4-31,a)(4-31,b)（2）ky（图4-16（b））(4-31,a)(4-31613.稳定渗流基本方程式（4-16）的解答

Solutionof

basicdifferentialequationoftwo-dimensionalsteadyseepage4.6.3非饱和土的渗透规律（自学）

Seepagelawofunsaturatedsoils(4-32)3.稳定渗流基本方程式（4-16）的解答(4-32)62hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层等效渗透系数:kx已知条件:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi达西定律:等效条件:层状地基的水平等效渗透系数hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x112263层状地基的垂直等效渗透系数H1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水kzvi=ki(Δhi/Hi)已知条件:达西定律:等效条件:v=kz(Δh

/H

)等效渗透系数:层状地基的垂直等效渗透系数H1H2H3Hhk1k2k3xz64算例说明按层厚加权平均，由较大值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制层状地基的等效渗透系数H1H2H3Hk1k2k3xz算例说明按层厚加权平均，由较大值控制层厚倒数加权平均，由65层状地基的等效渗透系数水平渗流情形垂直渗流情形条件已知等效公式层状地基的等效渗透系数水平渗流情形垂直渗流情形条件已知等效公66土力学教学课件第4章土的渗透性及渗透稳定土力学教学课件第4章土的渗透性及渗透稳定67土体中的渗流土颗粒土中水渗流土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动水在土体孔隙中流动的现象称为渗流土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性土体中的渗流土颗粒土中水渗流土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在682.渗流引起的问题(Problemsinducedbyseepage)（1）渗漏(Leakage)（2）渗透破坏(Seepagefailure)（3）影响土体的固结、强度、稳定和工程施工

Impactconsolidation,strength,stabilityofsoilsandprojectconstruction透水层不透水层防渗体坝体浸润线2.渗流引起的问题(Problemsinduced69渗流问题：1.渗流量Q？2.降水深度？透水层不透水层天然水面水井渗流漏斗状潜水面Q渗流问题：透水层不透水层天然水面水井渗流漏斗状潜水面Q70板桩围护下的基坑渗流渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗水压力？透水层不透水层基坑板桩墙工程实例板桩围护下的基坑渗流渗流问题：透水层不透水层基坑板桩墙工程实71渗流问题：1.渗流量？2.地下水影响

范围？渠道、河流渗流原地下水位渗流时地下水位渗流问题：渠道、河流渗流原地下水位渗流时地下水位72降雨入渗引起的滑坡渗流问题：1.渗透力？2.入渗过程？事故实例降雨入渗引起的滑坡渗流问题：事故实例73渗流量扬压力渗水压力渗透破坏渗流速度渗水面位置挡水建筑物集水建筑物引水结构物基础工程地下工程边坡工程渗透特性变形特性强度特性土的渗透特性渗流量挡水建筑物渗透特性土的渗透特性744.2土的渗透性

Section2Permeabilityofsoils4.2.1水头与水力梯度Waterheadandhydraulicgradient1.水头及其类型（Waterhead

anditstypes）(1)位置水头Elevationheadz(2)压力水头Pressurehead(3)流速水头velocityhead(4)总水头Totalhead(4-1)4.2土的渗透性

Section2Permea752.水力梯度（Hydraulicgradient）4.2.2达西定律

Darcy'slaw1.达西定律的内容

砂土中的渗透流量Q

与水头差(h1-h2)成正比，与渗径L

成反比

(4-5)

图4-2达西砂土试验装置(4-6,a)LAh1h2QQ透水石2.水力梯度（Hydraulicgradient）(476引入水力坡降，则上式可改写为：

Q=kiA上式还可写为：式中，k称为土的渗透系数

(Coefficientofpermeability)(cm/s)。(4-7)(4-6,b)2.达西定律的适用范围(Applicablescope)（1）粗粒土——小于临界流速(Criticalvelocity)Vcr（图4-3）（2）密实粘土——大于起始水力坡降(Incepthydraulicgradient)

ib（图4-4）引入水力坡降，则上式可改写为：(4-7)(4-6,b)2.77达西定律：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，并与土的性质有关渗透系数k:

反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为水力坡降i＝1时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/day渗透速度v：土体试样全断面的平均渗流速度，也称假想渗流速度达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方78达西定律的适用范围适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行判断：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5达西定律适用范围2.01.51.00.50水力坡降流速(m/h)砾石粗砂中砂细砂极细砂h10dvRe=Re＜5时层流

Re

＞200时紊流

200＞

Re＞5时为过渡区

达西定律的适用范围适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝794.2.3土的渗透系数及其测定

Permeabilitycoefficientofsoilsanditsmeasurement1.渗透系数的物理意义(Physicalmeaning)2.坝基土层渗透性分类（1）强透水层(Strongpermeablelayer)

(k>10-1~10-2cm/s)（2）中等透水层(k＝10-2~10-4cm/s)Moderatepermeablelayer（3）相对不透水层(k<10-4~10-7cm/s)Relativeimpermeablelayer3.室内渗透试验(Permeabilitytestindoor)（1）常水头—粗粒土Constanthead

permeabilitytestforcoarse-grainedsoil(4-9)4.2.3土的渗透系数及其测定(4-9)80土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关ahL土样AVQ变水头试验仪常水头试验仪土样At=t1h1t=t2h2LQ水头开关ahL土样A81变水头试验仪常水头试验仪变水头试验仪常水头试验仪变水头试验仪常水头试验仪变水头试验仪常水头试验仪82（2）变水头——细粒土

Fallingheadpermeabilitytestforfine-grainedsoil两边积分，得(4-10)(4-11)（2）变水头——细粒土(4-10)(4-11)83室内试验方法–小结常水头试验变水头试验条件已知测定公式取值Δh=constΔh变化Δh，A，LV，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土室内试验方法–小结常水头试验变水头试验条件已知测定公式取值Δ84渗透系数的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室内试验方法野外试验方法4.现场渗透试验(Permeabilitytestinsite)（自学）（1）抽水法(Pumpingtest)（2）注水法(Waterinjectiontest)5.经验估算法(Empiricalestimateformula)常见的渗透系数的经验计算公式见P73表4－1。常见的各类土的渗透系数的变化范围见P73表4－2。渗透系数的测定方法常水头试验法井孔抽水试验室内试验方854.现场渗透试验(Permeabilitytestinsite)（自学）（1）抽水法(Pumpingtest)（2）注水法(Waterinjectiontest)5.经验估算法(Empiricalestimateformula)常见的渗透系数的经验计算公式见P73表4－1。常见的各类土的渗透系数的变化范围见P73表4－2。4.现场渗透试验(Permeabilitytest86现场测定法－抽水试验抽水量Qr1r2h1h2井不透水层试验条件:Q=const量测变量:r=r1，h1=？

r=r2，h2=？

优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数缺点：费用较高，耗时较长观察井现场测定法－抽水试验抽水量Qr1r2h1h2井不透水层试验874.3渗流作用下的应力状态

Section3Stressstateunderseepage4.3.1静水中土的有效应力和孔隙水压力(图4-8(a))

Effectivestressandporewaterpressureinstaticwater4.3.2稳定渗流情况下的有效应力和孔隙水压力

Effectivestressandporewaterpressureincaseofstableseepage1.向下渗流的情况(图4-8(b))Caseofseepagedownwards4.3渗流作用下的应力状态

Section3St88由试样2—2截面的受力平衡(Staticequilibrium)得：(4-16)(4-17)由试样2—2截面的受力平衡(Staticequilibr89由有效应力原理得：2.向上渗流的情况（图4-5(c)）CaseofSeepageupwards由有效应力原理得：(4-17,a)(4-17,b)由有效应力原理得：(4-17,a)(4-17,b)903.结论

(Conclusions)（1）有效应力状态可用试样饱和重量与边界上孔隙水压力之和表示（2）有效应力状态与渗流作用的方向有关3.结论(Conclusions)914.4.1渗透力(Seepageforce)

1.总渗透力(Totalseepageforce)2.渗透力

j3.有效应力状态的两种表示方法（1）试样的浮重度γ′与土骨架所受的渗透力j表示(4-18)(4-17,c)4.4土的渗透稳定

Section4Seepagestabilityofsoils渗透变形（Seepagefailure）4.4.1渗透力(Seepageforce)(4-192（2）试样饱和重量与边界上孔隙水压力之和表示（式(4-17)）4.4.2渗透破坏的形式(Typesofseepagefailure)1.流土

(Heaving,Boiling)（图4-9(b)）2.管涌

(Piping)（图4-9(a)）3.接触流失

(Contactlose)

4.接触冲刷

(Contactscouring)

图4-9（2）试样饱和重量与边界上孔隙水压力之和表示（式(4-17)93渗透变形-流土流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏粘性土k1<<k2砂性土k2坝体渗流原因：与土的密实度有关渗透变形-流土流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的94坝体渗透变形–管涌原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：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渗流过程演示1.在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失2.孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走3.形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷坝体渗透变形–管涌原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细954.4.3渗透破坏的判别(Judgement)1.粘性土和均匀砂—流土Cohesivesoilanduniformsand2.级配不连续的砂砾石Discontinuouslygradedsandygravel（1）填料含量(Fillingcontent)<25%——管涌（2）填料含量(Fillingcontent)>35%——流土（3）填料含量(Fillingcontent)＝25％～35%——过渡型(Transitiontype)3.级配连续的砂砾石

Continuouslygradedsandygravel4.4.3渗透破坏的判别(Judgement)96（1）平均孔隙直径D0>可流动填料直径d5——管涌

Meanvoiddiameter>Flowablefillingdiameterd5——Piping（2）平均孔隙直径D0<可流动填料直径d3——流土（3）平均孔隙直径D0介于可流动填料直径d3～d5之间——过渡型4.4.4渗透破坏的临界坡降

Criticalhydraulicgradientofseepagefailure1.流土(Boiling)(图4-10)

当

时，

代入式（4-17，b）得(4-19)(4-20)（1）平均孔隙直径D0>可流动填料直径d5——管涌(4-1997粘性土发生流土破坏的经验临界坡降(Experientialvalues)0.8～1.2允许抗渗坡降

[i]:一般砂土=0.4~0.5；细粒含量大于35%砂砾料0.5～0.8Allowableseepageresistantgradient实际允许坡降较大，粘性土可达4～6(4-21,a)(4-21,b)粘性土发生流土破坏的经验临界坡降(Experiential98（1）icr是Cu的函数（图4-11(a)）（2）icr决定于细粒填料的含量（图4-11(b)）砂砾料的抗渗坡降见P80表4-3。(4-23)2.管涌(Piping)（1）icr是Cu的函数（图4-11(a)）(4-2399图4-11图4-11100Fs:安全系数1.5~2.0[i]:允许坡降i<icr:土体处于稳定状态i=

icr:土体处于临界状态i>icr:土体发生流土破坏工程设计：流土可能性的判别在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：Fs:安全系数1.5~2.0[i]:允许坡降101土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土（分散性土例外）属于非管涌土无粘性土中发生管涌必须具备相应的几何条件和水力条件管涌可能性的判别土是否会发生管涌，取决于土的性质：管涌可能性的判别102较均匀土（Cu10）几何条件

水力条件无粘性土管涌的判别级配孔隙及细粒判定非管涌土粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒不均匀土（Cu>10）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

<d3d0

>d5d0=d3-d5管涌土过渡型土非管涌土非管涌土管涌土过渡型土P(%)lgd骨架充填料发生管涌的必要条件：粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径较均匀土几何条件无粘性土管涌的判别级配孔隙及细粒判定非管涌103几何条件

水力条件无粘性土管涌的判别渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。可用管涌临界水力坡降表示051015202530351.51.00.50icrCu流土过渡管涌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[i]0.15-0.250.1-0.2伊斯托敏娜（苏）中国学者Cu>20时,icr=0.25-0.30，考虑安全系数后：

[i]=0.10-0.15几何条件无粘性土管涌的判别渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚104流土与管涌的比较流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等现象位置土类历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口流土与管涌的比较流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发105透水层不透水层防渗体坝体浸润线渗透变形的防治措施减小i：上游延长渗径下游减小水压增大[i]：下游增加透水

盖重改善几何条件：设反滤层等

改善水力条件：减小渗透坡降防治流土防治管涌透水层不透水层防渗体坝体浸润线渗透变形的防治措施减小i：上106工程实例渗流问题土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网渗透力与渗透变形渗流中的水头与水力坡降渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素层状地基的等效渗透系数平面渗流的基本方程及求解流网的绘制

及应用

渗透力：概念与计算渗透变形：类型、条件、防治工程实例土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网渗透力与渗透变形渗107平面问题：渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方向不发生变化，则在垂直该方向的各个平面内，渗流状况完全一致。

对平面问题，常取dy=1m单位宽度的一片来进行分析h=h(x,z),v=v(x,z)与时间无关稳定渗流：流场不随时间发生变化的渗流Δh平面稳定渗流平面问题：渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方向不发生变化，则108渗流的连续性方程单位时间流入单元的水量:渗流的连续性方程：单位时间内流出单元的水量:连续性条件:dxdzvxvzxz渗流的连续性方程单位时间流入单元的水量:渗流的连续性方程：109渗流的运动方程达西定律：渗流的连续性方程：渗流的运动方程：特例：各向同性均质土体kx=kzLaplace方程，描述渗流场内水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程渗流的运动方程达西定律：渗流的连续性方程：渗流的运动方110H1H2123{1水头边界条件在边界1上给定水头12流速边界条件在边界2上给定法向流速43渗出面在边界3上H=z，vn>0自由水面*在边界4上H=z，vn=0渗流的边界条件4H1H2123{1水头边界条件在边界1上给定水111平面稳定渗流问题描述运动方程：边界条件：水头边界条件在边界1上给定水头12流速边界条件在边界2上给定法向流速43渗出面在边界3上h=z，vn>0自由水面*在边界4上h=z，vn=0或：平面稳定渗流问题描述运动方程：边界条件：水头边界条件112数学解析法或近似解析法：求取渗流运动方程在特定边界条件下的理论解，或者在一些假定条件下，求其近似解数值解法：有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到迅速地发展电比拟试验法：利用电场来模拟渗流场，简便、直观，可以用于二维问题和三维问题流网法：简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题渗流分析的方法数学解析法或近似解析法：求取渗流运动方程在特定边界条件下的理1131.平面稳定渗流的基本方程BasicdifferentialequationofPlanesteadyseepage2.流网及其特性（图4-13）Flownetanditsproperties3.水力要素的计算

Calculationofhydraulicparameters(4-23,c)4.5平面渗流和流网的应用

Section5Planeseepageandapplicationofflownet1.平面稳定渗流的基本方程(4-23,c)4.5平114流网及其特性流线和等势线正交流网中应使相邻流线间的流函数差和相邻等势线间的势函数（水头）差不变流网中每一网格的边长比为常数，通常取为1在流场中，流线和等势线（等水头线）组成的网格称为流网+d+dvsl流网及其特性流线和等势线正交在流场中，流线和等势线（等水头线115图4-13图4-13116（1）孔隙水压力(Porewaterpress