土质学与土力学教案第二章-土中水的运动规律课件

第二章土中水的运动规律第一节水在饱和土中的流动第二节流网及其应用第三节水在非饱和土中的流动本章参考书目1.教材，P39-552.张在明，地下水与建筑基础工程，中国建筑工业出版社，2001,22-70

第二章土中水的运动规律第一节水在饱和土中的流动1第一节水在饱和土中的流动一、基本概念二、基本定律三、土的渗透系数四、渗流方程五、渗透变形与破坏第一节水在饱和土中的流动一、基本概念2一、基本概念地下水(groundwater):出现在已经充分饱和了的土层和地质层组中的地下水位以下的水体（R.A.Freeze,J.A.Cherry,1979）或：地面下的岩土体中水位以下存在的水渗流（Seepage）：水在土体中的流动称为渗流。稳定渗流：渗流过程中土体内各点的水头不随时间变化不稳定渗流：又称瞬变流，渗流过程中水头和流量边界条件随时间变化，造成渗流状态是时间的函数一、基本概念地下水(groundwater):出现在已经充分3一、基本概念工程中不稳定渗流问题饱和渗流/非饱和渗流土的固结作用造成的渗流湿度移动入渗分析污染迁移分析一、基本概念工程中不稳定渗流问题4粘性土的中渗流轨迹粘性土的中渗流轨迹5理想化的渗透模型真实渗流与渗流模型真实流速和模型平均流速v-渗流模型的平均流速q-渗流流量A-过水断面面积n－孔隙度理想化的渗透模型真实渗流与渗流模型v-渗流模型的平均流速6二、基本定律伯努利方程层流渗流定律－达西定律二、基本定律伯努利方程7土体中渗流的伯努利（Bernoulli）方程假定：水是一种非粘性、不可压缩的流体基准线AB土体中渗流的伯努利（Bernoulli）方程基准线AB8层流渗流定律－达西定律V在完全饱和的砂土中，水在压力差作用下呈层流运动（或渗流）时，服从线性渗透定律——达西定律v——渗流速度；K——比例系数，称为渗透系数，cm/s或m/d；i——水力坡度，为水头损失H与渗透路径长度L之比I层流渗流定律－达西定律V在完全饱和的砂土中，水在压力差作用下9

io—起始水力坡度vi0iio—起始水力坡度vi0i10三、土的渗透系数测定室内渗透试验野外抽水试验不均匀土的渗透系数三、土的渗透系数测定室内渗透试验11常水头变水头剖面图常水头变水头剖面图12土质学与土力学教案第二章-土中水的运动规律课件13四、渗流方程以二维稳定流为例推导单位时间内流入和流出单元体的流量Xz四、渗流方程以二维稳定流为例推导Xz14四、渗流方程求解方法解析法数值法图解法（流网）水电比拟法四、渗流方程求解方法15五、渗透变形与破坏渗透力（动水力）的计算流砂、管涌和临界水力坡度（水力梯度）近松散层开采水砂突涌问题五、渗透变形与破坏渗透力（动水力）的计算16日本新泻1964年地震时砂土液化影响。这些设计为抗震的建筑物倾斜而未受损坏。日本新泻1964年地震时砂土液化影响。这些设计为抗震的建筑物17加州沃森维尔附近的野外涌沙加州沃森维尔附近的野外涌沙18唐山地造成的喷水冒砂区分布图震唐山地造成的喷水冒砂区分布图震19土质学与土力学教案第二章-土中水的运动规律课件20土质学与土力学教案第二章-土中水的运动规律课件21

hh1

h2

AA

L总渗透力

（Seepageforce）wh1A=wh2A+JJ=wh1A-wh2A=w（h1

-

h2）A=whA总渗透力

（Seepageforce）wh1A=22总渗透力

（Seepageforce）wh1A=wh2A+JJ=wh1A-wh2A=w（h1

-

h2）A=whA单位体积的渗透力

j=J/AL=whA/AL=wI总渗透力

（Seepageforce）wh1A=23

j=wij——渗透力，KN/m3；i——水力坡度；w——水的重度，KN/m3渗透力为体积力j=wij——渗透力，KN/m3；24动水压力的危害

向上的渗透力j=Wh

土体向下的压力’h2j=Wh=’h2时，颗粒间的有效应力减少为0，即发生所谓流砂或管涌现象。’=Wh/h2=WIcrhh1h2动水压力的危害25Icr—临界水力坡度Icr=’/w=（Gs-1）（1-n）=（Gs-1）/（1+e）允许水力坡度临界水力坡度除以安全系数m[I]=Icr/KK安全系数，一般取2.0-2.5Icr—临界水力坡度Icr=’/w26管涌：是单个土颗粒在渗透作用下独立移动的现象。

管涌一般发生在不均粒系数较大的砂砾层中，它既可以发生在地下水逸出段，又可能发生于土体内部粗粒骨架的孔隙中。

当坝基土体的粗粒孔隙中携走的细颗粒含量较少时，并不影响坝体的稳定。而当坝基的细粒物质被渗流从粗粒孔隙中携走后，形成管道状孔洞，土体的结构和强度遭到破坏，造成地面塌陷时，即会危及坝体安全。这种管涌称之为发展型管涌，它是我们主要研究的对象。

管涌：27顶分层采后，采底分层放顶煤4.4m，累计采厚8.8m时，垮落带高度达到24.0m，在接近顶分层停采线时形成贯穿性剪切破坏，底部粘土层被拉开和错断，无法起到防水作用，见图5-22至图5-24。因此在基岩厚度34m左右采用此方案开采，要保证开采安全，必须降低初始水头，以防溃砂事故发生近松散层开采水砂突涌问题顶分层采后，采底分层放顶煤4.4m，累计采厚8.8m时，垮落28

覆岩裂隙带水砂突涌分析在采动影响下，高水头的含水砂层容易出现溃水溃砂现象，从而严重地威胁着安全生产，这已经被全国厚松散层及其它含水层下采煤的大量实践所证明，因此，疏降含水层的水头成为许多矿井采取的关键技术措施，根据舒兰矿区的经验，在第三系半胶结、未胶结砂岩含水层下开采时，一般当水头降低到30m以下，就可以避免溃砂现象的发生。

覆岩裂隙带水砂突涌分析在采动影响下，高29水下开采溃砂的工程地质机理从工程地质角度来看，水砂突涌的机理是由于采动裂隙贯穿覆岩达到松散砂层，造成含水砂层中地下水的流动状态迅速改变，向采空区迅速流动，水力坡度急剧增大，对砂层产生大的动水压力和渗透力，当水力坡度达到砂土液化的临界水力坡度，砂层便失去抗剪强度，在较大范围内形成液化状态，沿裂隙或其它通道溃入工作面。

临界水力坡度可以由以下公式计算Icr=（Gs-1）（1-n）=（Gs-1）/（1+e）式中

Icr—临界水力坡度；

Gs、n、e—土的比重、孔隙度、孔隙比。水下开采溃砂的工程地质机理从工程地质角度来看，水砂突30影响半径随时间的变化

影响半径随时间的变化31

32渗透变形与破坏：在采动影响下，高水头的含水砂层容易出现溃水溃砂现象，从而严重地威胁着安全生产，这已经被全国厚松散层及其它含水层下采煤的大量实践所证明。

定义：我们把水下开采覆岩裂隙带贯通到上部松散含水层、但是不至于发生溃砂的水头高度定义为安全水头高度。显然，初始水头高度越小，破坏带导通时渗透水力坡度就越小，只要把渗透区的水力坡度控制在临界水力坡度以下，就能有效地避免溃砂现象的发生。实际设计时，采用允许水力坡度，可靠度便会进一步提高。渗透变形与破坏：在采动影响下，高水头的含水砂层容易出现溃水溃33

可见，依据太平煤矿的具体水文地质与工程地质条件，第四系底部含水层组中的砂层和粘土层，在取一定的安全系数的条件下，允许的水头高度为32m至38m，即当初始水位降到此数值之下后，采动裂缝波及到该土层时，将不会发生溃砂现象。

可见，依据太平煤矿的具体水文地质与工程地质条件，第四系底34土质学与土力学教案第二章-土中水的运动规律课件35土质学与土力学教案第二章-土中水的运动规律课件36

37

38图4.14裂隙宽度与临界水力坡度关系图图4.14裂隙宽度与临界水力坡度关系图39

土试样突水、涌（突）砂时临界水力坡度数据土试样编号变形破坏形式、破坏水头高度、坡度1#粘土2#粉土3#粗砂4#砾砂5#粘土+粉土6#粘土+粗砂7#粘土+砾砂渗透变形破坏形式突水突涌砂突水突涌砂突水突涌砂突水突涌砂突水突涌砂突水突涌砂突水突涌砂破坏水头高度（m）53.738.8214.19临界水力坡度179.1111129.447.3渗透桶内土试样高度为：300mm，裂隙宽度:30.2mm试验重度：A

类水力坡度：≥1土试样突水、涌（突）砂时临界水力坡度数据土试40第二节流网及其应用一、基本概念二、流网的性质三、绘制流网的要领四、流网的简单应用第二节流网及其应用一、基本概念41第三节水在非饱和土中的流动第三节水在非饱和土中的流动42第二章土中水的运动规律第一节水在饱和土中的流动第二节流网及其应用第三节水在非饱和土中的流动本章参考书目1.教材，P39-552.张在明，地下水与建筑基础工程，中国建筑工业出版社，2001,22-70

第二章土中水的运动规律第一节水在饱和土中的流动43第一节水在饱和土中的流动一、基本概念二、基本定律三、土的渗透系数四、渗流方程五、渗透变形与破坏第一节水在饱和土中的流动一、基本概念44一、基本概念地下水(groundwater):出现在已经充分饱和了的土层和地质层组中的地下水位以下的水体（R.A.Freeze,J.A.Cherry,1979）或：地面下的岩土体中水位以下存在的水渗流（Seepage）：水在土体中的流动称为渗流。稳定渗流：渗流过程中土体内各点的水头不随时间变化不稳定渗流：又称瞬变流，渗流过程中水头和流量边界条件随时间变化，造成渗流状态是时间的函数一、基本概念地下水(groundwater):出现在已经充分45一、基本概念工程中不稳定渗流问题饱和渗流/非饱和渗流土的固结作用造成的渗流湿度移动入渗分析污染迁移分析一、基本概念工程中不稳定渗流问题46粘性土的中渗流轨迹粘性土的中渗流轨迹47理想化的渗透模型真实渗流与渗流模型真实流速和模型平均流速v-渗流模型的平均流速q-渗流流量A-过水断面面积n－孔隙度理想化的渗透模型真实渗流与渗流模型v-渗流模型的平均流速48二、基本定律伯努利方程层流渗流定律－达西定律二、基本定律伯努利方程49土体中渗流的伯努利（Bernoulli）方程假定：水是一种非粘性、不可压缩的流体基准线AB土体中渗流的伯努利（Bernoulli）方程基准线AB50层流渗流定律－达西定律V在完全饱和的砂土中，水在压力差作用下呈层流运动（或渗流）时，服从线性渗透定律——达西定律v——渗流速度；K——比例系数，称为渗透系数，cm/s或m/d；i——水力坡度，为水头损失H与渗透路径长度L之比I层流渗流定律－达西定律V在完全饱和的砂土中，水在压力差作用下51

io—起始水力坡度vi0iio—起始水力坡度vi0i52三、土的渗透系数测定室内渗透试验野外抽水试验不均匀土的渗透系数三、土的渗透系数测定室内渗透试验53常水头变水头剖面图常水头变水头剖面图54土质学与土力学教案第二章-土中水的运动规律课件55四、渗流方程以二维稳定流为例推导单位时间内流入和流出单元体的流量Xz四、渗流方程以二维稳定流为例推导Xz56四、渗流方程求解方法解析法数值法图解法（流网）水电比拟法四、渗流方程求解方法57五、渗透变形与破坏渗透力（动水力）的计算流砂、管涌和临界水力坡度（水力梯度）近松散层开采水砂突涌问题五、渗透变形与破坏渗透力（动水力）的计算58日本新泻1964年地震时砂土液化影响。这些设计为抗震的建筑物倾斜而未受损坏。日本新泻1964年地震时砂土液化影响。这些设计为抗震的建筑物59加州沃森维尔附近的野外涌沙加州沃森维尔附近的野外涌沙60唐山地造成的喷水冒砂区分布图震唐山地造成的喷水冒砂区分布图震61土质学与土力学教案第二章-土中水的运动规律课件62土质学与土力学教案第二章-土中水的运动规律课件63

hh1

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L总渗透力

（Seepageforce）wh1A=wh2A+JJ=wh1A-wh2A=w（h1

-

h2）A=whA总渗透力

（Seepageforce）wh1A=64总渗透力

（Seepageforce）wh1A=wh2A+JJ=wh1A-wh2A=w（h1

-

h2）A=whA单位体积的渗透力

j=J/AL=whA/AL=wI总渗透力

（Seepageforce）wh1A=65

j=wij——渗透力，KN/m3；i——水力坡度；w——水的重度，KN/m3渗透力为体积力j=wij——渗透力，KN/m3；66动水压力的危害

向上的渗透力j=Wh

土体向下的压力’h2j=Wh=’h2时，颗粒间的有效应力减少为0，即发生所谓流砂或管涌现象。’=Wh/h2=WIcrhh1h2动水压力的危害67Icr—临界水力坡度Icr=’/w=（Gs-1）（1-n）=（Gs-1）/（1+e）允许水力坡度临界水力坡度除以安全系数m[I]=Icr/KK安全系数，一般取2.0-2.5Icr—临界水力坡度Icr=’/w68管涌：是单个土颗粒在渗透作用下独立移动的现象。

管涌一般发生在不均粒系数较大的砂砾层中，它既可以发生在地下水逸出段，又可能发生于土体内部粗粒骨架的孔隙中。

当坝基土体的粗粒孔隙中携走的细颗粒含量较少时，并不影响坝体的稳定。而当坝基的细粒物质被渗流从粗粒孔隙中携走后，形成管道状孔洞，土体的结构和强度遭到破坏，造成地面塌陷时，即会危及坝体安全。这种管涌称之为发展型管涌，它是我们主要研究的对象。

管涌：69顶分层采后，采底分层放顶煤4.4m，累计采厚8.8m时，垮落带高度达到24.0m，在接近顶分层停采线时形成贯穿性剪切破坏，底部粘土层被拉开和错断，无法起到防水作用，见图5-22至图5-24。因此在基岩厚度34m左右采用此方案开采，要保证开采安全，必须降低初始水头，以防溃砂事故发生近松散层开采水砂突涌问题顶分层采后，采底分层放顶煤4.4m，累计采厚8.8m时，垮落70

覆岩裂隙带水砂突涌分析在采动影响下，高水头的含水砂层容易出现溃水溃砂现象，从而严重地威胁着安全生产，这已经被全国厚松散层及其它含水层下采煤的大量实践所证明，因此，疏降含水层的水头成为许多矿井采取的关键技术措施，根据舒兰矿区的经验，在第三系半胶结、未胶结砂岩含水层下开采时，一般当水头降低到30m以下，就可以避免溃砂现象的发生。

覆岩裂隙带水砂突涌分析在采动影响下，高71水下开采溃砂的工程地质机理从工程地质角度来看，水砂突涌的机理是由于采动裂隙贯穿覆岩达到松散砂层，造成含水砂层中地下水的流动状态迅速改变，向采空区迅速流动，水力坡度急剧增大，对砂层产生大的动水压力和渗透力，当水力坡度达到砂土液化的临界水力坡度，砂层便失去抗剪强度，在较大范围内形成液化状态，沿裂隙或其它通道溃入工作面。

临界水力坡度可以由以下公式计算Icr=（Gs-1）（1-n）=（Gs-1）/（1+e）式中

Icr—临界水力坡度；

Gs、n、e—土的比重、孔隙度、孔隙比。水下开采溃砂的工程地质机理从工程地质角度来看，水砂突72影响半径随时间的变化

影响半径随时间的变化73

74渗透变形与破坏：在采动影响下，高水头的含水砂层容易出现溃水溃砂现象，从而严重地威胁着安全生产，这已经被全国厚松散层及其它含水层下采煤的大量实践所