土的渗透性与渗透问题二

主要内容概述§2.1达西定律§2.2渗透系数及其确定方法§2.3渗透力与渗透变形第二章土的渗透性和渗透问题§2.4渗流工程问题与处理措施土的渗透问题概述浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身流向下游H隧道开挖时，地下水向隧道内流动

在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透

返回本章§2.1达西定律一、达西定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比渗透试验播放v=ki达西定律水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失

返回本章二、达西定律适用范围与起始水力梯度达西定律讨论：砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系

密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系

ib起始水力坡降虚直线简化达西定律适用于层流，不适用于紊流v=kiivO砂土0iv密实粘土§2.2渗透系数及其确定方法一、渗透试验（室内）时间t内流出的水量1.常水头试验————整个试验过程中水头保持不变适用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。

返回本章2.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化

截面面积a任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量

dV=－adh

在时段dt内流经试样的水量

dV=kiAdt=kAh/Ldt

管内减少水量＝流经试样水量

－adh=kAh/Ldt

分离变量积分

适用于透水性差，渗透系数小的粘性土

二、影响渗透系数的因数1.土粒大小与级配

细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。2.土的密实度

3.水的动力粘滞系数

同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。

动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。4.土中封闭气体含量

土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。T、20分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数，可查表三、成层土的渗透系数1.水平渗透系数

H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和

达西定律整个土层与层面平行的等效渗透系数

平均渗透系数2.垂直渗透系数

H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理，通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量

垂直渗透系数q3yq2yq1yqy各土层的相应的水力坡降为i1、i2、…、in，总的水力坡降为i

总水头损失等于各层水头损失之和

代入整个土层与层面垂直的等效渗透系数

四、例题分析【例】

设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为30cm2，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm，试验开始时的水位差为160cm，经时段15分钟后，观察得水位差为52cm，试验时的水温为30℃，试求试样的渗透系数

【解答】已知试样截面积A=30cm，渗径长度L=4cm，细玻璃管的内截面积h1=160cm，h2=52cm，△t=900s

试样在30℃时的渗透系数

§2.3渗渗透力(动水压力)与渗透变形一、渗透力(动水力)和临界水力坡降降(梯度)1.渗透力——渗透水流施加于于单位土粒上的的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置置两个测压管，，测压管水面高高差h水流流经这段土土体，受到土颗颗粒的阻力，阻阻力引起的水头头损失为h土粒对水流的阻阻力应为土样面积根据牛顿第三定定律，试样的总总渗流力J和土粒对水流的的阻力F大小相等，方向向相反返回本章渗流作用于单位位土体的力说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一一种体积力，其其大小与水力坡坡降成正比，作作用方向与渗流流方向一致，单单位为kN/m3渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响abc渗透力方向与重重力一致，促使使土体压密、强强度提高，有利利于土体稳定渗流方向近乎水水平，使土粒产产生向下游移动动的趋势，对稳稳定不利渗流力与重力方方向相反，当渗渗透力大于土体体的有效重度，，土粒将被水流流冲出2.临界水力坡降———使土体开始发生生渗透变形的水水力坡降GJ当土颗粒的重力力与渗透力相等等时，土颗粒不不受任何力作用用，好像处于悬悬浮状态，这时时的水力坡降即即为临界水力坡坡降或在工程计算中，，将土的临界水水力坡降除以某某一安全系数Fs(2～3)，作为允许水力力坡降[i]。设计时，为保证证建筑物的安全全，将渗流逸出出处的水力坡降降控制在允许坡坡降[i]内二、渗透变形渗透水流将土体体的细颗粒冲走走、带走或局部部土体产生移动动，导致土体变变形—————渗透变形问题（（流土，管涌））1.流土——在渗流作用下，，局部土体表面面隆起，或某一一范围内土粒粒群同时发生移移动的现象流土发生于地基基或土坝下游渗渗流出逸处，不不发生于土体内内部。开挖基坑坑或渠道时常遇遇到的流砂现象象，属于流土破破坏。细砂、粉粉砂、淤泥等较较易发生流土破破坏2.管涌——在渗流作作用下，，无粘性性土中的的细小颗颗粒通过过较大颗颗粒的孔孔隙，发发生移动动并被带带出的现现象土体在渗渗透水流流作用下下，细小小颗粒被被带出，，孔隙逐逐渐增大大，形成成能穿越越地基的的细管状状渗流通通道，掏掏空地基基或坝体体，使其其变形或或失稳。。管涌既既可以发发生在土土体内部部，也可可以发生生在渗流流出口处处，发展展一般有有个时间间过程，，是一种种渐进性性的破坏坏3.流土与管管涌的判判别——渗透变形形的形式式与土的的类别、、颗粒级级配以及及水力条条件等因因素有关关粘性土由由于粒间间具有粘粘聚力，，粘结较较紧，一一般不出出现管涌涌而只发发生流土土破坏；；一般认认为不均均匀系数数Cu>10的匀粒砂砂土，在在一定的的水力梯梯度下，，局部地地区较易易发生流流土破坏坏对Cu>10的砂和砾砾石、卵卵石，分分两种情情况:1.当孔隙中中细粒含含量较少少（小于于30%）时，由由于阻力力较小，，只要较较小的水水力坡降降，就易易发生管管涌2.如孔隙中中细粒含含量较多多，以至至塞满全全部孔隙隙（此时时细料含含量约为为30%－35%），此时时的阻力力最大，，一般不不出现管管涌而会会发生流流土现象象三、例题题分析【例】某土坝地地基土的的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流流出口处处经计算算水力坡坡降i为0.2，若取安安全系数数Fs为2.5，试问该该土坝地地基出口口处土体体是否会会发生流流土破坏坏【解答】临界水力力坡降由于实际际水力坡坡降i<[i]，故土坝地地基出口口处土体体不会发发生流土土破坏允许水力力坡降§2.4渗渗流工程程问题与与处理措措施一、渗流流工程问问题1.地下水的的浮托作作用地下水不不仅对水水位以下下的土体体产生静静水压力力和浮托托力，并并对建筑筑物基础础产生浮浮托力2.地下水的的潜蚀作作用在施工降降水等活活动过程程中产生生水头差差，在渗渗透力作作用下，，土颗粒粒受到冲冲刷，将将细颗粒粒冲走，，破坏土土的结构构。通常产生生于粉细细砂、粉粉土地层层中3.流砂流砂在工工程施工工中能造造成大量量的土体体流动，，使地表表塌陷或或建筑物物的地基基破坏，，给施工工带来很很大的困困难，影影响建筑筑工程的的稳定。。通常易易在粉细细砂和粉粉土地层层中产生生，在地地下水位位以下的的基坑开开挖、埋埋设地下下管道、、打井等等工程活活动中常常出现返回本章章4.基坑突涌涌当基坑下下部有承承压水层层时，开开挖基坑坑减小了了底板隔隔水层的的厚度，，当隔水水层较薄薄经受不不住承压压水头压压力，承承压水头头压力就就会冲毁毁基坑底底板，这这种现象象称为基坑突涌涌二、防渗渗处理措措施1.水工建筑筑物渗流流处理措措施水工建筑筑物的防防渗工程程措施一一般以“上堵下疏疏”为原则，，上游截截渗、延延长渗径径，下游游通畅渗渗透水流流，减小小渗透压压力，防防止渗透透变形①垂直截渗渗主要目的的:延长渗径径，降低低上、下下游的水水力坡度度，若垂垂直截渗渗能完全全截断透透水层，，防渗效效果更好好。垂直直截渗墙墙、帷幕幕灌浆、、板桩等等均属于于垂直截截渗②设置水平平铺盖上游设置置水平铺铺盖，与与坝体防防渗体连连接，延延长了水水流渗透透路径粘土铺盖③设置反反滤层砂垫层水位加筋土工布回填中粗砂抛石棱体设置反滤滤层，既既可通畅畅水流，，又起到到保护土土体、防防止细粒粒流失而而产生渗渗透变形形的作用用。反滤层可可由粒径径不等的的无粘性性土组成成，也可可由土工工布代替替，上图图为某河河堤基础础加筋土土工布反反滤层④排水减压压粘性土含水层减压井为减小下下游渗透透压力，，在水工工建筑物物下游、、基坑开开挖时，，设置减减压井或或深挖排排水槽2.基坑开挖挖防渗措措施①工程降水水采用明沟沟排水和和井点降降水的方方法人工工降低地地下水位位在基坑内内（外））设置排排水沟、、集水井井，用抽抽水设备备将地下下水从排排水沟或或集水井井排出原地下水位明沟排水原水位面一级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水要求地下下水位降降得较深深，采