土的渗透性与土中渗流

第2章

土的渗透性与土中渗流§2.1土中渗流的工程意义§2.2渗流理论§2.3渗透力与渗透变形§2.4渗流工程问题与处理措施第2章土的渗透性与土中渗流§2.1土中渗流的工程意义12.1土中渗流的工程意义

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流

2.1土中渗流的工程意义

浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水2§2.2渗流理论

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：水在土中单位时间的渗流量与圆筒断面积A及水头损失Δh成正比，与断面距离L成反比渗透试验播放q=kAΔh/L达西定律i为水力梯度v=q/A=kΔh/L=kiΔ§2.2渗流理论

一、达西定律1856年法国学者Darcy3二、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起始水力梯度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4§2.3渗透力与渗透变形一、渗透力和临界水力梯度1.渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为h土粒对水流的阻力应为

土样面积根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反§2.3渗透力与渗透变形一、渗透力和临界水力梯5渗流作用于单位土体的力说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力梯度成正比，作用方向与渗流方向一致，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渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出渗流作用于单位土体的力说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力62.临界水力梯度icr———使土体开始发生渗透变形的水力梯度GJ当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力梯度即为临界水力梯度或

在工程计算中，将土的临界水力梯度除以某一安全系数K(2～3)，作为允许水力梯度[i]。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力梯度控制在允许梯度[i]内2.临界水力梯度icr———使土体开始发生渗透变形的水力梯度7二、渗透变形渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形—————渗透变形问题（流土，管涌）

1.流土——在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动的现象

流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏二、渗透变形渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土82.管涌——在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象

土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏2.管涌——在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的93.流土与管涌的区别1）流土发生时水力梯度i大于临界水力梯度icr，而管涌可以发生在i<icr的情况下；2）流土发生的部位在渗流逸出处，而管涌发生的部位可以在渗流逸出处，也可以在土体内部；3）流土破坏往往是突发性的，而管涌破坏一般有一个过程，是一种渐进性的破坏；4）流土发生时水流方向向上，而管涌则没有此限制；5）只要水力梯度达到一定数值，任何类型的土都会发生流土破坏；而管涌只发生在有一定的级配（如不均匀系数Cu>10）的无黏性土中，且土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径。3.流土与管涌的区别1）流土发生时水力梯度i大于临界水力梯度10三、例题分析【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数K为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏

【解答】临界水力梯度

由于实际水力梯度i

<[i]，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏允许水力梯度三、例题分析【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e11§2.4渗流工程问题与处理措施

一、渗流工程问题1.地下水的浮托作用地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建筑物基础产生浮托力

2.地下水的潜蚀作用在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层中

3.流砂流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。通常易在粉细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现

§2.4渗流工程问题与处理措施一、渗流工程问题1124.基坑突涌

当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁基坑底板，这种现象称为基坑突涌4.基坑突涌当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底13二、防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏”为原则，上游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形

①垂直截渗

主要目的:延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗

二、防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施水工建筑物的14②设置水平铺盖上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径

粘土铺盖③设置反滤层

砂垫层水位加筋土工布回填中粗砂抛石棱体设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层

②设置水平铺盖上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水15④排水减压

粘性土含水层减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深挖排水槽

④排水减压粘性土含水层减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑162.基坑开挖防渗措施①工程降水

采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水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水位降得较深，采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位2.基坑开挖防渗措施①工程降水