第三章土的渗透性及渗流

第三章土的渗透性及渗流§3.2土的渗透性与渗透规律第三章

土的渗透性及渗流

§3.3二维渗流及流网§3.4渗透破坏与控制§3.1概述3.1概述渗流渗透性土具有被水、液体等透过的性质水、液体等在土体孔隙中流动的现象碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动能量差土土颗粒土中水渗流渗透特性强度特性变形特性互相关联互相影响土力学重要课题透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流防渗体坝体浸润线渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗透力？工程实例3.1概述土的渗透性研究渗流量渗透破坏渗流控制三个问题工程应用的需要透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流：3.1概述渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗水压力？工程实例渗流问题：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Q3.1概述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3.1概述3.2土的渗透性一．渗流中的水头与水力坡降二．渗透试验与达西定律三．渗透系数的测定及影响因素能量方程渗流速度的规律渗透特性四．层状地基的等效渗透系数地基的渗透系数ABL透水层不透水层基坑板桩墙渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程、动量方程一、渗流中的水头与水力坡降3.2土的渗透性ABLhAzA基准面总水头（伯努利定理）：单位重量水体所具有的能量位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）压力水头p/

w：水体的压力势能（p孔隙水压力）流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）渗流的总水头：渗流问题的水头也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处3.2土的渗透性A点总水头：水力梯度ABLhAhBzAzBΔh基准面水力坡降线B点总水头：二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失

水力梯度i：单位渗流长度上的水头损失3.2土的渗透性3.2土的渗透性LAh1h2QQ透水石h二、渗透试验与达西定律试验前提：层流或1.渗透试验试验结果:试验装置：如图试验条件:

h1，A，L=const量测变量:

h2，V，t达西定律2.达西定律渗透定律: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。注意：V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度Vr：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A>Arq＝VA＝VrArk:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力坡降i＝1时的渗流速度单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day3.2土的渗透性3.2土的渗透性粗粒土：在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用适用条件ivovcrivib层流（线性流）——大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土两种特例粘性土：致密的粘土存在起始水力坡降

i>ib,v=k(i-ib

)砾土密实粘土三、渗透系数的测定及影响因素室内试验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1.测定方法野外试验测定方法3.2土的渗透性室内试验方法1—常水头试验法结果整理：试验装置：如图试验条件:

Δh，A，L=const量测变量:渗水量Q，ti=Δh/Lq=Q/t=Avv=ki适用土类：透水性较大的砂性土3.2土的渗透性

hL土样AQ试验条件:Δh变化

A，a，L=const量测变量:h，t适用土类：透水性较小

的粘性土土样At=t1

h1t=t2

h2LQ水头测管开关a3.2土的渗透性室内试验方法2—变水头试验法土样At=t1t=t2

h1

h2LQ水头测管开关在tt+dt时段内：

入流量：dVe=-adh出流量：dVo=kiAdt=k(Δh/L)Adt连续性条件：dVe=dVo

-adh=k(Δh/L)Adt

hdhtt+dt室内试验方法-变水头试验法选择几组量测结果

，计算相应的k，取平均值3.2土的渗透性常水头试验变水头试验条件已知测定算定取值Δh=constΔh变化Δh，A，LV，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t室内试验方法小结不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土3.2土的渗透性现场测定法3－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3.2土的渗透性地下水位≈

测压管水面A=2

rhi=dh/dr计算公式：r抽水量Qr1r2h1h2井不透水层dhdrh地下水位≈

测压管水面3.2土的渗透性土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，K值愈大。因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，随细粒含量增加，K值急剧下降。土的性质水的性质土的粒度成分孔隙比土的饱和度结构和构造2.影响因素3.2土的渗透性是单位土体中孔隙体积的直接度量土愈密实，孔隙比愈小，K值愈小。土的性质水的性质土的粒度成分孔隙比土的饱和度结构和构造3.2土的渗透性一般情况下饱和度愈低，K值愈小。因为低饱和土的孔隙中存在较多气泡会减小过水面积，甚至赌塞细小孔道。土的性质水的性质土的粒度成分孔隙比土的饱和度结构和构造3.2土的渗透性扰动土样比原状土样K值小粘性土层中有很薄的砂土夹层，常使得k水平﹥>k垂直土的性质水的性质土的粒度成分孔隙比土的饱和度结构和构造3.2土的渗透性水的动力粘滞系数：温度，水粘滞性，k土的性质水的温度粒径大小及级配孔隙比土的饱和度结构和构造3.2土的渗透性四、层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的ki根据渗流方向确定等效渗透系数天然土层多呈层状3.2土的渗透性多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变

hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层等效渗透系数:kx已知条件:qx=vxH=kx

iHΣqix=Σki

iiHi达西定律:等效条件:水平渗流3.2土的渗透性H1H2H3H

hk1k2k3xzv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:3.2土的渗透性竖直渗流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H1H2H3Hk1k2k3xz3.2土的渗透性水平渗流情形垂直渗流情形条件已知等效推定3.2土的渗透性层状地基的等效渗透系数小结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总水头=位置水头+压力水头水头是渗流的驱动力达西定律渗透系数、渗透速度达西定律的适用条件

常水头试验变水头试验抽水试验渗透系数影响因素水平等效渗透系数垂直等效渗透系数3.2土的渗透性平面问题：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Δh3.3二维渗流及流网一、二维渗流的基本方程及求解二维渗流的连续性方程单位时间流入微单元的水量:二维渗流的连续性方程：单位时间内流出微单元的水量:连续性条件:dxdzvxvzxz3.3二维渗流及流网二维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3.3二维渗流及流网H1H2123{54渗流的边界条件课堂讨论：土石坝渗流问题的边界条件渗流域不透水层3.3二维渗流及流网H1H2123{14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3.3二维渗流及流网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：3.3二维渗流及流网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3.3二维渗流及流网流速势或势函数：则有：满足达西定律的渗流问题是一个势流问题势函数势函数的特性：等势面是等水头面两条等势面的势值差同其水头差成正比3.3二维渗流及流网存在函数，称为流函数，且有：流线的方程：流函数定义：流线是流场中的曲线，在这条曲线上所有各质点的流速矢量都和该曲线相切连续性方程为某一函数全微分的充要条件为zvxvxvz3.3二维渗流及流网性质一：流线互不相交，在同一条流线上，流函数的值为一常数流函数的性质性质二：两条流线流函数的差值等于其间通过的流量xdq

+dza和b为两流线间的过水断面，a(x,z),b(x-dx,z+dz)vxvzabc3.3二维渗流及流网1）势函数和流函数均满足拉普拉斯方程2）势函数和流函数正交，一点两线的斜率互成负倒数3）势函数和流函数是互为共轭的调和函数，两者均完备地描述了同一个渗流场4）当对调边界条件时，势函数和流函数两组曲线可互换势函数与流函数3.3二维渗流及流网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

+d

vsl3.3二维渗流及流网流网的画法1）确定边界条件：边界流线和首尾等势线2）研究水流的方向：流线的走向3）判断网格的疏密大致分布4）初步绘制流网的雏形：正交性、曲边正方形5）反复修改和检查

H=H1-H20H1H2不透水层要点：边界条件、正交性、曲边正方形、多练习lsabcdefgh3.3二维渗流及流网

H=H1-H20H1H2不透水层f流网的应用测管水头h确定孔压确定流速确定流量水力坡降

h

h

hH1-hH1H1-2h

q

q

q

q流道数3.3二维渗流及流网小结平面渗流的基本方程及求解流网的绘制及应用连续性方程运动方程

边界条件

求解方法势函数流函数流网及特性流网的画法流网的应用3.3二维渗流及流网Δh=0静水中，土骨架会受到浮力作用。Δh>0水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致3.4渗透破坏与控制一、渗透力（动水力）试验观察渗透力-试验观察h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab土粒渗流渗透力j：体积力渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力3.4渗透破坏与控制

Gw

=vv

w+vs

w

＝V

w=LAw

wP1

=

whwAwP2

=

wh1AwP1

+Gw

+

J

=P2

J

=

wh/L=

wi土水整体受力分析-渗流h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab3.4渗透破坏与控制

GwJ

whwAw+LA

w

w+J

=

wh1Aw渗透力J=-J

=-

wi，负号表示渗透力方向竖直向上渗透力-受力分析R=

L-

wh土水整体受力分析-对比静水中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少R=

L减少的部分由谁承担？总渗透力：J=

wh渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力j=J/V=

wh

/L=

wi3.4渗透破坏与控制h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab渗透力-受力分析R=

L-

wh土水整体受力分析-对比h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab静水中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少R=

L减少的部分由谁承担？总渗透力：J=

wh渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力j=J/V=

wh

/L=

wi3.4渗透破坏与控制向上渗流存在时，滤网支持力减少。当滤网支持力为零时的水力坡降称为临界水力坡降icr，它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降：渗透力-受力分析渗透力-受力分析R=

L-

wh=0临界水力坡降icr=

h/L=

/

w由于icr取决于土的物理性质3.4渗透破坏与控制h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab向上渗流存在时，滤网支持力减少。当滤网支持力为零时的水力坡降称为临界水力坡降icr，它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降：渗透力-受力分析渗透力-受力分析R=

L-

wh=0临界水力坡降h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abicr=

h/L=

/

w由于icr取决于土的物理性质3.4渗透破坏与控制渗透力的性质物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力大小：

j=

wi方向：与水力坡降方向一致作用对象：土骨架3.4渗透破坏与控制土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型基本类型：管涌流土接触流土接触冲刷渗透变形单一土层渗透变形的两种基本型式3.4渗透破坏与控制渗透变形-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3.4渗透破坏与控制坝体渗透变形–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3.4渗透破坏与控制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3.4渗透破坏与控制Fs: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：3.4渗透破坏与控制土是否会发生管涌，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3.4渗透破坏与控制较均匀土（Cu

10）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3.4渗透破坏与控制几何条件

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,