土力学地基版 6

第二章土的渗透性主要内容2.1达西定律及其适用范围2.2渗透系数与渗透力2.3土的渗透变形潜水承压水上层滞水含水层地下水埋藏方式简介地下水位面天然地面补给源不透水层碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流水在土体孔隙中流动的现象渗透性土具有被水、气等流体透过的性质渗透特性强度特性变形特性能量差土颗粒土中水渗流土的渗透问题概述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头差作用下，水透过土体孔隙产生流动的现象称为渗透

5渗水压力渗流量渗透变形透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流开挖基坑时的渗流7流线：水的质点运动轨迹。地下水流动的基本形式：层流和紊流层流：流速较小、流线互相平行的水流紊流：流速较大，水的质点运动轨迹不规则，流线互相交错，产生局部漩涡的水流由于土中孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的黏滞阻力很大，流速缓慢，一般认为是层流。土的渗透问题概述ABLH1H2zAzBΔh00基准面水力坡降线一、达西定律i=(H1-H2)/L=△h/L水力坡降，即沿渗流方向单位距离的水头损失压力水头z位置水头总水头H1.水力坡降的概念水头差△h一、达西定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究水在土中的渗透速度与试样的水力坡降成正比v=ki达西定律:A=1t=1渗透系数k:单位水力坡降时的渗透速度cm/s，m/d思考：v计算与v实际关系△H土的类别渗透系数m/dcm/s黏土＜0.005＜6×10-6粉质黏土0.005～0.16×10-6～1×10-4黏质粉土0.1～0.51×10-4～6×10-4黄土0.25～103×10-4～1×10-2粉土0.5～1.06×10-4～1×10-3粉砂1.0～51×10-3～6×10-3细砂5～106×10-3～1×10-2中砂10～201×10-2～2×10-2均质中砂35～504×10-2～6×10-2粗砂20～502×10-2～6×10-2均质粗砂60～757×10-2～8×10-2圆砾50～1006×10-2～1×10-1卵石100～5001×10-1～6×10-1无填充物卵石500～10006×10-1～1×10-0土的渗透系数的范围表2-1二、达西定律适用范围讨论：砂土的渗透速度与水力坡降呈线性关系

达西定律iv0砂土v=ki0iv密实黏土ib起始水力坡降密实的黏土，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达西定律适用于层流，不适用于紊流(一)试验方法（室内）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=10-2～10-3cm/s）的土，例如砂土。时间t内流出的水量一、渗透系数第二节渗透系数与渗透力Q2.变水头试验-整个试验过程水头随时间变化适用于透水性差，渗透系数小的黏性土截面面积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dQ=－adh

在时段dt内流经试样的水量dQ=kiAdt=kAh/Ldt

管内减少水量＝流经试样水量

－adh=kAh/Ldt

分离变量并积分（二）渗透系数的影响因素1.土的性质对渗透系数的影响（1）土粒大小与级配细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及黏粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。（2）孔隙比

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。（3）矿物成分与黏土含量

黏性土的渗透系数在很大程度上取决于矿物成分及黏粒含量。（4）土的结构土的结构也是影响渗透系数值的重要因素之一，特别是对黏性土其影响更为突出。凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性土层水平方向的透水性远大于垂直层面方向的透水性饱和度sr(%)渗透系数k(10-3cm/s)8090100（5）土体的饱和度封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道2.渗透水的性质对K的影响温度高粘滞性低渗透系数大K20=kT×μT/μ20（三）成层土的渗透系数H1H2H3k1k2k3Hqxq1xq2xq3x通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和

达西定律平均渗透系数整个土层与层面平行的等效渗透系数

1.平行于层面(方向)的渗透情况2.垂直渗透系数

H1H2H3k1k2k3Hqyq1yq2yq3y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

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

二、渗透力渗透力——渗透水流施加于单位体积土体内土颗粒骨架上的力2h1h21L△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渗流力和土粒对水流的阻力大小相等，方向相反截面1处水产生的作用力截面2处水剩余的作用力土粒对水流的阻力应为

截面1与2力的差值为渗透力渗透力是渗流作用于单位体积土体内土颗粒骨架上的力说明：渗透力j是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3

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，土粒将被水流冲出第三节土的渗透变形

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）（一）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一、渗透变形的基本形式（二）管涌——在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动、流失，随着土的孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也被带走，最后形成贯通通道，造成土体塌陷的现象。原因：内因——有足够多的粗颗粒形成大于细粒径的孔隙通道外因——渗透力足够大

2013年２月１５日７时，山西省洪洞县曲亭水库灌溉输水洞洞顶垮塌，导致坝体出现管涌，目前坝体已塌陷，致大坝在涵管处坍塌过水。流土与管涌的比较25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黏性土或分散性黏土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口二.渗透破坏类型的判别——渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关（一）流土可能性的判别黏性土由于粒间具有黏聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu＜10的匀粒砂土，在一定的水力坡降作用下，局部地区较易发生流土破坏土体处于稳定状态土体处于流土状态土体处于临界状态对Cu>10的砂和砾石、卵石，分两种情况：（2）级配连续（根据平均孔隙直径）（二）管涌可能性的判别1、几何条件对Cu＜10的均匀土，颗粒粗细相差不多，形成的孔隙通道不比细颗粒大，细颗粒不能在孔隙中移动，不可能产生管涌。（1）级配不连续：根据孔隙中细粒含量土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动28较均匀土（Cu≤10）管涌几何条件水力条件一般发生在无黏性土中级配孔隙及细粒判定非管涌土粗粒形成的孔隙通道小于细粒径不均匀土（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几何条件P(%)lgd骨架充填料p5p3d5d3（二）管涌可能性的判别三、渗透变形的防治措施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、下游的水力坡降，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，延长了水流渗透路径

黏土铺盖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

④排水减压黏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

2.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原地下水位明沟排水在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用