土的渗透性和渗流问题.ppt

1、第三章 土的渗透性和渗流问题,3.1 土的渗透问题概述,3.2 达西渗透定律,3.4 二维渗流与流网,3.5 渗透力与渗透变形,土力学,3.6 渗流工程问题与处理措施,主要内容,3.3 渗透系数及其测定方法,土坝蓄水后水透过坝身流向下游,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,3.1 土的渗透问题概述,第三章 土的渗透性与渗流问题,3.1 土的渗透问题概述,研究土的渗透性主要包括以下三个方面的内容:,1.渗流量问题,土中渗流力过大会引起土颗粒的移动,产生渗透变形,如:土坝坝体及渠道渗流量的计算,渗流量和渗透变形不满足设计要求，应采取工程措施,基坑开挖时排水

2、量的计算,水井供水量计算等,2.渗透变形问题,如:地面隆起现象(流土)、细粒被带出现象（管涌）,3.渗流控制问题,土体中的孔隙的形状和大小是很不规则的，水流,在孔隙中的流动是比较复杂的水流现象，由于孔,第三章 土的渗透性与渗流问题,3.2 达西渗透定律,隙较小，因此渗透水流的水头损失很大，流速较,慢，流态一般属于层流流动,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,水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失,3.2 达西渗透定律,二、达西定律适用范围,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

3、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,起始水力坡降,虚直线简化,v=ki,3.2 达西渗透定律,v=k(i-ib),3.3 渗透系数及其测定方法,第三章 土的渗透性与渗流问题,渗透系数K是单位水力坡度时的渗透流速，因此它,可以反映土的渗透性的强弱，工程上按K值的大小,把土分为：,强透水性：K10-1- 10-2cm/s 中等透水性：K=10-5- 10-2cm/s 弱透水性：K10-6- 10-5cm/s,因此，在选择筑坝土料时总是选择K较小的土,一、渗透系数,3.3 渗透系数及其测定方法,渗透系数K的测定可以分为现场试验和室内试验两,二、渗透系数的测

4、定方法,大类，在条件允许时最好进行现场试验，由于土样,未被扰动过，能更好的反映土的实际情况,常用的有注水（压水）试验和抽水试验两种,1、室外渗透试验,实验原理都是通过几个井,一个作为实验井,其它,作为观察井,抽水或注水后,地下水位会发生变化,可以推算出渗透系数,实验费用较高,2、室内渗透试验,时间t内流出的水量,a.常水头试验整个试验过程中水头保持不变,适用于透水性大的土，例如砂土（k10-3cm/s）,3.3 渗透系数及其测定方法,b.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

5、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,3.3 渗透系数及其测定方法,三、影响渗透系数的因数,2.土的密实度,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,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,3.3 渗透系数及其测定方法,3.水的动力粘滞系数,4.土中封闭气体含量,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、影响渗

6、透系数的因数,3.3 渗透系数及其测定方法,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,土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低,四、成层土的渗透系数,1.水平渗透系数,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,3.3 渗透系数及其测定方法,2.垂直渗透系数,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,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,整个土层与层面垂直的等效渗透系数,3.3 渗透系数及其测定方

7、法,五、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,3.3 渗透系数及其测定方法,3.4 二维渗流与流网,第三章 土的渗透性与渗流问题,工程中遇到的渗流问题,边界条件要复杂的多,水流,在形态上往往是二维或是三维的。,如：闸基的渗流、土坝的渗流等,根据水流的连续性方

8、程,达西渗透定律二维形式如下：,可以得到二维渗流方程,3.4 二维渗流与流网,一、平面渗流的基本方程,如果土为各向同性，上式可简化为Laplace方程,常用的方法有：解析法、数值法和水电比拟法三种,对于边界条件比较简单的渗流可采用解析法,对于边界条件较复杂的渗流采用数值法和比拟法,任何一种计算方法的结果都可以用流网来表示,3.4 二维渗流与流网,二、平面渗流方程的求解,一、渗透力,渗透力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力,3.5 渗透力与渗透变形,第三章 土的渗透性与渗流问题,水在土体中流动时，会力图拖曳土粒而消耗部分能量,引起水头的损失,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

9、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,3.5 渗透力与渗透变形,渗流力的存在可以通过以下实验验证,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,3.5 渗透力与渗透变形,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,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,3.5 渗透力与渗透变形

10、,渗流力的存在，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,二、渗透变形,按照渗透水流引起的局部破坏特征，渗透变形可以,由于渗流力的存在，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产生渗透变形问题,1.渗透变形的形式,分为流土和管涌两种基本形式,3.5 渗透力与渗透变形,a.流土,流土在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一,范围内土粒群体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,3.5 渗透力与渗透变形,b.管涌,管涌在渗流作用下，无粘性土中的

11、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。,3.5 渗透力与渗透变形,b.管涌,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,发展型管涌,土体一旦出现渗透变形，细小土粒连续不断的被带出，土体无法承受更大的水力坡度,非发展型管涌,土体出现渗透变形后不久，细小土粒即可停止流失土体可以承受更大的水力坡度，随着水头的继续增加整个土体最后会以流土的型式破坏（过渡型土）,3.5 渗透力与渗透变形,除了最基本的流土和管涌破坏外,还有两种

12、破坏型式,一种是接触流失,3.5 渗透力与渗透变形,当渗透水流垂直于渗透系数相差较大的两种土体接触面时,把细粒土带出并透过粗粒土而流失的现象,另一种是接触冲刷,当渗透水流平行于不同介质的接触面流动时,把颗粒带走的现象,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,2. 流土和管涌的判别方法,粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现,流土破坏,匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生,管涌而只发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu5的,3.5 渗透力与渗透变形,2. 流土和管涌的判别方法,a.当孔隙中细粒含量较少（小于25%）时，细粒不能,塞满粗粒的全部孔隙，由于水流阻力

13、较大，一般不,b.当孔隙中细粒含量较多（大于35%）时，细粒能够,完全充满粗粒的孔隙时，由于水流阻力较小，只要,对Cu5的砂土和砾石、卵石，分两种情况:,出现管涌而会发生流土现象,较小的水力坡降，细粒土容易流动发生管涌破坏,3.5 渗透力与渗透变形,中国水科院的研究成果:,天然无粘性土,3.5 渗透力与渗透变形,较均匀土流土型 (Cu5),不均匀土 (Cu5),级配不连续 (Cc1-3),级配连续 (Cc=1-3),P35%流土型,P25%管涌型,P=25-35%过渡型,孔隙直径法,细料含量法,D0d3流土型,D0d5管涌型,D0= d3 -d5过渡型,P1.1Pop流土型,P0.9Pop管涌

14、型,P=0.9-1.1Pop过渡型,说明,跳过,3.5 渗透力与渗透变形,返回,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，这时的水力坡降即为临界水力坡降,或,3.5 渗透力与渗透变形,三、土的临界水力坡降,临界水力坡降使土体开始发生渗透,变形的水力坡降,在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(23)，作为允许水力坡降i。设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降i内,3.5 渗透力与渗透变形,流土型土的临界水力坡降,管涌型土的临界水力坡降,3.5 渗透力与渗透变形,土的临界水力坡降的影响因素,a.临界水力坡降icr 和不均匀系数C

15、u的关系,土的不均匀系数越大，临界水力坡降越小,b.临界水力坡降icr 和细粒含量P的关系,土的细粒含量越多，临界水力坡降越大,c.临界水力坡降icr 和渗透系数K的关系,土的透水性越强(渗透系数越大)，临界水力坡降,越小,抵抗渗透变形能力越差,坝体工程采用流网法，把渗流逸出处的流网网格的平均水力坡降作为出逸坡降,3.5 渗透力与渗透变形,渗流逸出处的实际水力坡降的计算方法，工程上通,四、实际水力坡降的计算,常采用流网法或改进阻力系数法（角点法）,渗流逸出处网格水头损失,网格在流线上的平均长度,水闸工程可采用流网法或改进阻力系数法（角点法）可绘制出闸基础的渗透压力分布图，从而计算出渗流出口处的

16、逸出坡降,渗流出逸处的允许水力坡降i和实际水力坡降ie,3.5 渗透力与渗透变形,因此在坝工设计和水闸设计中都必须进行渗透稳定,确定后就可以判断土体是否会发生渗透变形,若 iei 则土体处于稳定状态,若 ie=i 则土体处于临界状态,若 iei 则土体处于破坏状态,验算，要求闸（坝）基的水平段和出口段的实际渗,透坡降分别小于其相应的允许值,五、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ie为0.2，若取安全系数Fs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】,临界水力坡降,由于实际水力坡降i ei，故土坝地基出口处土体不

17、会发生流土破坏,允许水力坡降,3.5 渗透力与渗透变形,一、渗流工程问题,地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托,3.6 渗流工程问题与处理措施,第三章 土的渗透性与渗流问题,1.地下水的浮托作用,力，并对建筑物基础产生浮托力,2.地下水的潜蚀作用,下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构,在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用,通常产生于粉细砂、粉土地层中,3.流砂,4.地震液化,在地震力的作用下，粉细砂地基产生液化，丧失承载,在粉细砂地基中，由于渗流作用致使地下水位偏高,能力，使建筑物遭到毁灭性破坏,3.6 渗流工程问题与处理措施,流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，

18、使地表塌,井等工程活动中常出现,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,5.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,3.6 渗流工程问题与处理措施,压水头压力会冲毁基坑底板，这种现象称为基坑突涌,层的厚度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承,因此，基坑开挖时须满足条件,二、防渗处理措施,1.水工建筑物渗流处理措施,挡下排”为原则，上游截渗、延长渗径，下游通畅渗,3.6 渗流工程问题与处理措施,透水流，减小渗透压力，防止渗透变形,水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏” 或“上,水平截渗,铺盖