第二章 土的渗透性,2-1 概述 2-2 达西定律 2-3 渗透力与渗透变形 2-4 渗流工程问题与处理措施 2-5 流网及其应用,水,在水头差作用下,渗透：水透过土 体孔隙的现象,渗透性：土允许 水透过的性能称 为土的渗透性,造成水量损失，影响工程效益,引起渗透破坏，危及堤坝、建筑物安全,本章将主要讨论水在土体中的渗透 性及渗透规律，以及渗透力、渗透变 形等问题。,2-1 概述,渗流量,渗透变形,土石坝,防渗斜墙及铺盖,浸润线,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,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,第6次课,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,渗流量,原地下水位,渗流时地下水位,渠道渗流,Teton坝,损失： 直接8000万美元，起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路,原因：管涌,土坝位于美国Idaho州Teton河上，防洪、灌溉、发电、旅游综合利用，装机16MW，最大坝高126.5m，坝顶长945m。建于1972-75年,75年11月开始蓄水，76年春洪水期间水位迅速上升，达1.2m/d。6月5日上午11:55发生溃坝。下图是现在的景象,Teton坝,1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。,Teton坝,11：00左右 洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加,Teton坝,11:30 洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。,11：50左右 洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。,Teton坝,11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下,Teton坝,12：00过后 坍塌口加宽,Teton坝,洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁,Teton坝,失事现场目前的状况,Teton坝,2-2 达西定律,1856年法国学者达西对 砂土的渗透性进行研究,结论： （水在土中的）渗透速度与水力梯度成正比。,水头梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失,一、达西定律的内容,水头梯度又称水力梯度、水力坡降。,二、达西定律适用范围,达西定律,讨论：,砂土中的渗透速度与水头梯度呈线性关系,密实的黏土，需要克服结合水膜的黏滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水头梯度呈非线性关系。,起始水力坡降,虚直线简化,v=ki,水头：单位重量的水所具有的能量。,水力梯度（坡降）,总水头线,总水头势水头压力水头动水头,三、渗透系数及其确定方法,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（k10-3cm/s）的土，例如砂土。,h,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内管内减少的水量,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，渗透系数小的黏性土,四、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，例如砂土中粉粒及黏粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。,2.土的密实度,3.水的温度,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。,水温愈高，水的动力黏滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。常以水温为10C时k10作为标准值。,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、10分别为T和10时水的动力黏滞系数，可查表,五、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,即为厚度加权平均值,在z轴方向取1延米土体来分析,2. 竖直渗透系数,根据渗透水流连续条件，通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量,竖直渗透系数,第j层土的水力坡降为ij,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,(2),(3),（2）式代入（3）式整理后，得,(1),例题分析,【例】 设做变水头渗透试验的黏土试样的截面积为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】,已知试样截面积A=30cm2，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 渗透力与渗透变形,一、渗透力和临界水力坡降,1.渗透力GD渗透水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力。其方向与渗流方向一致，单位：kN/m3。又称动水力或渗流力,水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力T，T为渗透力GD的反作用力.,水在土体中流动时要受到土粒的阻力作用，反过来土粒也必然作用着一个反作用力，这就是渗透力。,以长度L范围内的水体作为脱离体,P1,P2,TAL,由脱离体静力平衡条件有,特别注意：GD是体积力，作用在土粒骨架上，方向与渗流方向一致。,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,2.临界水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降,当渗透水流自下而上时，如渗透力与土颗粒的重力相等，则土颗粒处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降。,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,GD,或,二、渗透变形,渗透水流将土体中的细颗粒冲走、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逸出口，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,2.管涌在渗流作用下，土中的细小颗粒穿过较大颗粒间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，形成能穿越土体的细管状渗流通道，掏空地基或堤坝，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。它的发生一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏 。,3.流土与管涌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。,黏性土由于粒间具有黏聚力，黏结较紧，一般不出现管涌而只发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu10的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏 。,对Cu10的砂和砾石、卵石，分两种情况:,1.当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌；,2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量约为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象。,三、例题分析,【例】某土坝地基土的土粒相对密度Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游渗流出口处经计算得水力坡降i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】,临界水力坡降,由于实际水力坡降i =0.2i，故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏。,允许水力坡降,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,在施工降水等过程中产生水头差，在渗流作用下发生管涌，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 。,4.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。,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，下游则保证渗流通畅，减小渗透压力，防止渗透变形 。,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。,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。,设置反滤层,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黏性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层。,排水减压,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,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。,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 。,设置板桩,沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降。,水下挖掘,在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成可能导致流砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，并同时进行挖掘 。,2-5 流网及其应用（自学）,一、平面渗流基本微分方程,与kx, kz无关 满足它的是两个共轭调合函数 势函数和流函数,连续性条件,达西定律,假定,Laplace方程,特点,描述渗流场内部的测管水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程式,1. 基本方程,2. 求解方法,确定渗流场内各点的测管水头h的分布,基本方程,边界条件,定解条件,二、流网的特征及应用,流 网渗流场中的两族相互正交曲线等势线和流线所形成的网络状曲线簇。 流 线水质点运动的轨迹线。 等势线测管水头相同的点之连线 。 流网法通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。,基本要求,1. 正交性：流线与等势线必须正交,2. 各个网格的长宽比c应为常数。取c=1，即为曲边正方形,5. 在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。,3.相邻等势线的水头损失相等,4.各流糟的渗流量相等,测管水头 h,实际应用,确定孔压,确定流速,确定流量,水力坡降,M流道数,