第三章土的渗透性及渗流 第三章3.1 概述3.2 土的渗透性3.3 土中二维渗流及流网3.4 渗透破坏与控制主主 要要 内内 容容3.1 概述l 土是具有连续孔隙的介质。当土作为建筑物的地 基和直接用作建筑材料时，水就会在水位差的作 用下，从水位较高的一侧透过土的孔隙流向水位 较低的一侧。渗流量渗透变形 ： 土粒跑了土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层3 土的渗透性及渗流 3 土的渗透性及渗流 概述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3 土的渗透性及渗流 概述渗流量透水层不透水层天然水面漏斗状潜水面Q水井渗流渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流3 土的渗透性及渗流 概述2 土的渗透性及渗流 概述渗流滑坡渗流滑坡渗透的定义及土的渗透性渗透的定义及土的渗透性 l l液体液体从物质从物质微孔中透过微孔中透过的现象成为的现象成为渗透渗透 l l土具有土具有被水透过的性能被水透过的性能称为土的称为土的渗透性渗透性 l l水在土体中的渗透，一方面会造成水在土体中的渗透，一方面会造成水量的水量的 损失损失，影响工程效益；另一方面将引起土，影响工程效益；另一方面将引起土 体内部的体内部的应力状态应力状态的变化，从而改变水工的变化，从而改变水工 建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿 成破坏事故。成破坏事故。 l l土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度 以及工程施工都有非常重要的影响以及工程施工都有非常重要的影响 3 土的渗透性及渗流 概述渗透性研究主要有以下三方面渗透性研究主要有以下三方面: :l l渗流量渗流量问题问题l l渗透渗透破坏破坏问题：问题：变形（下陷），强度降低变形（下陷），强度降低l l渗流控制问题：渗流控制问题：不发生渗流不发生渗流 ？（防渗墙）（防渗墙）3 土的渗透性及渗流 概述3.2.1 渗流基本概念3 土的渗透性及渗流 3.2 土的渗透性一渗流中的水头 (伯努力定理1738)A B L 透水层不透水层基坑板桩墙A B Lh1h2zA zBh00基准面水力坡降线总水头总水头伯努力定理z：位置水头p/w：压力水头V2/(2g)：流速水头0A点总水头：B点总水头：总水头：水力坡降：3 土的渗透性及渗流 3.2 土的渗透性3.2.1 渗流基本概念3 土的渗透性及渗流 3.2 土的渗透性3.2.2 3.2.2 层流渗透定律层流渗透定律Darcy渗透定律 (1855)l 由于土中孔隙一般非常微 小，水在土体中流动时的 粘滞阻力很大，流速缓慢 层流 l 即:相邻两个水分子运动 的轨迹互相平行而不混流h，qA，q L， q断面平均流速水力坡降达西定律渗透定律3.2土的渗透性 3 土的渗透性及渗流 在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i成正 比，并与土的性质有关。3.2.2层流渗透定律k: 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i1时的渗流速度 单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day（i无量纲）土的种类土的种类渗透系数渗透系数cm/scm/s卵石、碎石、砾石卵石、碎石、砾石1 11010-1-1砂砂1 11010-1-11 11010-3-3粉土粉土1 11010-3-31 11010-4-4粉质粘土粉质粘土1 11010-5-51 11010-6-6粘土粘土1 11010-7-7各类土渗透系数变化范围3.2土的渗透性 3 土的渗透性及渗流 3.2.2层流渗透定律注意：AAvV：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度Vs：实际平均渗流速度 (孔隙断面的平均渗流速度)A AvqVA VsAv3.2土的渗透性 3 土的渗透性及渗流 3.2.2层流渗透定律流速与水力梯度的关系砂土砂土的水力梯度 与渗透速度呈线 性关系，符合达 西渗透定律。3.2土的渗透性 3 土的渗透性及渗流 3.2.2层流渗透定律粗粒土： 砾石类土中的渗流不符合达西定律（紊流）适用条件ivovcrivo i0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 ii0, v=k(i - i0 )3.2土的渗透性 3 土的渗透性及渗流 3.2.3渗透试验及渗透系数室内试验测定方法野外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3.2土的渗透性 3 土的渗透性及渗流 3.2.3渗透试验及渗透系数 1.1.室内渗透试验测定渗透系数室内渗透试验测定渗透系数 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: h，A，L=const量测变量: Q，ti=h/Lq=Q/tq=kAi适用土类：透水性较大的砂性土3.2土的渗透性 3 土的渗透性及渗流 3.2.3渗透试验及渗透系数 1.1.室内渗透试验测定渗透系数室内渗透试验测定渗透系数 室内试验方法2变水头试验法试验装置：如图试验条件: h变化，A，L=const量测变量: h ，t透水性较小的粘性土常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土tt+ t3.2土的渗透性 3 土的渗透性及渗流 3.2.3渗透试验及渗透系数 1.1.室内渗透试验测定渗透系数室内渗透试验测定渗透系数 室内试验方法2变水头试验法结果整理:理论依据:t时刻： htdhdQr= - adhdQc=kiAdt=k (h/L)AdtdQr=dQc流入量：流出量：连续性条件：-adh =k (h/L)Adt选择几组h1, h2, t ，计算相应的k，取平均值(3-12b)3.2土的渗透性 3 土的渗透性及渗流 3.2.3渗透试验及渗透系数 1.1.室内渗透试验测定渗透系数室内渗透试验测定渗透系数常水头试验变水头试验条件已知测定算式取值h=consth变化h，A，LQ，t重复试验后，取均值a，A，Lh，t不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土上节回顾 渗透的定义及土的渗透性渗透的定义及土的渗透性 总水头定义总水头定义 达西定律，注意达西定律，注意v v，适用条件，适用条件 k k的测定，室内：常水头，变水头，野外井抽水的测定，室内：常水头，变水头，野外井抽水3.2土的渗透性 3 土的渗透性及渗流 3.2.3渗透试验及渗透系数 2.2.现场测定渗透系数现场测定渗透系数方法同地下水动力学略3.3.影响渗透系数的主要因素影响渗透系数的主要因素 土的粒度成分（级配） 土的密实度 土的结构(扰动后，原有空隙无) 土的构造（水平夹层）l饱和度（封闭气泡减小过水面积） l水温，水的动力粘滞系数，反比；3.2土的渗透性 3 土的渗透性及渗流 3.2.3渗透试验及渗透系数4. 4. 渗透系数渗透系数k k的经验确定方法的经验确定方法 ( (自学教材自学教材p p7070 p p7 7) ). . 成层土的等效渗透系数成层土的等效渗透系数H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层水平渗流，水量平衡方程条件:对整个土层和单层列达西定律 ：qx=vxH=kxiH（采用单位宽度A=H）qix=kiiiHi3-20意义：将Kix按厚度加权II3.2土的渗透性 3 土的渗透性及渗流 3.2.3渗透试验及渗透系数. . 成层土的等效渗透系数成层土的等效渗透系数H1H2H3Hhk1k2k3xz竖直渗流:水头平衡方程q承压水条件:等效渗透系数:3-21qi = ki (hi/Hi) AAAAA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 3 土的渗透性及渗流 3.2.3渗透试验及渗透系数. . 成层土的等效渗透系数成层土的等效渗透系数3.2土的渗透性 3 土的渗透性及渗流 3.2.3渗透试验及渗透系数. . 成层土的等效渗透系数成层土的等效渗透系数算例说明 按层厚加权平均，由较大值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制因此，成层土kxkz土的渗透系数参考值土的渗透系数参考值土土类类类类渗透系数渗透系数 k(cm/sk(cm/s) )渗透性渗透性纯砾纯砾纯砾纯砾1010-1-1高渗透性高渗透性 纯砾纯砾纯砾纯砾 与与砾砾砾砾混合混合 物物1010-3-31010-1-1中渗透性中渗透性极极细细细细砂砂1010-5-51010-3-3低渗透性低渗透性粉土、砂与粘土粉土、砂与粘土 混合物混合物1010-7-71010-5-5极低渗透性极低渗透性粘土粘土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。 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。渗透变形渗透力h1hh200hwL土样滤网贮水器a b3.4 渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流 3.4.1 渗透力h1hh200hwL土样滤网贮水器a bGwwhwAw wh1Aw Jl假想将土骨架和水分开,对假想水柱取脱离体:n水柱重力Gw=Vvw+Vsw=LAwwn渗透力为J; 渗透阻力为J。n总阻力为 JLAwn做水柱体的平衡方程式有:whwAw+Gw+JLAw=wh1Aw(3-42) 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，它是体积力j = wi大小：方向：与渗流方向一致作用对象：土骨架3.4 渗透破坏与控制 3.4.1 渗透力3.4 渗透破坏与控制 3.4.2 3.4.2 流砂或流土现象流砂或流土现象l 1点，渗流力与重 力方向一致，渗 流力促使土体压 密，对稳定有利 l 2点，3点，渗流 力与重力方向正 交，对稳定不利 l 4点，渗流力与重 力方向相反，对 稳定特别不利3.4 渗透破坏与控制 3.4.2 流砂或流土现象按照渗透水流引起的局部破坏特征，渗 透变形可分为流土和管涌两种基本形式流土流土是指在渗流作用下局部土体表面隆 起，或土粒群同时浮动而流失的现象。 它主要发生在地基或土坝下游渗流逸出 处。 基坑或渠道开挖时所出现的流砂现象是 流土的一种常见形式3.4 渗透破坏与控制 3.4.2 流砂或流土现象粘性土k110）不连续连续细粒含量35% 细粒含量35% 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P 53 d5d33.4 渗透破坏与控制 3.4.3 管涌和潜蚀现象填料含量 icr5 10 15 20 25 30 35 402.01.51.00.50icrCu流土过渡管涌Cu 20时, icr =0.25-0.30i=0.10-0.15苏联：中国：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i0.15-0.250.1-0.2防治措施 增大i：下游增加透水盖重 防治流土土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层减小i ：上游延长渗径；下游减小水压防治管涌改善几何条件：设反滤层等改善水力条件：减小渗透坡降3.4 渗透破坏与控制 3.4.3 管涌和潜蚀现象管涌的治理l 反滤倒渗管涌的治理l 反滤围井管涌的治理l 蓄水反压整体破坏水库塌岸土的类型与渗透变形型式粘性土无粘性土过渡型土只有流土而无管涌与土的颗粒组成、级配和密度等因素有关与密度有关，大密度流土，小密度管涌小结工程实例渗流问题土的渗透性 及渗透规律二维渗流 及流网渗透力与 渗透变形渗流中的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平面渗流的基 本方程及求解 流网的绘 制及