土中水的运动规律课件

土中水的运动规律1第二章第二章 土中水的运动规律土中水的运动规律n概述 n土的渗透性n二维渗流及流网 n土的毛细性及土的冻胀 本章重点：渗透定律、渗透系数、动水力及流砂现象本章重点：渗透定律、渗透系数、动水力及流砂现象土中水的运动规律2 2.1 土的渗透问题概述土的渗透问题概述浸润线浸润线流线流线等势线等势线下游下游上游上游土坝蓄水后水透土坝蓄水后水透过坝身流向下游过坝身流向下游渗透渗透自由水在水位差作用下，发生从土内孔隙中透过的自由水在水位差作用下，发生从土内孔隙中透过的现象现象 H隧道开挖时，地下隧道开挖时，地下水向隧道内流动水向隧道内流动 土中水的运动规律3研究渗流主要解决两类问题研究渗流主要解决两类问题 渗流量计算问题：渗流量计算问题：深基坑开挖排水深基坑开挖排水问题问题 渗流稳定与渗流控制渗流稳定与渗流控制问题问题：产生渗透变形，产生渗透变形，甚至渗透破坏甚至渗透破坏，如，如道路道路边坡破坏、堤坝失稳、边坡破坏、堤坝失稳、地面隆起等地面隆起等 土中水的运动规律42.2 土的渗透性土的渗透性 n一、达西定律一、达西定律1856年法国学者年法国学者DarcyDarcy对对砂土砂土的渗透性进行研究的渗透性进行研究结论：结论：水在土中的渗透速水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比度与试样的水力梯度成正比渗透试验渗透试验播放播放达西定律达西定律 V=Kh/L=KiV=Kh/L=KiKK渗透系数，渗透系数，cm/s cm/s ii水力梯度，即沿渗流方水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失向单位距离的水头损失 hh2h1土中水的运动规律5讨论：讨论：1 1）公式适用于层流情况，一般适用于中、细、粉砂土；）公式适用于层流情况，一般适用于中、细、粉砂土； 2 2）在粘土中应按修正后的达西定律考虑起始水头梯高）在粘土中应按修正后的达西定律考虑起始水头梯高 i io o计算。计算。 V=KV=K（i-ii-io o）。）。密实的粘土，需要克密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透后才能发生渗透; ;同同时渗透系数与水力坡时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系定律而呈非线性关系 起始水起始水力坡降力坡降i0v=kiivO O砂土砂土0iv密实粘土密实粘土虚直线虚直线简化简化)(0iikv砾土砾土土中水的运动规律6二二 渗透系数及其确定方法渗透系数及其确定方法LhkAtQq时间时间t内流出的水量内流出的水量hAtQLk1.常水头试验常水头试验整个试验整个试验过程中水头保持不变，适用于透过程中水头保持不变，适用于透水性大砂土（水性大砂土（k10-3cm/sk10-3cm/s）。）。 hh2h1测定渗透系数方法测定渗透系数方法试验室测定试验室测定: :常水头试验常水头试验 变水头试验变水头试验 现场抽水试验现场抽水试验土中水的运动规律7 2 2变水头渗透试验变水头渗透试验整个试验过程水头随时间整个试验过程水头随时间变化变化 适用于适用于透水性差，渗透系数小的粘性土。适用于适用于透水性差，渗透系数小的粘性土。土中水的运动规律8截面截面 面积面积a任一时刻任一时刻t的水头差为的水头差为h，经时段，经时段dt后，细玻璃管中水位降落后，细玻璃管中水位降落dh，在，在时段时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dQ=adh 在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dQ=kiAdt=kAdth/L管内减少水量流经试样水量管内减少水量流经试样水量 adh=kAh/Ldt 2112lnhhttAaLk2112lg3 .2hhttAaLk分离变量分离变量 积分得积分得 土中水的运动规律9212212)/ln(hhrrqK3 3现场抽水试验现场抽水试验室内试验时不易取得原状土样，室内试验时不易取得原状土样，或者土样不能反映天然土层的层次或土颗粒排列情况时或者土样不能反映天然土层的层次或土颗粒排列情况时图2-6 现场抽水试验非承压完整井还有其它几种形式？土中水的运动规律10水平向渗流时水平向渗流时Kh I=I1 = I2 q=q1+q2 F=F1+F2=1h1+1h2=h1+h2 Kh =K=Ki ih hi i/h/hi i 受渗透系数最大的土层控制受渗透系数最大的土层控制 竖直向渗流时竖直向渗流时 K KV V q =q1=q2；F=F1=F2 H=H1+H2 K KV V=K=Ki ih hi i/(h/(hi i/K/KI I) ) 受渗透系数最小的土层控制受渗透系数最小的土层控制h1h2qFk1k2k1k2q1q2h1h2qh1h24成层土的渗透系数成层土的渗透系数土中水的运动规律11（1 1）土的矿物成分：）土的矿物成分：蒙脱石含量，或有机质，则K（2 2）粒度成分：）粒度成分：粗，浑圆均匀则K（3 3）结合水膜厚度）结合水膜厚度,K；厚度，K（4 4）土的结构构造：）土的结构构造：黄土KVKn，夹砂粘土KVKn（5 5）水的沾滞度）水的沾滞度t t：温度T，Rt应进行修正，以10水 为标准渗透系数值K20: K20=kTT/205 5 影响渗透性的因素影响渗透性的因素T、20分别为分别为T和和20时水时水的动力粘滞系数，可查表的动力粘滞系数，可查表 （6）土中气体：）土中气体：含密闭气泡，K土中水的运动规律12n【例】 设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为30cm2，厚度为，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm，试验开始时的水位差为，试验开始时的水位差为160cm，经时段，经时段15分钟后，观察得水位差为分钟后，观察得水位差为52cm，试验时的水温为，试验时的水温为30，试求试样的渗透系数，试求试样的渗透系数 【解答】解答】已知试样截面积已知试样截面积A= =30cm，渗径长度，渗径长度L= =4cm，细玻璃管的内截面积，细玻璃管的内截面积 222cm1256. 044 . 014. 34dah1= =160cm，h2= =52cm，t= =900s 试样在试样在30时的渗透系数时的渗透系数 cm/s1009. 252160lg9003041256. 03 . 2lg3 . 25211230hhttAaLk土中水的运动规律13三三 渗流力及流砂与管涌现象渗流力及流砂与管涌现象 1.渗渗流力流力GD水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力称水流作用在单位体积土体中土颗粒上的力称为渗流力，也称动水力为渗流力，也称动水力 h2h1h21L水流流经这段水流流经这段土体，受到土土体，受到土颗粒的阻力，颗粒的阻力，阻力引起的水阻力引起的水头损失为头损失为h土粒对水流的阻力应为土粒对水流的阻力应为 wwLAG wTLAhATwwwwwAhTLAGAh1水柱隔离体平衡条件水柱隔离体平衡条件 水柱重力水柱重力 土颗粒对水总的阻力土颗粒对水总的阻力 iTGD渗透力是一种体积力，其大小与水渗透力是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为向一致，单位为kN/m3 （矢量）土中水的运动规律142.流砂、管涌与临界水头梯度流砂、管涌与临界水头梯度n流砂流砂当向上的当向上的G GD D与土的浮重度相等时，即与土的浮重度相等时，即G GD D=I=I= =satsat-，这时土颗间的压力等于零，土颗粒将处，这时土颗间的压力等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，该现象称为流砂。于悬浮状态而失去稳定，该现象称为流砂。临界水力坡降临界水力坡降( (梯度梯度)土在水下的浮重度土在水下的浮重度G G为为，当向上的渗流力当向上的渗流力G GD D与土的浮重度相等时，其水力坡降即为临与土的浮重度相等时，其水力坡降即为临界水力坡降界水力坡降工程中，将土的临界水力坡工程中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数降除以某一安全系数Fs(23)，作为允许水力坡降作为允许水力坡降i。scrFiiiGGDDGG crwiwwsatwcrieGiscr11或或土中水的运动规律15n管涌管涌水在砂性土中渗流时，土中的一些细小颗粒在动水作用水在砂性土中渗流时，土中的一些细小颗粒在动水作用下，可能通过粗颗粒的孔隙被水带走的现象。下，可能通过粗颗粒的孔隙被水带走的现象。讨论：讨论：1 流砂发生在土体表面渗流逸出处，不发生在土体内部，而管涌两者都可能发生。 2 流砂主要发生于细、粉砂及粉质粘土中，而在粗颗粒土及粘土中不易发生。 3 管涌的临界水头梯度与土的颗粒大小及其级配情况有关。不均匀系数 Cu，则Icr，图2-10图2-10 流砂引起破坏示例a)基坑因流砂失稳 b)河堤覆盖层下流砂涌出a)b)土中水的运动规律16图2-11 例2-1围护结构坑底hw【解】发生发生流砂的条件为流砂的条件为临界水头梯度临界水头梯度因维护结构进入坑底因维护结构进入坑底4m，故，故水渗流路径长水渗流路径长:两侧水头差为两侧水头差为故承压水位上升后的高度故承压水位上升后的高度m【例2-1】某基坑开挖深某基坑开挖深8m8m（见图（见图2-112-11），地基中存在粉土），地基中存在粉土层，其饱和重度为层，其饱和重度为20kN/m320kN/m3，在一场爆雨后，坑底发生了向，在一场爆雨后，坑底发生了向上涌砂的流砂现象，经调查发现粉土层中存在承压水，试估上涌砂的流砂现象，经调查发现粉土层中存在承压水，试估算这时承压水头为多高？算这时承压水头为多高？crII LhIcrm10m6m4LmmLLhwwsatw1010)1020(10)(8)46(hhw土中水的运动规律17流砂现象的防治原则是：流砂现象的防治原则是：减小或消除水头差，如采取基坑外的井点降减小或消除水头差，如采取基坑外的井点降水法降低地下水位或水下挖掘；水法降低地下水位或水下挖掘；增长渗流路径，如打板桩；增长渗流路径，如打板桩；钢板桩钢板桩原地下水位原地下水位明沟排水明沟排水原水位面原水位面一级抽水后水位一级抽水后水位二级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水多级井点降水土中水的运动规律18在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力；重以平衡渗流力；土层处理，减小土的渗透系数，如冻结法、注浆法等土层处理，减小土的渗透系数，如冻结法、注浆法等 砂垫层砂垫层水位水位加筋土工布加筋土工布回填中粗砂回填中粗砂抛石棱体抛石棱体设置反滤层设置反滤层土中水的运动规律19 23 二维渗流及流网二维渗流及流网 n一、二维渗流方程及流网的特征一、二维渗流方程及流网的特征 1 二维渗流方程二维渗流方程02222yhkxhkyx流网流网是由一组流线和一组等势线互相正交组成的网格。 在稳定渗流场中，流线表示水质点的流动路线，流线上任一点的切线方向就是流速矢量的方向。等势线是渗流场中势能或水头的等值线。 图2-12 平面流网示意图aili流线流线等势线等势线土中水的运动规律202流网的特征流网的特征1)流线与等势线互相正交。流线与等势线互相正交。2)流线与等势线构成的各个流线与等势线构成的各个网格的长宽比为常数。当长宽网格的长宽比为常数。当长宽比为比为1时，网格为曲边正方形。时，网格为曲边正方形。3)相邻等势线之间的水头损相邻等势线之间的水头损失相等。失相等。4)各个流槽（即各相邻两流各个流槽（即各相邻两流线间）的渗流量相等。线间）的渗流量相等。 流网中等势线越密的部位、水力梯度越大，流线越密流网中等势线越密的部位、水力梯度越大，流线越密的部位流速越大。的部位流速越大。图2-12 平面流网示意图ailih土中水的运动规律21二二 流网的绘制及应用流网的绘制及应用 按一定比例绘出结构物和土层的剖面图。1流网的绘制流网的绘制判定边界条件，图中aa和bb为等势线边界(透水面)；acb、ss为流线边界（不透水面）。先试绘若干条流线(应相互平行，不交叉且是缓和曲线)；流线应与进水面（aa）、出水面(bb)正交，并与不透水面(流线ss)不交叉。加绘等势线。须与流线正交，且每个渗流区的形状接近“方块”。图2-12 平面流网示意图ailih土中水的运动规律222流网应用流网应用idiiilhNlhi1idiilhNkkIv1idiiiilNkhaavq1hlaNNkqNqQiidfifiwwihu1)1)相邻等势线间的水头损失相邻等势线间的水头损失hi。2)2)各网格水力梯度各网格水力梯度iidiNhh 各网格的渗透速度各网格的渗透速度vi为为3）单位渗流量）单位渗流量q总渗流量为总渗流量为 4)任意点的孔隙水压力任意点的孔隙水压力ui等势线的等势线的间隔数间隔数 等势线宽等势线宽图2-12 平面流网示意图ailih流槽数流槽数土中水的运动规律23一一 土层中的毛细水土层中的毛细水土中水的运动形式：5种土的毛细现象指土中水在表面张力作用下，沿着孔隙向上及其他方向移动的现象。 毛细现象对工程危害 24 土的毛细性及土的冻胀土的毛细性及土的冻胀 hmax 二二 毛细水上升高度及毛细压力毛细水上升高度及毛细压力上举力：P=S2rcos=2rcos重力： G=Wr2hmax湿润角可取=0 则 hmax=4/(d)海森公式：hc=C/(ed10)土中水的运动规律24n三三 冻土冻胀危害及影响冻胀的因素冻土冻胀危害及影响冻胀的因素1冻胀现象及其对工程的危害冻胀现象及其对工程的危害 2影响冻胀的因素：影响冻胀的因素：土的因素；水的因素；温度因素土的因素；水的因素；温度因素