第2章土的渗透性和渗流

1第第 2 章章 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 2.1 概述2.2 土的渗透性2.3 渗透力与渗透变形 2本章特点本章特点学习要点学习要点主要难点主要难点有较严格的理论（水流的一般规律）有较严格的理论（水流的一般规律）有经验性规律（散粒体多孔介质特性）有经验性规律（散粒体多孔介质特性）注重对物理概念和意义的深入理解注重对物理概念和意义的深入理解注意土是散粒体（多孔介质）这一特点注意土是散粒体（多孔介质）这一特点 水头及水力坡降水头及水力坡降渗透力及其分析方法渗透力及其分析方法2 土的渗透性和渗流问题 32.1 概述2.2 土的渗透性2.3 渗透力和渗透变形2土的渗透性和渗流问题 碎散性碎散性多孔介多孔介质质三相体系三相体系孔隙流体流动孔隙流体流动渗流渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性渗透性土具有被水、气等流体透过的性质土具有被水、气等流体透过的性质渗透特性渗透特性强度特性强度特性变形特性变形特性非饱和土的渗透性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性饱和土的渗透性2.1概述概述能量差能量差土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流概述渗流量渗透变形土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流2 土的渗透性和渗流问题 6渗水压力扬压力渗流量渗透变形透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流概述2土的渗透性和渗流问题 7渗流量透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q概述2土的渗透性和渗流问题 8渗流量原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位渠道渗流概述2土的渗透性和渗流问题 9渗流滑坡渗流滑坡概述2土的渗透性和渗流问题 10渗流量渗透变形渗流滑坡土的渗透性及渗透规律土的渗透性及渗透规律渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形土坡稳定分析土坡稳定分析挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工多雨地区边坡概述2土的渗透性和渗流问题 112.2 土的渗透性与渗透规律 一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与水力坡降二渗透试验与达西定律二渗透试验与达西定律三渗透系数的测定及影响因素三渗透系数的测定及影响因素四层状地基的等效渗透系数四层状地基的等效渗透系数2土的渗透性和渗流问题 12ABL2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙2土的渗透性和渗流问题 一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与水力坡降13ABL一渗流中的水头与水力坡降h1h2zAwAu wBu zBhh00基准基准面面水力坡降线水力坡降线g2vuzh2w wAA1uzh wBB2uzh 12hhh wuzh Lhi 总水头总水头单位重量水体所具有的能量z：位置水头：位置水头u/u/w w：压力水头：压力水头V2/(2g)：流速水头流速水头00A A点总水头：点总水头：B B点总水头：点总水头：总水头：总水头：水力坡降：水力坡降：2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题 水头差：水头差：测管水头测管水头二二.渗透试验与渗透试验与达西定律达西定律试验前提试验前提：层流层流h，Q A，Q L，QLhAQ 断面平均流速断面平均流速水力坡降水力坡降AQv Lhi iv 1.1.渗透试验渗透试验试验结果试验结果试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件:h1=const，A=const L=const量测变量量测变量:h2，V，Th=h1-h2Q=V/T2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题 2.2.达西定律达西定律vk isvvvn 渗透定律在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关。的一次方成正比，并与土的性质有关。二.渗透试验与达西定律vi注意：注意：AAvvAnAv：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度假想渗流速度，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实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A AvQvA vsAvk:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：物理意义：水力坡降水力坡降i1 1时的渗流速度时的渗流速度单位：单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题 162.2.达西定律达西定律 适用条件：适用条件：层流（线性流）层流（线性流）2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题 二.渗透试验与达西定律 岩土工程中的绝大多数渗流问岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形态可在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。渗流不再服从达西定律。可用雷诺数可用雷诺数Re进行判断：进行判断：Re5时层流时层流Re 200时紊流时紊流200 Re 5时为过渡区时为过渡区 10ev dR172.2.达西定律达西定律（1）粗粒土：）粗粒土：砾石类土中的渗流常不符合达西定律砾石类土中的渗流常不符合达西定律砂土中渗透速度砂土中渗透速度 vcr=0.30.5cm/sivovcrivoi0 两种特例：两种特例：（2）粘性土：）粘性土：致密的粘土致密的粘土 i i0,v=k(i-i0)(1)mvkim2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题 二.渗透试验与达西定律三三.渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素 室内试验测定方室内试验测定方法法野外试验测定方野外试验测定方法法常水头试验法常水头试验法变水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔抽水试验井孔注水试验井孔注水试验1.1.测定方法测定方法2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题 19 室内试验方法室内试验方法1 1常水头试验法常水头试验法三.渗透系数的测定及影响因素 1.1.测定方法测定方法结果整理结果整理试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件:h=const，A=const，L=const量测变量量测变量:V，ti=h/LV=Qt=vAtv=kihtAVLk 适用土类：适用土类：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题 hL土样土样AVQ 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法透水性较小的粘性土透水性较小的粘性土?20三.渗透系数的测定及影响因素 1.1.测定方法测定方法 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件:h变化变化，A=const，L=const量测变量量测变量:h，t2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题 土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开关a21三.渗透系数的测定及影响因素 1.1.测定方法测定方法 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法结果整理结果整理:理论依据理论依据:t时刻：时刻：hdtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(h/L)AdtdVe=dVo流入量流入量：流出量：流出量：连续性条件：连续性条件：-adh=k(h/L)AdthdhkAaLdt 21th0haLdhdkAh 21hhlnkAaLt 21hhlnAtaLk 选择几组选择几组h1,h2,t，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题 土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水头水头测管测管开关开关ahdhtt+dt 野外测定方法野外测定方法抽水试验和注水试验法抽水试验和注水试验法优点：可获得现场较为可优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数靠的平均渗透系数1.1.测定方法测定方法三.渗透系数的测定及影响因素 地下水位地下水位测压管水面测压管水面井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层观察观察井井A=2rhi=dh/drdrdhkrh2AkiQ khdh2rdrQ )hh(krrlnQ212212 212212hh)r/rln(Qk 缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长实验方法：实验方法：理论依据：理论依据：2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题 积积分分2.影响因素 粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构kf(土土粒粒特特性性、流流体体特特性性）三.渗透系数的测定及影响因素 饱和度（含气量）饱和度（含气量）水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题 242.2.影响因素影响因素 三.渗透系数的测定及影响因素 2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题 粒径大小及级配：粒径大小及级配：是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形是土中孔隙直径大小的主要影响因素；因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。（1）土粒特性的影响）土粒特性的影响孔隙比：孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数k一般随孔隙比一般随孔隙比e增大而增大。增大而增大。矿物成分：矿物成分：对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石伊里石伊里石蒙脱石；塑性指蒙脱石；塑性指数数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数。综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数。结构：结构：影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，常使得天然沉积层状粘性土层，常使得 k水平水平 k垂直垂直；在微观结构上，当孔隙；在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性。25饱和度饱和度 s sr r(%)(%)渗透系数渗透系数k(10k(10-3-3cm/s)cm/s)8 87 76 65 54 43 32 280 90 10080 90 100饱和度的影响饱和度的影响流体粘滞性的影响流体粘滞性的影响温度高温度高粘滞性低粘滞性低渗透系数大渗透系数大封闭气泡对封闭气泡对k影响很大，可影响很大，可减少有效渗透面积，还可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道以堵塞孔隙的通道2.2.影响因素影响因素 三.渗透系数的测定及影响因素 2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题（2）流体特性的影响）流体特性的影响四四.层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的确立各层的km考虑渗流方向考虑渗流方向天然土层多呈层状天然土层多呈层状2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题 27H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL四.层状地基的等效渗透系数1122不透水层不透水层水平渗流水平渗流条件条件:mhiiL xmxqqmHH等效渗透系数等效渗透系数:qx=vxH=kxiHqmx=kmimHmxmm1kk HH 2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题 28H1H2H3Hhk1k2k3xz四.层状地基的等效渗透系数竖直渗流竖直渗流:v承压水承压水条件条件:mvvmhh mHH等效渗透系数等效渗透系数:mmmvHhk zkvHh mzmvHvHkk zmmHkHk mzmH11kH k 2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题 mmmmhvkH 算例算例 day/m100k,m0.1Hday/m1k,m0.1Hday/m01.0k,m0.1H332211 按层厚加权平均，由较大值控制按层厚加权平均，由较大值控制倒数按层厚加权平均，由较小值控制倒数按层厚加权平均，由较小值控制day/m67.33HHkkiix day/m03.0kHHkiiz 四.层状地基的等效渗透系数2.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 2土的渗透性和渗流问题 302.22.2土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 第2章 土的渗透性和渗流问题 2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 312.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一一.渗透力渗透力1、试验观察渗透变形渗透变形渗透力渗透力2土的渗透性和渗流问题 二二.渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏）2、物理本质3、计算方法土水整体分析土水整体分析土水隔离分析土水隔离分析32一一.渗透力渗透力1、试验观察h=0 h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。静水中，土骨架会受到浮力作用。h0 h0 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。架产生一个摩擦、拖曳力。渗透力渗透力 j 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。渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b2土的渗透性和渗流问题 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 33一.渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b土土粒粒渗渗 流流j2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2土的渗透性和渗流问题 渗透力与浮力有何区别？渗透力与浮力有何区别？2、物理本质34h200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W=LsatsatL(+w)P1=whwP2=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whw R=L 土水整体分析土水整体分析2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2土的渗透性和渗流问题 一.渗透力3、计算方法35h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W=LsatsatL(+w)P1=whwP2=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whw R=L whR=L 渗流中的土体渗流中的土体2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2土的渗透性和渗流问题 一.渗透力土水整体分析土水整体分析3 3、计算方法、计算方法36h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1R=L whR=L 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？水与土之间的作用力渗流的拖曳力水与土之间的作用力渗流的拖曳力总渗透力总渗透力J=wh渗透力渗透力 j=J/V=wh/L=wij=wi2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2土的渗透性和渗流问题 一.渗透力土水整体分析土水整体分析3 3、计算方法、计算方法37h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1RA=1R=L wh渗流中的土体所受滤网支持力渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少临界水力坡降临界水力坡降i=h/L=/wicr=/w L wh=0e1)1G(ws e11Giscr 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2土的渗透性和渗流问题 一.渗透力土水整体分析土水整体分析3 3、计算方法、计算方法38P2WP1Rh1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bA=1P1+Ww+J =P2水体的平衡条件水体的平衡条件j=wiwhw+wL+j L=wh1WJWwJ=R+P2P1P1=whwP2=wh1Ww=Vvw+Vsw=LwiLhL)Lhh(jwww1w 土水隔离分析土水隔离分析2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2土的渗透性和渗流问题 一.渗透力3 3、计算方法、计算方法39渗透力的性质渗透力的性质物理意义：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：大小：方向：方向：与与i方向一致（均质土与方向一致（均质土与渗流方向一致）渗流方向一致）作用对象：作用对象：土骨架土骨架2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2土的渗透性和渗流问题 一.渗透力40基本类型基本类型 二二.渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏）流土流土管涌管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件形成条件 防治措施防治措施 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2土的渗透性和渗流问题 41粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体1.1.基本类型基本类型 二.渗透变形（渗透破坏）流土流土在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象crii0JW 和和土土的的密密实实程程度度有有关关eGiscr 11 渗流渗流原因：原因：2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2土的渗透性和渗流问题 421.1.基本类型基本类型 管涌管涌原因：原因：内因内因 有足够多的粗颗粒形有足够多的粗颗粒形成大于细粒径的孔隙通道成大于细粒径的孔隙通道外因外因渗透力足够大渗透力足够大 在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。管涌管涌破坏2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2土的渗透性和渗流问题 二.渗透变形（渗透破坏）431.基本类型基本类型 流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土土体局部范围的颗粒同时发土体局部范围的颗粒同时发生移动生移动管涌管涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可只要渗透力足够大，可发生在任何土中发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成的土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生在特定级配的无一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口二.渗透变形 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2土的渗透性和渗流问题 442.2.形成条件形成条件 scrFiii Fs:安全系数安全系数1.52.0二.渗透变形 i :允许坡降允许坡降i icr:土体处于稳定状态土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体发生流土破坏土体处于临界状态土体处于临界状态流土流土经验判断：经验判断：2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2土的渗透性和渗流问题 无压重时：无压重时：45较均匀土较均匀土（Cu10Cu10）二.渗透变形 2.2.形成条件形成条件管涌管涌几何条件几何条件水力条件水力条件一般发生在无粘性土中一般发生在无粘性土中级配级配孔隙及细粒孔隙及细粒判定判定非管涌土非管涌土粗粒形成的孔隙粗粒形成的孔隙通道小于细粒径通道小于细粒径不均不均匀土匀土（Cu10Cu10）不连续不连续连续连续D D0 0=0.25d=0.25d2020细粒含量细粒含量35%35%细粒含量细粒含量25%25%细粒含量细粒含量=25-35%=25-35%D D0 0 d d5 5D D0 0=d=d3 3-d-d5 5管涌土管涌土过渡型土过渡型土非管涌土非管涌土非管涌土非管涌土管涌土管涌土过渡型土过渡型土几何条件几何条件P(%)lgd骨架骨架充填料充填料P53d5d32.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2土的渗透性和渗流问题 46水力条件：水力条件：i icr5 10 15 20 25 30 35 402.01.51.00.50icrCu流土流土过渡过渡管涌管涌二.渗透变形 2.2.形成条件形成条件Cu 20时时,icr =0.25-0.30 i=0.10-0.15前苏联：前苏联：中国：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i0.15-0.250.1-0.22.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2土的渗透性和渗流问题 473.3.防治措施防治措施 scrFiii 增大增大ii：下游增加透水盖重下游增加透水盖重 二.渗透变形防治流土防治流土土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层减小减小i i ：上游延长渗径；上游延长渗径；下游减小水压下游减小水压防治管涌防治管涌改善几何条件：改善几何条件：设反滤层等设反滤层等改善水力条件：改善水力条件：减小渗透坡降减小渗透坡降2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 2土的渗透性和渗流问题 48小结工程实例工程实例渗流问题渗流问题土的渗透性土的渗透性及渗透规律及渗透规律渗透力与渗透力与渗透变形渗透变形渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数渗透力：渗透力：概念与计算概念与计算渗透变形：渗透变形：类型，条件，防治类型，条件，防治2土的渗透性和渗流问题 49第2章 结束