第二章土的渗透性课件

第二章第二章 土的渗透性与土的渗透性与渗流分析渗流分析l第一节 概述l土中水在势能作用下，在土中流动，称为土的渗流；水流通过土孔隙难易程度的性质称为土的渗透性；由于水的渗流将会产生水的渗漏及土体的渗透破坏等工程问题，其中包括：土的渗透问题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 在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透渗透 第二节第二节 土的渗透性土的渗透性l土的渗透性、土的变形特性、土的强度等，是土力学所研究的三个主要的力学性质。l 一、渗流的基本规律达西定律 l1、水力梯度的概念l总能量=位能+势能+动能达西定律达西定律(darcys law)的内容与适用的内容与适用条件条件l1856年达西(darcy)对砂土的渗透性进行了研究，发现水在土中的渗透速度与试样两端面间的水头差成正比，l而与流径长度成反比，l于是，渗透速度表示 l 适用条件适用条件1l达西定律适用于流动状态为层流的情况，对密实的粘土，由于吸着水具有较大的粘滞阻力，故只有当水力坡降达到某一数值时，才能发生渗透，我们将开始发生渗透时的水力坡降，称为粘性土的起始水力坡降，而且，对粘性土在水力坡降超过起始水力坡降后，渗透速度与水力坡降呈非线性关系，但为了方便，常用如下表达式来描述密实粘土的渗透速度与水力坡降的关系 适用条件适用条件2l对于粗颗粒的砾、卵石土，只有在小的水力坡降下，渗透速度与水力坡降才呈直线关系，而在较大的水力坡降下，水在土中的流动进入紊流状态，渗透速度与水力坡降呈非线性关系，此时达西定律同样不能适应，可用下式表示 （m=0.51)l用达西定律计算出的渗透速度不是水在土中的实际渗透速度，而是一个假想的平均速度，因为它假定水在土中的渗透是通过整个土体截面进行的，而实际上，渗透水不仅仅通过土体中的孔隙流动，因此，水在土中的实际平均流速要比用达西定律所求得的数值大得多 二、渗透系数（二、渗透系数（coefficient of permeability）的测定与影响因素的测定与影响因素l1测定方法 其测定方法是现场的抽水和注水试验，及室内的定水头试验（无粘性土）和变水头试验（粘性土）。l l影响渗透系数的因素影响渗透系数的因素1.土粒大小与级配土粒大小与级配 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。愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。2.2.土的密实度土的密实度 3.3.水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数 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。增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。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。滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。4.4.土中封闭气体含量土中封闭气体含量 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。含量愈多，土的渗透性愈小。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 影响因素影响因素l5.5.土的结构土的结构，扰动土样与击实土样的渗透系数通常均比同一密度的原状土样渗透系数小；l6.6.土的构造土的构造，如粘性土层有很厚的砂土夹层的层理构造，会使水平方向的渗透系数比竖直方向的渗透系数大许多倍。l成层土的渗透系数成层土的渗透系数1.水平渗透系数水平渗透系数 H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和应为各土层渗流量之总和 达西定律达西定律整个土层与层面平整个土层与层面平行的等效渗透系数行的等效渗透系数 平均渗透系数平均渗透系数2.垂直渗透系数垂直渗透系数 H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理，通过根据水流连续定理，通过整个土层整个土层的渗流量等于通过的渗流量等于通过各土层各土层的渗流量的渗流量 垂直渗垂直渗透系数透系数q3yq2yq1yqy各土层的相应的水力坡降为各土层的相应的水力坡降为i1、i2、in，总的水力坡降为总的水力坡降为i 总水头损失等于各层水总水头损失等于各层水头损失之和头损失之和 代入代入整个土层与层面垂直整个土层与层面垂直的等效渗透系数的等效渗透系数 第第三三节节、二、二维渗流与流网渗流与流网l1工程实践中常见的二维渗流问题-土坡、坝（路）基、闸基等l2稳定渗流连续方程 l根据达西定律建立稳l定渗流连续方程如下：l对于各向同性的土体，渗透系数kx=kz，上式改为：这就是地下水运动的拉普拉斯方程。解此方程（解析法、数值法等），即可求土体内各点的水头后，可计算相应的渗流流速、流量、渗流力和孔隙水压力流线与流网的概念流线与流网的概念l水在势能作用下产生流动，水质点形成流线流线，在渗流场内相邻流线之间形成流带，沿流线方向，水流的势能由高到低，将各条流线上势能相同的点连成线即为等势线等势线；l特点：一组等势线表示势能的变化过程；相邻两条等势线之间均存在相同的水力梯度；l一组流线与一组等势线交织成网即为流网流网。3流网的性流网的性质a流线与等势线相互正交b每个网格的长宽比为定值，网格为曲边正方形，c任意两相邻等势线间的水头损失相等；d任意两相邻流线间的渗流量相等。4流网的流网的应用用l（1）如图所示，水闸上下游的水位差为h。根据流网的性质，若等势线的间隔数为n，则闸基渗流范围内每相邻两等势线间的水头差为：hi=h/n l（2）在流网中取任意网格，沿流线长度为li，沿等势线的长度为bi，则该网格上的水力坡降为：ii=hi/li，由达西定律可以求得通过该网格的渗透流速：vi=k ii=kh/li n（3）流过该网格两流线间的流量qi=vibi=khbi/li n l（4）若闸基渗流范围内，由流线分割的流线数为m，则闸基的总渗流量为q=qim 因为网格为曲边正方形，bi=li，所以上式变为：q=khm/n流网的流网的应用用l（5）知道任一网格的水力坡降ii后，作用在网格上的渗流力为：j i=rwhibi其作用方向与流线方向相同，并假定作用在网格的形心上。l（6）作用在地基上的总渗流力，为所有流网网格上渗流力的矢量和：j=j i l（7）还可由流网求地基渗流范围任一点的孔隙水压力以及渗流对基础底面的渗流压力等。第四节、渗流力与渗流稳定问题第四节、渗流力与渗流稳定问题l1渗透力(seepage force)：地下水渗流时，单位体积土骨架所受到的推力称渗透力（体积力KN/m3），用符号j表示 j=rwi，方向与渗流方向一致l受力分析：2、临界水力梯度、临界水力梯度l当渗透的方向发生在与土体的重力方向相反的时候，达到j=iw=时，土颗粒出现临界悬浮状态，（流土或管涌），此时icr=/wlicr称为临界水力梯度渗透变形渗透变形流流土土(flowing sand)、管涌管涌(piping)l流土(flowing sand)：当渗透力大于或等于土的有效重度时，土粒间压力被抵消，于是土粒处于悬浮状态，土粒随水流动，这种现象叫流砂或流土。主要发生在细砂、粉砂和粉土等粘聚性差的细粒土中。l管涌(piping)：在渗流作用下，土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙孔道中发生移动，并被带出的现象。主要发生在砂砾石中。1.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出逸处，不发生于土体内部。开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、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淤泥等较易发生流土破坏 2.管涌管涌在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象的孔隙，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。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发稳。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展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏 3.流土与管涌的判别流土与管涌的判别渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配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以及水力条件等因素有关 粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生流土破坏；一般认为不均匀系数发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu10的砂土，在一定的的砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏 对对Cu10的砂和砾石、卵石，分两种情况的砂和砾石、卵石，分两种情况:1.当孔隙中细粒含量较少（小于当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌要较小的水力坡降，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（此时细料含量约为约为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象生流土现象3 3 渗流工程问题与处理措施渗流工程问题与处理措施 l一、渗流工程问题一、渗流工程问题1.地下水的浮托作用地下水的浮托作用 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筑物基础产生浮托力 2.2.地下水的潜蚀作用地下水的潜蚀作用 在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细通常产生于粉细砂、粉土地层中砂、粉土地层中 3.3.流砂流砂 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。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、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、打井等工程活动中常出现埋设地下管道、打井等工程活动中常出现 4.4.基坑突涌基坑突涌 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，这种现象称为坑底板，这种现象称为基坑突涌基坑突涌l二、防渗处理措施二、防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施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水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏上堵下疏”为原则，上游为原则，上游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形变形 垂直截渗垂直截渗 主要目的主要目的: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均属于垂直截渗 设置水平铺盖设置水平铺盖 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 粘土铺盖粘土铺盖设置反滤层设置反滤层 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，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而设置反滤层，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产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，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 排水减压排水减压 粘性土粘性土含水层含水层减压井减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置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减压井或深挖排水槽 2.基坑开挖防渗措施基坑开挖防渗措施工程降水工程降水 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）设置排在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟设备将地下水从排水沟或集水井排出或集水井排出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要求地下水位降得较深，要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位从井中抽水降低水位 设置板桩设置板桩 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，减小水力坡降下水的渗流路径，减小水力坡降钢板桩钢板桩水下挖掘水下挖掘 在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，并同时进行挖掘并同时进行挖掘 本章本章总结l掌握达西渗流定律，掌握单层或多层土时的流土和流沙现象发生的条件和判别方法。