渗流中的水头与水力坡降二渗透试验与达西定律三课件

第三章第三章土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题第三章土的渗透性和渗流问题3.1 3.1 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 第三章第三章 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 3.2 3.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 3.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 3.1 土的渗透性与渗透规律 第三章 土的渗透性和渗流问碎散性碎散性多孔介质多孔介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渗透性渗透性土具有被水、气等液体透过的性质土具有被水、气等液体透过的性质渗透特性渗透特性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概概 述述能量差能量差水、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碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流渗透性土具有被水、气等渗流量渗流量渗透变形渗透变形石坝石坝浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层不透水层不透水层石坝坝基坝身渗流石坝坝基坝身渗流渗流量渗透变形石坝浸润线透水层不透水层石坝坝基坝身渗流渗透压力渗透压力渗流量渗流量渗透变形渗透变形透水层透水层不透水层不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板桩围护下的基坑渗流渗透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渗流量渗流量渗透变形渗透变形渗透压力渗透压力渗流滑坡渗流滑坡土的渗透性及渗透规律土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网二维渗流及流网渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形水头梯度水头梯度土坡稳定分析土坡稳定分析渗流量渗透变形渗透压力渗流滑坡土的渗透性及渗透规律二维渗流及3.1 3.1 土的渗透性与渗透规律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能量方程能量方程渗流速度的规律渗流速度的规律渗透特性渗透特性四层状地基的等效渗透系数四层状地基的等效渗透系数地基的渗透系数地基的渗透系数3.1 土的渗透性与渗透规律 一渗流中的水头与水力坡降二一、渗流中的水头与水力坡降一、渗流中的水头与水力坡降ABL透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑一、渗流中的水头与水力坡降ABL透水层不透水层基坑ABLh1h2zAzBh h00基准面基准面z：位置水头：位置水头A A A A点总水头：点总水头：点总水头：点总水头：B B B B点总水头：点总水头：点总水头：点总水头：总水头：总水头：总水头：总水头：水力坡降：水力坡降：水力坡降：水力坡降：ABLh1h2zAzBh00基准面z：位置水头A点总水头：二、渗透试验与达西定律二、渗透试验与达西定律试验前提：试验前提：层流层流断面平均流速断面平均流速水力坡降水力坡降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，A，L=const量测变量量测变量:h2，V，Th=h1-h2Q=V/T二、渗透试验与达西定律试验前提：层流断面平均流速水力坡降1.2.2.达西定律达西定律渗透定律渗透定律渗透定律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 v与水力坡降与水力坡降i 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。注意：注意：注意：注意：V V：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V Vs s：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:k: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：水力坡降物理意义：水力坡降i 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/daymm/s,cm/s,m/s,m/day2.达西定律渗透定律在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡粗粒土：粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律砾石类土中的渗流不符合达西定律砂土中渗透速度砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s适用条件适用条件适用条件适用条件ivovcrivi0层流（线性流）层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土及砂性较重的粘性土两种特例两种特例两种特例两种特例粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土 ii0,v=k(i-i0)粗粒土：适用条件ivovcrivi0层流（线性流）两种特例粘三、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 室内试验测定方法室内试验测定方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.测定方法测定方法野外试验测定方法野外试验测定方法三、渗透系数的测定及影响因素 室内试验测定方法常水头试验法变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，A，L=const量测变量量测变量:V，ti=h/LV=Qt=vAtv=ki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: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，L=const量测变量量测变量:h，t对于透水性较小的粘性土，对于透水性较小的粘性土，应采用变水头试验法应采用变水头试验法 室内试验方法2变水头试验法试验装置：如图试验条件:量测结果整理结果整理:理论依据理论依据:t时刻：时刻：htdhdVe=-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)Adt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，取平均值值结果整理:理论依据:t时刻：htdhdVe=-ad常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验条件条件已知已知测定测定算定算定取值取值h=consth变化变化h，A，LV，t重复试验后，取均值重复试验后，取均值a，A，Lh，t 室内试验方法室内试验方法不同时段试验，取均值不同时段试验，取均值适用适用粗粒土粗粒土粘性土粘性土常水头试验变水头试验条件已知测定算定取值h=consth2.2.影响因素影响因素 土粒特性土粒特性流体特性流体特性粒径大小及级配粒径大小及级配粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分矿物成分矿物成分结构和构造结构和构造结构和构造结构和构造l水的动力粘滞系数（水温）水的动力粘滞系数（水温）l饱和度（含气量）饱和度（含气量）对对k k影响很大，封闭气泡影响很大，封闭气泡2.影响因素 土粒特性流体特性粒径大小及级配水的动力粘滞系数四四、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k ki i根据渗流方向确定等效渗流系根据渗流方向确定等效渗流系数数天然土层多呈层状天然土层多呈层状天然土层多呈层状天然土层多呈层状四、层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的ki天然土层H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层不透水层水平渗流水平渗流水平渗流水平渗流条件条件:等效渗透系数等效渗透系数:qx=vxH=kxiHqix=kiiiHiH1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL112H1H2H3Hhk1k2k3xz竖直渗流竖直渗流竖直渗流竖直渗流v承压水承压水条件条件:等效渗透系数等效渗透系数:vi=ki(h hi i/Hi)H1H2H3Hhk1k2k3xz竖直渗流v承压水条件:等效水平渗流情形水平渗流情形垂直渗流情形垂直渗流情形条件条件已知已知等效等效推定推定水平渗流情形垂直渗流情形条件已知等效推定3.2 3.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 Laplace方程方程一一、平面渗流的基本方程及求解平面渗流的基本方程及求解 连续性条件连续性条件假定：假定：h对于稳定渗流对于稳定渗流h=h(x,z),v=v(x,z)取单宽：取单宽：dy=1与时间无关与时间无关达西定律达西定律平面渗流的基本方程平面渗流的基本方程 1.1.基本方程基本方程3.2 平面渗流与流网 Laplace方程一、平面渗流的基连续性条件连续性条件连续性条件连续性条件达西定律达西定律达西定律达西定律假定假定 Laplace方程方程连续性条件达西定律假定 Laplace方程与与kx,kz无关无关满足它的是两个共轭调合函数满足它的是两个共轭调合函数 势函数和流函数势函数和流函数 特点特点特点特点描述渗流场内部的测管水头的分布，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是平面稳定渗流的基本方程式与kx,kz无关特点描述渗流场内部的测管水头的分布，是2.2.求解方法求解方法 基本方程基本方程边界条件边界条件解析方法解析方法适用于边界条件简单的情况适用于边界条件简单的情况 通解：两个共轭调和函数通解：两个共轭调和函数势函数势函数(x,z)(x,z)流函数流函数(x,z)(x,z)等势线等势线流线流线边界条件边界条件特定解特定解2.求解方法 基本方程边界条件解析方法适用于边界条件简单的二、流网的绘制及应用二、流网的绘制及应用 流网流网渗流场中的两族相互正交曲线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。等势线和流线所形成的网络状曲线簇。流线流线水质点运动的轨迹线水质点运动的轨迹线。等势线等势线测管水头相同的点之连线测管水头相同的点之连线 。流网法流网法通过绘制流线与势线的网络状通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。曲线簇来求解渗流问题。二、流网的绘制及应用 流网渗流场中的两族相互正交曲线基本要求基本要求1.正交性：流线与等势线必须正交正交性：流线与等势线必须正交H h0lsls2.各个网格的长宽比各个网格的长宽比c应为常数。取应为常数。取c=1，即为曲边即为曲边正方形正方形3.在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。基本要求1.正交性：流线与等势线必须正交Hh0lsls2ABCDlsHh h00ls绘制方法绘制方法根据渗流场根据渗流场的边界条件的边界条件确定边界流线确定边界流线和首尾等势线和首尾等势线正交性正交性曲边正方形曲边正方形流线流线等势线等势线反复修改，调整反复修改，调整精度较高的流网图精度较高的流网图初步绘制流网初步绘制流网ABCDlsHh00ls绘制方法根据渗流场的边界条件确定边流网特点流网特点与上下游水位变化无关与上下游水位变化无关h=consth=const；与与k k无关；无关；等势线上各点测管水头等势线上各点测管水头h h相等；相等；相邻等势线间的水头损失相等；相邻等势线间的水头损失相等；各流槽的渗流量相等。各流槽的渗流量相等。流网特点与上下游水位变化无关h=const；总水头差总水头差 h实际应用实际应用 确定流速确定流速 确定流量确定流量水力坡降水力坡降总水头差 h实际应用 确定流速 确定流量水力坡降3.3 3.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一、渗透力一、渗透力（动水力）（动水力）试验观察试验观察试验观察试验观察h0 h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同水在流动时，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。时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、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，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。方向与渗流方向一致。渗透变形渗透变形渗透力渗透力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。3.3 渗透力与渗透变形 一、渗透力（动水力）试验观察h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器abh1hh200hwL土样滤网贮水器abh200hwL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土水整体分析土水整体分析h200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=h1hh200hwL土土样样滤网滤网贮水贮水器器a bP2WP1RA=1W=LsatsatL(+w)P1=whwP2=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whw R=L wh渗流中的土体渗流中的土体h1hh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1RA=1W静水中的土体静水中的土体R=L whR=L 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，向上渗流存在时，滤网支持力减滤网支持力减少少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=wi-体积力体积力静水中的土体R=L whR=L 渗流中R=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=/wL wh=0R=L wh渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流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单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是的拖曳力，它是体积力体积力体积力体积力j=wi大小：大小：方向：方向：与渗流方向一致与渗流方向一致作用对象：作用对象：土骨架土骨架渗透力的性质物理意义：j=wi大小：方向：与渗流方向一利用流网求渗透力利用流网求渗透力复杂条件总渗透力总渗透力大大 小：小：jx网格面积网格面积 方方 向：向：与流线一致与流线一致作用点：作用点：形心形心 流网较密处流网较密处i i较大，该处渗透力也大较大，该处渗透力也大不同位置的渗透力对不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同土体稳定性的影响不同H h0lsls利用流网求渗透力复杂条件总渗透力流网较密处i较大，该处渗透力基本类型基本类型 二二、渗透变形渗透变形（渗透破坏）（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 基本类型 二、渗透变形（渗透破坏）流土管涌土工建筑物及地基1.1.流土流土 在向上的渗透作用下，表层局部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。体颗粒同时发生悬浮移动的现象。粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体渗流渗流原因：原因：1.流土 在向上的渗透作用下，表层局部土体形成条件形成条件Fs:安全系数安全系数1.52.0 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经验判断：经验判断：形成条件Fs:安全系数1.52.0 i :允许管涌2.管涌管涌原因：原因：内因内因有足够多有足够多的粗颗粒形成大于细的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙粒直径的孔隙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。移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。管涌破坏管涌2.管涌原因：内因有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的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，只要渗透力足够大，可发生在任何土中可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土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动的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一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土无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流土与管涌的比较 流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发3.3.防治措施防治措施 增大增大 ii：下游增加透水盖重下游增加透水盖重 防治防治流土流土减小减小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防治管涌管涌改善几何条件：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3.防治措施 增大i：下游增加透水盖重 防治流土减小