土的渗透性(最新

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章,土的渗透性及渗流,主讲教师,:,1,3.2,土的渗透性与渗透规律,第三章,土的渗透性及渗流,3.3,二维渗流及流网,3.4,渗透破坏与控制,3.1,概述,2,3.1,概 述,渗流,渗透性,土具有被水、液体等透过的性质,水、液体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,能量差,土,土颗粒,土中水,渗流,渗透特性,强度特性,变形特性,互相关联,互相影响,土力学重 要课题,3,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,防渗体,坝体,浸润线,渗流问题：,1.,渗流量？,2.,渗透破坏？,3.,渗透力？,工程实例,3.1,概 述,土的渗透性研究,渗流量,渗透破坏,渗流控制,三个问题,工程应用的需要,4,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流：,3.1,概 述,渗流问题：,1.,渗流量？,2.,渗透破坏？,3.,渗水压力？,工程实例,5,渗流问题：,1.,渗流量,Q,？,2.,降水深度？,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流：,漏斗状潜水面,Q,3.1,概 述,6,降雨入渗引起的滑坡,渗流问题：,1.,渗透力？,2.,入渗过程？,事故实例,3.1,概 述,7,3.2,土的渗透性,一渗流中的水头与水力坡降,二渗透试验与达西定律,三渗透系数的测定及影响因素,能量方程,渗流速度的规律,渗透特性,四层状地基的等效渗透系数,地基的渗透系数,8,A,B,L,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程、动量方程,一、渗流中的水头与水力坡降,3.2,土的渗透性,9,总水头,（伯努利定理）,：,单位重量水体所具有的能量,位置水头,Z,：水体的位置势能（任选基准面）,压力水头,p/,w,：水体的压力势能（,p,孔隙水压力）,流速水头,V,2,/(2g),：水体的动能（对渗流多处于层流,0,）,渗流的总水头：,渗流问题的水头,也称,测管水头,，是渗流的总驱动能，,渗流总是从水头高处流向水头低处,3.2,土的渗透性,A,B,L,h,A,h,B,z,A,z,B,h,基准面,水力坡降线,10,A,点总水头：,水力梯度,A,B,L,h,A,h,B,z,A,z,B,h,基准面,水力坡降线,B,点总水头：,二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失,水力梯度,i,：单位渗流长度上的水头损失,3.2,土的渗透性,11,渗流速度随水力梯度变化,土中的渗流基本处于层流状态，即：,3.2,土的渗透性,12,3.2,土的渗透性,L,A,h,1,h,2,Q,Q,透水石,h,二、渗透试验与达西定律,试验前提：,层流,或,1.,渗透试验,试验结果,:,试验装置：,如图,试验条件,:,h,1,，,A,，,L=const,量测变量,:,h,2,，,V,，,t,达西定律,13,2.,达西定律,渗透定律,:,在层流状态的渗流中，渗透速度,v,与水力坡降,i,的一次方成正比，并与土的性质有关。,注意：,V,：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度,V,r,：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度,A A,r,q,VA,V,r,A,r,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,i,1,时的渗流速度,单位：,mm/s, cm/s, m/s, m/day,3.2,土的渗透性,14,3.2,土的渗透性,粗粒土：,在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用,适用条件,i,v,o,v,cr,i,v,i,b,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：,致密的粘土存在起始水力坡降,ii,b, v=k(i - i,b,),砾土,密实粘土,15,三、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,变水头试验法,井孔抽水试验,井孔注水试验,1.,测定方法,野外试验测定方法,3.2,土的渗透性,16,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,:,渗水量,Q,，,t,i=h/L,q=Q/t=Av,v=ki,适用土类：,透水性较大的砂性土,3.2,土的渗透性,h,L,土样,A,Q,17,试验条件,:,h,变化,A,，,a,，,L=const,量测变量,:,h,，,t,适用土类：透水性较小 的粘性土,土样,A,t=t,1,h,1,t=t,2,h,2,L,Q,水头,测管,开关,a,3.2,土的渗透性,室内试验方法,2,变水头试验法,18,土样,A,t=t,1,t=t,2,h,1,h,2,L,Q,水头,测管,开关,在,t,t+dt,时段内：,入流量,：,dVe= - adh,出流量：,dVo=kiAdt=k (,h/L)Adt,连续性条件：,dVe=dVo,-adh =k (,h/L)Adt,h,dh,t,t+dt,室内试验方法,-,变水头试验法,选择几组量测结果 ，计算相应的,k,，取平均值,3.2,土的渗透性,19,常水头试验,变水头试验,条件,已知,测定,算定,取值,h=const,h,变化,h,，,A,，,L,Q,，,t,重复试验后，取均值,a,，,A,，,L,h,，,t,室内试验方法小结,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,3.2,土的渗透性,20,现场测定法,3,抽水试验,抽水量,Q,r,1,r,2,h,1,h,2,井,不透水层,试验条件,:,Q,=const,量测变量,:,r=r,1,，,h,1,=,？,r=r,2,，,h,2,=,？,优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数,缺点：费用较高，耗时较长,观察井,3.2,土的渗透性,地下水位测压管水面,21,3.2,土的渗透性,r,抽水量,Q=qt,r,1,r,2,h,1,h,2,井,不透水层,dh,dr,h,地下水位测压管水面,计算公式：,取过水断面,A=2,rh,i=dh/dr,22,土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，,K,值愈大。,因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，随细粒含量增加，,K,值急剧下降。,土的性质,水的性质,土的粒度成分,孔隙比,土的饱和度,结构和构造,2.,影响因素,3.2,土的渗透性,23,是单位土体中孔隙体积的直接度量,土愈密实，孔隙比愈小，,K,值愈小。,土的性质,水的性质,土的粒度成分,孔隙比（密实度）,土的饱和度,结构和构造,3.2,土的渗透性,24,一般情况下饱和度愈低，,K,值愈小。,因为低饱和土的孔隙中存在较多气泡会减小过水面积，甚至赌塞细小孔道。,土的性质,水的性质,土的粒度成分,孔隙比,土的饱和度,结构和构造,3.2,土的渗透性,25,扰动土样比原状土样,K,值小,粘性土层中有很薄的砂土夹层，常使得,k,水平,k,垂直,土的性质,水的性质,土的粒度成分,孔隙比,土的饱和度,结构和构造,3.2,土的渗透性,26,水的动力粘滞系数：,温度,，水粘滞性，,k,土的性质,水的温度,粒径大小及级配,孔隙比,土的饱和度,结构和构造,3.2,土的渗透性,（,JTJ051-93,）采用标准温度,20,0,下的渗透系数：,27,1.,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愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。,2.,土的密实度,3.,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，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。,4.,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。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。,影响渗透系数的因数,28,四、层状地基的等效渗透系数,等效渗透系数,确立各层的,k,i,根据渗流方向确定等效渗透系数,天然土层多呈层状,3.2,土的渗透性,多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变,29,h,H,1,H,2,H,3,H,k,1,k,2,k,3,x,z,q,1x,q,3x,q,2x,1,1,2,2,不透水层,等效渗透系数,:,已知条件,:,q,x,=v,x,H=k,x,i H,q,ix,=,k,i,i,i,H,i,达西定律,:,等效条件,:,水平渗流,3.2,土的渗透性,k,x,L,30,H,1,H,2,H,3,H,h,k,1,k,2,k,3,x,z,v,承压水,k,z,v,i,= k,i,(,h,i,/,H,i,),已知条件,:,达西定律,:,等效条件,:,v = k,z,(,h,/,H,),等效渗透系数,:,3.2,土的渗透性,竖直渗流,31,3.2,土的渗透性,H,1,H,2,H,3,H,h,k,1,k,2,k,3,x,z,v,承压水,垂直渗流,已知条件,:,32,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,H,1,H,2,H,3,H,k,1,k,2,k,3,x,z,3.2,土的渗透性,33,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,层状地基的等效渗透系数,34,小 结,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,总水头,=,位置水头,+,压力水头,水头是渗流的驱动力,达西定律,渗透系数、渗透速度,达西定律的适用条件,常水头试验,变水头试验,抽水试验,渗透系数影响因素,水平等效渗透系数,垂直等效渗透系数,3.2,土的渗透性,35,平面问题：,渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方向不发生变化，则在垂直该方向的各个平面内，渗流状况完全一致。对平面问题，常取,dy=1m,单位宽度的一片来进行分析,h=h(x,z), v=v(x,z),与时间无关,稳定渗流：,渗流场中水头及流速不随时间发生变化的渗流,h,3.3,二维渗流及流网,一、二维渗流的基本方程及求解,36,二维渗流的连续性方程,单位时间流入微单元的水量,:,二维渗流的连续性方程：,单位时间内流出微单元的水量,:,连续性条件,:,dx,dz,v,x,v,z,x,z,3.3,二维渗流及流网,37,二维渗流的运动方程,达西定律：,渗流的连续性方程：,渗流的运动方程：,特例：各向同性均质土体,k,x,=k,z,Laplace,方程，,描述渗流场内水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程,3.3,二维渗流及流网,38,与,k,x, k,z,无关,满足它的是两个共轭调合函数,势函数和流函数,特点,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,3.3,二维渗流及流网,-Laplace,方程,39,数学解析法或近似解析法：,求取渗流运动方程在特定边界条件下的理论解，或者在一些假定条件下，求其近似解,数值解法：,有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到迅速地发展,电比拟试验法：,利用电场来模拟渗流场，简便、直观，可以用于二维问题和三维问题,流网法：,简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题,渗流分析的方法,3.3,二维渗流及流网,40,3.3,二维渗流及流网,二、流网的特征及绘制,流网,渗流场中的两族相互正交曲线,流线和等势线所形成的网络状曲线簇。,流线,水质点运动的轨迹线,。,等势线,测管水头相同的点之连线 。,流网法,通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。,41,1.,流网特征,（,1,） 正交性：流线与等势线互相正交,H,h,0,l,b,l,b,（,2,） 各个网格的长宽比,c,应为常数。取,c=1,，即为曲边正方形,（,3,） 相邻等势线之间的水头损失相等,3.3,二维渗流及流网,（,4,） 各个流槽的渗流量相等,42,1,）确定边界条件：边界流线和首尾等势线,2,）研究水流的方向：流线的走向,3,）判断网格的疏密大致分布,4,）初步绘制流网的雏形：正交性、曲边正方形,5,）反复修改和检查,H=H,1,-H,2,0,H,1,H,2,不透水层,要点：边界条件、正交性、曲边正方形、多练习,l,b,a,b,c,d,e,f,g,h,3.3,二维渗流及流网,2.,绘制方法,43,相邻等势线之间的水头损失为：,总水头差：,H,3.,渗流量计算,每个流槽的渗流量：,3.3,二维渗流及流网,A,B,C,D,l,b,H,H,0,0,l,b,若,b/l=1,则总渗流量（,m,3,/,天）为：,44,小 结,平面渗流的基本方程及求解,流网的绘制及应用,连续性方程,运动方程,边界条件,求解方法,势函数,流函数,流网及特性,流网的画法,流网的应用,3.3,二维渗流及流网,45,h=0,静水中，土骨架会受到浮力作用。,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架产生一个摩擦、拖曳力。,h,1,h,h,2,0,0,h,w,L,土样,滤网,贮水器,a,b,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,3.4,渗透破坏与控制,一、渗透力,（动水力）,试验观察,46,渗透力,-,试验观察,h,1,h,h,2,0,0,h,w,L,土样,滤网,贮水器,a,b,土粒,渗 流,渗透力,j,：体积力,渗透力,j,：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力,3.4,渗透破坏与控制,47,G,w,= v,v,w,+,v,s,w,V,w,= LA,w,w,P,1,=,w,h,w,A,w,P,2,=,w,h,1,A,w,P,1,+ G,w,+,T,= P,2,J=,T,=,w,h/L=,w,i,水柱整体受力分析,-,渗流,h,1,h,h,2,0,0,h,w,L,土样,滤网,贮水器,a,b,3.4,渗透破坏与控制,G,w,T,w,h,w,A,w,+,LA,w,w,+,TL,A,w,=,w,h,1,A,w,T,=,TL,A,w,渗透力的大小和水力梯度成正比，方向与渗透方向一致。,48,向上渗流存在时，滤网支持力减少。,当滤网支持力为零时的水力坡降称为,临界水力坡降,i,cr,，它是土体开始发生,流土,破坏时的水力坡降：,渗透力,-,受力分析,渗透力,-,受力分析,w,i,临界水力坡降,i,cr,=,h/L =,/,w,由于,i,cr,取决于土的物理性质,3.4,渗透破坏与控制,h,1,h,h,2,0,0,h,w,L,土样,滤网,贮水器,a,b,49,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，它是一种体积力,大小：,J =,w,i,方向：,与水力坡降方向一致,作用对象：,土骨架,3.4,渗透破坏与控制,50,土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型,基本类型：,管涌,流土,接触流土,接触冲刷,渗透变形,单一土层渗透变形的两种基本型式,3.4,渗透破坏与控制,51,渗透变形,-,流土,流土：,在,向上,的渗透力作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏,粘性土,k,1,k,2,砂性土,k,2,坝体,渗流,原因：,与土的密实度有关,3.4,渗透破坏与控制,52,坝体,渗透变形,管涌,原因,内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙,外因：渗透力足够大,管涌,：,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,渗流,1.,在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失,2.,孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走,3.,形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷,3.4,渗透破坏与控制,53,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,只发生在水流渗出的表层,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,3.4,渗透破坏与控制,54,F,s,:,安全系数,1.52.0, i :,允许坡降,i i,cr,:,土体发生流土破坏,工程设计：,流土可能性的判别,在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：,3.4,渗透破坏与控制,55,土是否会发生管涌，取决于土的性质：,粘性土（分散性土例外）属于非管涌土,无粘性土中发生管涌必须具备相应的,几何条件,和,水力条件,管涌可能性的判别,3.4,渗透破坏与控制,56,较均匀土,（,Cu,10,）,几何条件,水力条件,无粘性土管涌的判别,级配,孔隙及细粒,判定,非管涌土,粗颗粒形成的,孔隙小于细颗粒,不均,匀土,（,Cu10,）,不连续,连续,d,0,=0.25d,20,细粒含量,35%,细粒含量,25%,细粒含量,=25-35%,d,0,d,5,d,0,= d,3,-d,5,管涌土,过渡型土,非管涌土,非管涌土,管涌土,过渡型土,P(%),lgd,骨架,充填料,发生管涌的,必要条件,：粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径,3.4,渗透破坏与控制,57,几何条件,水力条件,无粘性土管涌的判别,渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。可用管涌临界水力坡降表示,0 5 10 15 20 25 30 35,1.5,1.0,0.5,0,i,cr,C,u,流土,过渡,管涌,水力坡降,级配连续土,级配不连续土,破坏坡降,i,cr,0.20-0.40,0.1-0.3,允许坡降,i,0.15-0.25,0.1-0.2,伊斯托敏娜（苏）,中国学者,C,u, 20,时,i,cr,=0.25-0.30,，,考虑安全系数后：,i=0.10-0.15,3.4,渗透破坏与控制,58,透水层,不透水层,防渗体,坝体,浸润线,渗透变形的防治措施,减小,i,：上游延长渗径,减小水压差,增大,i,：,下游增加透水 盖重,改善几何条件：渗流溢出部位设反滤层等,改善水力条件：减小水力梯度,防治流土,防治管涌,3.4,渗透破坏与控制,59,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,流网的绘制及应用,渗透力：概念与计算,渗透变形：类型、条件、防治,3.4,渗透破坏与控制,60,土坝，高,90m,，长,1000m,，,1975,年建成，,次年,6,月失事,渗透破坏：冲蚀 水力劈裂,Teton,坝,失事现场现状,原因,土石坝坝基坝身渗流破坏实例,61,广州京广广场基坑塌方,基坑渗流破坏,62,西藏易贡巨型滑坡,时间：,2000,年,4,月,9,日约,20,时,规模：滑坡体自相对高差近,3330m,的雪峰阳坡滑下，历时约,10,分钟，滑程,8km,。堆积体长、宽各约,2500m,，平均厚,60m,，最厚,100m,，体积约,2.8,亿,-3.0,亿,m,3,。,地质：滑坡堆积体,80%,以上是砂性土,险情：堵塞易贡藏布江成堰塞湖，湖水面积,22km,2,，湖长,17km,，水位以每天,0.5-0.6m,的速度上涨，湖水无下泄通道，预计,6,月底湖水将上涨至堆积体顶，拦存湖水将达,40,亿,-60,亿,m,3,降雨入渗引起的滑坡,63,西藏易贡巨型高速滑坡,降雨入渗引起的滑坡,64,西藏易贡巨型高速滑坡,降雨入渗引起的滑坡,65,湖水每天上涨,50cm,！,易贡巨型滑坡现场,降雨入渗引起的滑坡,66,预案一：加强监测，上、下游移民工作，库满自溢漫顶溃口,预案二：在堆积体最低处开渠引流，水库溢流漫顶溃口。,预案三：在右岸山体垭口开溢洪道，改造堆积体成坝，,堰塞湖成库,易贡滑坡处理预案,最终采用预案二,降雨入渗引起的滑坡,67,武警部队等,700,多名抢险人员，奋战,33,天，累计开挖土石方,135.5,万,m,3,，有效降低了堆积体过水高程,24.1m,，减少拦存湖水约,20,亿,m,3,施工队伍,6,月,4,日撤离；,6,月,8,日,6,时,40,分，泄水渠过水，至,11,日,2,时,50,分堆积体溃决；,11,日,21,时，滑坡体拦存的湖水按预定方案完全下泄,泄洪时易贡湖库容量已达,30,多亿立方米,易贡滑坡处理结果,降雨入渗引起的滑坡,68,例题,1,如土所示，在长为,10cm,、面积,8cm,2,的圆筒内装满砂土。经测定粉砂的,d,s,=2.65,，,e=0.90,筒下端与管相连，管内水位高出筒,5cm,（固定不变），水流自下而下通过试样后溢流出去。试求,（,1,）渗流力的大小，判别是否会产生流砂现象；（,2,）临界水力梯度值。,土样,10cm,5cm,解,（,1,）,因为,J,，所以不会发生流砂。,(2),69,例题,2,某土石坝坝基表层土的平均渗透系数为,K,1,=10,-5,cm/s,，其下的土层渗透系数为,K,2,=10,-3,cm/s,，坝下游各段的孔隙率如表所列，设计抗渗透变形的安全系数采用,1.75,，请指出下列（）选项项段为实测水力坡降（水力梯度）大于容许渗透比降的土层分段。,地基土层,分段,表层土相对密度,ds,表层土的,孔隙率,n,实测水力,坡降,i,容许渗透,比降,2.7,0.524,0.42,2.7,0.535,0.43,2.72,0.524,0.41,2.7,0.545,0.48,(2005,年岩土工程师专业考试试题,),(A) ,段； （,B,）,； （,C,）,； （,D,）,70,解：计算,段的临界水力坡降：,容许水力坡降：,计算,段的临界水力坡降：,容许水力坡降：,答案：,（,D,）正确,、,段计算同上。,71,