土的渗透性与渗透问题分析

,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,第二章,土的渗透性与渗透问题,2.1达西定律,2.2渗透系数及其确定方法,2.3渗透力与渗透变形,2.4渗流工程问题与处理措施,主要内容,土的渗透问题概述,浸润线,流线,等势线,下游,上游,土坝蓄水后水透过坝身流向下游,H,隧道开挖时，地下水向隧道内流动,在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为,渗透,2.1 达西定律,一、,达西定律,1856,年法国学者,Darcy,对,砂土,的渗透性进行研究,结论：,水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比,渗透试验,播放,v=ki,达西定律,水力梯度，即沿渗流方向单,位距离的水头损失,二、达西定律适用范围与起始水力坡降,讨论：,砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系,密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系,i,b,起始水力坡降,虚直线简化,达西定律适用于层流，不适用于紊流,v=ki,i,v,O,砂土,0,i,v,密实粘土,达西定律,2.2 渗透系数及其确定方法,一、渗透试验（室内）,时间,t,内流出的水量,1.,常水头试验,整个试验过程中水头保持不变,适用于透水性大（,k,10,-3,cm/s,）,的土，例如砂土。,2.,变水头试验,整个试验过程水头随时间变化,截面面积,a,任一时刻,t,的水头差为,h,，,经时段,dt,后，细玻璃管中水位降落,dh,，,在时段,dt,内流经试样的水量,dV,=,adh,在时段,dt,内流经试样的水量,dV,=,kiAdt,=,kAh/Ldt,管内减少水量流经试样水量,adh,=,kAh/Ldt,分离变量 积分,适用于透水性差，渗透系数小的粘性土,二、影响渗透系数的因数,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。,T,、,20,分别为,T,和,20,时水的动力粘滞系数，可查表,三、成层土的渗透系数,1.,水平渗透系数,H,1,H,2,H,3,k,1,k,2,k,3,H,q,1x,q,2x,q,3x,q,x,通过整个土层的总渗流量,q,x,应为各土层渗流量之总和,达西定律,整个土层与层面平行的等效渗透系数,平均渗透系数,2.,垂直渗透系数,H,1,H,2,H,3,k,1,k,2,k,3,H,根据水流连续定理，通过,整个土层,的渗流量等于通过,各土层,的渗流量,垂直渗透系数,q,3y,q,2y,q,1y,q,y,各土层的相应的水力坡降为,i,1,、,i,2,、,i,n,，,总的水力坡降为,i,总水头损失等于各层水头损失之和,代入,整个土层与层面垂直的等效渗透系数,四、例题分析,【例】,设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为,30,cm,2,，,厚度为,4,cm,，,渗透仪细玻璃管的内径为,0.4,cm,，,试验开始时的水位差为,160,cm,，,经时段,15,分钟后，观察得水位差为,52,cm,，,试验时的水温为,30,，试求试样的渗透系数,【,解答】,已知试样截面积,A,=,30cm,，,渗径长度,L,=,4cm,，,细玻璃管的内截面积,h,1,=,160cm,，,h,2,=,52cm,，,t,=,900s,试样在,30,时的渗透系数,2.3 渗透力与渗透变形,一、渗透力和临界水力坡降,1.,渗透力,渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力,h,2,h,1,h,2,1,L,沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差,h,水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为,h,土粒对水流的阻力应为,土样面积,根据牛顿第三定律，试样的总渗流力,J,和土粒对水流的阻力,F,大小相等，方向相反,渗流作用于单位土体的力,说明：,渗透力,j,是渗流对,单位土体,的作用力，是一种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为,kN/m,3,渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响,a,b,c,渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定,渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利,渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出,2.,临界水力坡降,使土体开始发生渗透变形的水力坡降,G,J,当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降,或,在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数,F,s,(,23),，作为允许水力坡降,i,。,设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降,i,内,二、渗透变形,渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形,渗透变形问题（流土，管涌）,1.,流土,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,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、淤泥等较易发生流土破坏,2.,管涌,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,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,3.,流土与管涌的判别,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,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,C,u,10,的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏,对,C,u,10,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,30%,）时，由于阻力较小，只要较小的水力坡降，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（此时细料含量约为,30%,35%,），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象,三、例题分析,【例】,某土坝地基土的比重,G,s,=,2.68,，,孔隙比,e,=,0.82,，,下游渗流出口处经计算水力坡降,i,为,0.2,，若取安全系数,F,s,为,2.5,，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏,【,解答】,临界水力坡降,由于实际水力坡降,i,i,，,故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏,允许水力坡降,2.4 渗流工程问题与处理措施,一、渗流工程问题,1.,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，并对建筑物基础产生浮托力,2.,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。,通常产生于粉细砂、粉土地层中,3.,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、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现,4.,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,基坑突涌,二、防渗处理措施,1.,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“,上堵下疏,”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，防止渗透变形,垂直截渗,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,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,粘土铺盖,设置反滤层,砂垫层,水位,加筋土工布,回填中粗砂,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,粘性土,含水层,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，设置减压井或深挖排水槽,2.,基坑开挖防渗措施,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,在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出,原地下水位,明沟排水,原水位面,一级抽水后水位,二级抽水后水位,多级井点降水,要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位,设置板桩,沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降,钢板桩,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,