天津大学 土力学 第二章_土中水的运动规律.ppt

一、基本概念

地下水(groundwater):出现在已经充分饱和 了的土层和地质层组中的地下水位以下的水体 （R.A.Freeze,J.A.Cherry,1979）

或：地面下的岩土体中水位以下存在的水

渗流（Seepage）：水在土体中的流动称为渗 流。


稳定渗流：渗流过程中土体内各点的 水头不随时间 变化 不稳定渗流：又称瞬变流，渗流过程中水头和流量 边界条件随时间变化，造成渗流状态是时间的函数
图4.14 裂隙宽度与临界水力坡度关系图
1号土试样 6号土试样 7号土试样
30
40
土试样突水、涌（突）砂时临界水力坡度数据
土试样编号 1# 粘 土 变形破坏形式、 破坏水头高度、坡度 渗透变形 破坏形式 突水 突涌砂 突水 突涌砂 突水 突涌砂 突水 突涌砂 突水 突涌砂 突水 突涌砂 突水 突涌砂 2# 粉 土 3# 粗 砂 4# 砾 砂 5# 粘土+粉 土 6# 粘土+ 粗 砂 7# 粘土+砾 砂
四、渗流方程

以二维稳定流为例推导 单位时间内流入和流出单元体的流量
X
z
四、渗流方程
h h 2 0 2 x z
2 2
求解方法 解析法
数值法
图解法（流网） 水电比拟法
五、渗透变形与破坏

渗透力（动水力）的计算 流砂、管涌和临界水力坡度（水力梯度） 近松散层开采水砂突涌问题

总渗透力 （Seepage force）
w h1 A= w h2A +J J= w h1 A- w h2 A = w （h1 - h2 ） A = w h A 单位体积的渗透力 j=J/AL = w h A/AL =w I
j= w i
j——渗透力，KN/m3； i——水力坡度； w ——水的重度，KN/m3
第二章 土中水的运动规律


第一节 水在饱和土中的流动 第二节 流网及其应用 第三节 水在非饱和土中的流动
本章参考书目 1.教材，P39-55 2.张在明，地下水与建筑基础工程，中国建筑工业出版 社，2001,22-70

第一节 水在饱和土中的流动

一、基本概念 二、基本定律 三、土的渗透系数 四、渗流方程 五、渗透变形与破坏
第三节 水在非饱和土中的流动
二、基本定律

伯努利方程 层流渗流定律－达西定律

土体中渗流的伯努利（Bernoulli）方程

假定：水是一种非粘性、不可压缩的流体
h
A
hA
B
A
B
hB
zA
基准线
S
zB


层流渗流定律－达西定律
在完全饱和的砂土中，水在压力差作用下呈层 流运动（或渗流）时，服从线性渗透定律—— 达西定律
溃砂现象，从而严重地威胁着安全生产，这已经被全国厚松散层及其它含 水层下采煤的大量实践所证明。
定义：我们把水下开采覆岩裂隙带贯通到上部松散含水层、 但是不至于发生溃砂的水头高度定义为安全水头高度。 显然，初始水头高度越小，破坏带导通时渗透水力坡度就越 小，只要把渗透区的水力坡度控制在临界水力坡度以下，就 能有效地避免溃砂现象的发生。实际设计时，采用允许水力 坡度，可靠度便会进一步提高。
允许水力坡度 临界水力坡度除以安全系数m [I]=Icr/K K安全系数，一般取2.0-2.5


管涌： 是单个土颗粒在渗透作用下独立移动的现象。 管涌一般发生在不均粒系数较大的砂砾层中， 它既可以发生在地下水逸出段，又可能发生于 土体内部粗粒骨架的孔隙中。 当坝基土体的粗粒孔隙中携走的细颗粒含量较 少时，并不影响坝体的稳定。而当坝基的细粒 物质被渗流从粗粒孔隙中携走后，形成管道状 孔洞，土体的结构和强度遭到破坏，造成地面 塌陷时，即会危及坝体安全。这种管涌称之为 发展型管涌，它是我们主要研究的对象。
日本新泻1964年地震时砂土液化影响。这 些设计为抗震的建筑物倾斜而未受损坏。
加州沃森维尔附近的野外涌沙
唐山地造成 的喷水冒砂 区分布图震
总渗透力 （Seepage force）

h h1



h2
A L A
w h1 A= w h2A +J J= w h1 A- w h2 A = w （h1 - h2 ） A = w h A
覆岩裂隙带水砂突涌分析
在采动影响下，高水头的含水砂层容易出现溃水 溃砂现象，从而严重地威胁着安全生产，这已经被 全国厚松散层及其它含水层下采煤的大量实践所证 明，因此，疏降含水层的水头成为许多矿井采取的 关键技术措施，根据舒兰矿区的经验，在第三系半 胶结、未胶结砂岩含水层下开采时，一般当水头降 低到30m以下，就可以避免溃砂现象的发生。
V


H vK Ki L
v——渗流速度； K——比例系数，称为渗透系数， cm/s或m/d； i——水力坡度，为水头损失H与 渗透路径长度L之比

I
v
v K (i i0 )
io—起始水力坡度
i0
i
三、土的渗透系数测定

室内渗透试验 野外抽水试验 不均匀土的渗透系数
常水头 变水头 剖面图
水下开采溃砂的工程地质机理
从工程地质角度来看，水砂突涌的机理是由于采动裂隙 贯穿覆岩达到松散砂层，造成含水砂层中地下水的流动状 态迅速改变，向采空区迅速流动，水力坡度急剧增大，对 砂层产生大的动水压力和渗透力，当水力坡度达到砂土液 化的临界水力坡度，砂层便失去抗剪强度，在较大范围内 形成液化状态，沿裂隙或其它通道溃入工作面。
一、基本概念

工程中不稳定渗流问题



饱和渗流/非饱和渗流 土的固结作用造成的渗流 湿度移动 入渗分析 污染迁移分析
粘性土的中渗流轨迹
理想化的渗透模型
真实渗流与渗流模型 真实流速和模型平均流速
q v A q v0 nA
v-渗流模型的平均流速 q-渗流流量 A-过水断面面积 n－孔隙度
破坏水头高度（m）
53.73
--------
---------
-------1
-------1
8.82
14.19
临界水力坡度
179.1
1
1
29.4
47.3
渗透桶内土试样高度为：300mm，裂隙宽度: 30.2mm
试验重度：A 类 水力坡度：≥1
第二节 流网及其应用

一、基本概念 二、流网的性质 三、绘制流网的要领 四、流网的简单应用
可见，依据太平煤矿的具体水文地质与工程地质条件，第四系底部含水层 组中的砂层和粘土层，在取一定的安全系数的条件下，允许的水头高度为 32m至38m，即当初始水位降到此数值之下后，采动裂缝波及到该土层时， 将不会发生溃砂现象。
突(涌)砂渗透变形破坏涌出物含砂量--时间关系图
60
50
40
Q 含砂量 (%)
临界水力坡度可以由以下公式计算 Icr=（Gs-1）（1-n）=（Gs-1）/（1+e） 式中 Icr—临界水力坡度；
Gs、n、e—土的比重、孔隙度、孔隙比。
140
120
100
影 响半 径(m)
80
60
40
20
0 0 10 20 30 时间(min) 40 50 60 70

影响半径随时间的变化
渗透变形与破坏：在采动影响下，高水头的含水砂层容易出现溃水

近松散层开采水砂突涌问题
顶分层采后，采底分层放顶煤4.4m，累计采厚8.8m时，垮落带高度达到24.0m，在接 近顶分层停采线时形成贯穿性剪切破坏，底部粘土层被拉开和错断，无法起到防 水作用，见图5-22至图5-24。因此在基岩厚度34m左右采用此方案开采，要保证开 采安全，必须降低初始水头，以防溃砂事故发生

渗透力为体积力
动水压力的危害
向上的渗透力 j=Wh 土体向下的压力
h h1 h2
’h2
j=Wh= ’h2时，颗 粒间的有效应力减 少为0，即发生所 谓流砂或管涌现象。 ’==’/w =（Gs-1）（1-n） =（Gs-1）/（1+e）
30
20
10
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 t 时间 (分)
试验序号:No.103 3号粗砂试样 试验序号：No.1502 2号粉土试样
试验序号:No.104 4号砾砂试样
6000 5000
临界抗渗坡度
4000 3000 2000 1000 0 0 10 20 裂隙宽度(mm)