3 土力学(permeability)土的渗透性及渗流

各类土的渗透系数
k反映了土渗透性的强弱
砾砂、粗砂 中砂 细砂、粉砂 粉土 粉质黏土 黏土
10-3~10-4 m/s
10-4~10-5 m/s
10-5~10-6 m/s
10-6~10-8 m/s
10-8~10-9 m/s
10-9~10-12 m/s
砂、砾的透水性强，可以起到排水作用； 粘性土的透水性弱，可以起到截水的作用。 砾砂、粗砂、中砂属强透水材料，粉、细砂属中透水性材料， 粉土属弱透水材料，粉质粘土属于基本不透水材料， 粘土属于不透水材料。
不透水层
成层地基竖向等效渗透系数
Equivalent permeability determination- ertical flow in stratified soil
kV eq H H1 H 2 H 3 Hn kV kV kV kV 1 2 3 n
土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖
土石坝
浸润线
渗流量
透水层
不透水层
渗透变形
板桩围护下的基坑渗流
板桩墙
渗水压力
渗流量
基坑
透水层 不透水层
渗透变形
扬压力
水井渗流
Q
天然水面
透水层
渗流量
不透水层
渠道渗流
渗流量
渗流时地下水位
原地下水位
土的渗透性及渗透规律
渗流量
渗透力与渗透变形
渗透变形 渗流滑坡
挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 多雨地区边坡
依据(b) 达西定律 v = ki Kozen-Carman公式表达式
P 1 e3 3 k Cs ( ) S S 2 1 e 0
k=渗透系数; S0 = 单位体积颗粒的比表面积 S = 饱和度；Cs = 形状系数； = 粘滞系数
§3.2 土的渗透性和渗流
静水 A zB
0 基准面
zA
0
水流动的驱动力
水往低处流
位置：使水流从位置势能 高处流向位置势能低处
速度v
流速：水具有的动能
水往高处“跑”
压力u
压力：水所具有的压力势能
也可使水流发生流动
位置势能： 压力势能：
u w
mgz
mg u w
动能：
1 mv 2 2
总能量：
质量 m 压力 u 流速 v 0 基准面
Figure 3-9 Pumping test from a well penetrating the full depth in a confined aquifer
4 影响因素
粒度成分 孔隙比、密实度 饱和度 土的结构 土的构造 孔隙水粘滞性

5 固有渗透系数 (Intrinsic permeability) K
积 分
Q ln
k
地下水位≈测压管水面 不透水层
r2 2 k (h 2 h 2 1) r1
Q ln( r2 / r1 ) 2 h2 h 2 1
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
§3 土的渗透性和渗流问题
r1 qlog10 r 2 k 2.727H h1 h2
伯努力Bernowlli方程
1 渗流问题的水头
总水头：单位重量水体所具有的能量
v2 h z w 2g u
位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）
压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力）
流速水头v2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）
渗流的总水头： h z
由于渗透造成的构筑物破坏
基坑降水 示意图
井点降水 示意图
固体废弃物填埋场对地下水的污染示意图
堆石坝
堤坝中防止渗流破坏采取的工程措施
渗透性与工程紧密相关的有：
1. 渗流量问题：基坑开挖或施工 (P61 图31(a))。 2. 渗透破坏问题：堆石坝下游趾部管涌及上游填 土流土。 3. 渗流控制问题：基坑、大坝。 4. 水体污染问题：废弃物填埋场。
v ki m
( m 1)
对致密的粘性土，存在起始水力 坡降i0 ？？ i>ib, v=k(i - ib) 砾土：水头梯度较大时，不适合 达西定律，p64
3. 渗透系数的测定方法
• 常水头试验法
室内试验方法 • 变水头试验法
野外试验方法
• 井孔抽水试验
• 井孔注水试验
经验估算法
室内试验法确定渗透系数 （常水头法）
3.1
动，这一现象称为渗流
概述
1.渗流：水在重力作用下，透过土体发生运
2.土的渗透性：土体被水透过的性质 3.岩土工程实践中的渗流问题
见下页
水在地圈中的循环示意图
Teton坝
11：50左右 洞口扩大加速，泥 水对坝基的冲蚀更 加剧烈。
5
大坝下游趾部 流土
大坝上游入渗处 管涌造成空洞
大坝上游入渗处 管涌
2.0 1.5
水 力 梯 度
1.0 0.5 达西定律 适用范围
0
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
流速 (m/h)
v d 10 Re h
Re＜5时层流 Re ＞200时紊流 200＞ Re ＞5时为过渡区
两种特例
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，此时：
土坡稳定分析
3.2 土的渗流性
一 位置、压力和测管水头
位置水头：到基准面的竖直距 离，代表单位重量的液体从基 准面算起所具有的位置势能
uB w
u 0 p a
B
uA w
压力水头：水压力所能引起的 自由水面的升高，表示单位重 量液体所具有的压力势能 测管水头：测管水面到基准面 的垂直距离，等于位置水头和 压力水头之和，表示单位重量 液体的总势能 在静止液体中各点的测管水头 相等
单位时间流入单元的水量:
dq e v x dz v z dx
z
单位时间内流出单元的水量:
dq o ( v x v x dx )dz x v ( v z z dz )dx z
vx
dz
v z v z dz z v x v x dx x
层状地基的等效渗透系数 水平渗流
条件:
h im i L
1 q1x q2x q3x 1 L Fig 3-13 (a) z
2 k1 k2 k3 2
Δh
x H1
q x q mx
H Hm
等效渗透系数:
H2
H3
H
qx=vxH=kxiH Σqmx=ΣkmimHm
1 k x k m Hm H
一 平面稳定渗流
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 稳定渗流：流场不随时间发生变化的渗流 h=h(x,z), v=v(x,z) 与时间无关 Δh
渗流的连续性方程
h i L
h LA A B L
A点的总水头 hA=ZA+LA B点的总水头
LB
DL
hB=ZB+LB
两点总水头差 不透水层
hA-hB=(ZA-ZB)+(LA-LB)
=DL+ LA-LB=L-LB=h
三 渗透试验与渗透系数
1856 年达西(Darcy)在研究城 市供水问题时进行的渗流试验
h Q A L
或： Q
A
kAi
其中，A是试样的断面积
Q v k i A
1 达西定律
达西定律：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
v 渗透系数k: 反映土的透水性能的比例系数，其物理意义为 水力梯度(坡降)i＝1时的渗流速度，单位： m/s (SI 单位)
第三章 土的渗透性及渗透稳定
§ 3.1 概述
§ 3.2 土的渗透性
§ 3.3 土中二维渗流及流网简介
§ 3.4 渗透破坏与控制
重要术语中英文对照
■ 渗透系数: Permeability, hydraulic conductivity (k) ■ 水力梯度: hydraulic gradient (i) ■ 达西定律：Darcy’s Law ■ 平均流速：Real average velocity, Darcy velocity (v, va) （假想平均流速） ■ 实际平均流速：seepage velocity (vr, vs) （孔隙水平均流速) ■ 渗透力： seepage force ■ 临界水力梯度：critical hydraulic gradient (icr)
各种类性土的e-logk关系图 （Lamb & Whittman 1969)
2 达西定律的适用范围
适用条件：层流（线性流动）
岩土工程中的绝大多数渗 流问题，包括砂土或一般 粘土，均属层流范围 在粗粒土孔隙中，水流形 态可能会随流速增大呈紊 流状态，渗流不再服从达 西定律。可用雷诺数进行 判断 ：
E mgz mg
u 1 mv 2 w 2
z
0
单位重量水流的能量：
u v2 h z γ w 2g
称为总水头，是水流动 的驱动力
二 渗流中的水头与水力梯度
板桩墙
A
基坑
B L
透水层 不透水层
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