第三章土的渗透性和渗流问题

土坡稳定分析
§3土的渗透性和渗流问题
§3.2 土的渗透性与渗透规律
一．渗流中的水头与水力坡降 三．渗透试验与达西定律 三．渗透系数的测定及影响因素 四．层状地基的等效渗透系数
能量方程 渗流速度的规律 渗透特性 地基的渗透系数
§3.2 土的渗流性与渗透规律
? 水头与水力坡降 ? 土的渗透试验与
达西定律
? 水的性质
? 是单位土体中孔隙体积的直接 度量
? 对于砂性土，常建立孔隙比e 与渗透系数k之间的关系，如：
k ? f( e2 ) e2
k ? f( ) 1? e
k ? f ( e3 ) 1? e
渗透系数的影响因素
§2.2 土的渗流性与渗透规律
? 土的性质 ? 粒径大小及级配 ? 孔隙比 ? 矿物成分 ? 结构
Q
天然水面
不透水层
透水层
§3土的渗透性和渗流问题 §3.1概述 渠道渗流
原地下水位
渗流时 地下水位
渗流量
§3土的渗透性和渗流问题 §3.1概述 渗流滑坡
§3土的渗透性和渗流问题 §3.1概述
土的渗透性及渗透规律 三维渗流及流网
渗透力与渗透变形
渗流量
渗水压力 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 边坡渗流
§3土的渗透性和渗流问题 §3.2 土的渗透性与渗透规律
一．渗流中的水头与水力坡降
总水头－单位质量水体所具有的能量
p v2 h? z? ?
?w 2g
z：位置水头 p/γw：压力水头 V2/(2g)：流速水头≈0
总水头：
h
?
z?
p
?w
A点总水头：
pA
?w
hA zA
0
A
B L
基准面
B点总水头：
水力坡降： i ? ? h
第三章 土的渗透性和渗流问题
§3.1 概述 §3.2 土的渗透性与渗透规律 §3.3 平面渗流与流网
§3.4 渗透破坏与控制
§3土的渗透性和渗流问题
§3.1概述
碎散性
多孔介质
三相体系
孔隙流体流动
能量差
水、气等在土体孔隙中流动的现象
渗流
土具有被水、气等液体透过的性质
渗透性
渗透特性 强度特性 变形特性
? 水的性质
? 是土中孔隙直径大小的主要影 响因素
? 因由粗颗粒形成的大孔隙可被 细颗粒充填，故土体孔隙的大 小一般由细颗粒所控制。因此， 土的渗透系数常用有效粒径d10 来表示，如哈臣公式：
k ? c ?d102
渗透系数的影响因素
§2.2 土的渗流性与渗透规律
? 土的性质 ? 粒径大小及级配 ? 孔隙比 ? 矿物成分 ? 结构
? 渗透系数的测定
及影响因素
? 层状地基的等效
渗透系数
渗流的驱动能量 反映渗流特点的定律 土的渗透性 地基的渗透系数
土的渗透性与渗透规律
§2.2 土的渗流性与渗透规律
水往低处流
速度v
水往高处“跑”
压力u
位置： 使水流从位置势能 高处流向位置势能低处
流速： 水具有的动能 压力： 水所具有的压力势能
也可使水流发生流动
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
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
A
Vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度
水流动的驱动力
§3.2 土的渗流性与渗透规律
质点 A 质量 m 压力 p 流速 ?
0 基准面
p
?w
z
0
? 位置势能： mgz
? 压力势能： ? 动能：
p mg ?
?w
1 mv2 2
? 总能量：
E ? mgz ? mg ? p ? 1 mv2
?w 2
? 单位重量水流的能量：
h ? z ? p ? v2
具有的压力势能
? 测管水头： 测管水面到基准面的垂
zA
直距离，等于位置水头和压力水头
0
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
位置、压力和测管水头
§3土的渗透性和渗流问题 §3.2 土的渗透性与渗透规律
一．渗流中的水头与水力坡降
板桩墙
基坑
透水层 不透水层
A B
L
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
? k x
?
1 H
kiHi
层状地基的水平等效渗透系数
§2.2 土的渗流性与渗透规律
? 已知条件: vi ? v
? ? ? h ? ? hi H ? Hi
?h x
? 达西定律:
? 等效条件:
? hi
?
viHi ki
vi = ki (Δhi / Hi ) v = kz (Δh / H )
vH ?h?
kz
层状地基的等效渗透系数
§2.2 土的渗流性与渗透规律
? 已知条件:
ii
?
i?
?h L
1
? H ? Hi
? 达西定律: qx=vxH=kx i H q1x
Σqix=Σki ii Hi
q2x
? ? 等效条件: qx ? qix
q3x
1
2 ?h x
z k1 k2
H1 H2 H
k
H3
3
2 不透水层
等效渗透系数:
②砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s
v
?
粘性土：
致密的粘土
i>i0, v=k(i - i0 )
0
i0
? ? kim
(m ? 1)
i
? ? k(i ? i0 )
i
§3土的渗透性和渗流问题 §3.2 土的渗透性与渗透规律
三. 渗透系数的测定及影响因素
1. 测定方法
常水头试验法
室内试验测定方法
z k1 k2 k3
H1 H2 H H3
? ? vH ? ? h ?
kz
hi ?
viHi ki
承压水
等效渗透系数:
H
? k z ? Hi ki
层状地基的垂直等效渗透系数
§2.2 土的渗流性与渗透规律
? 算例说明
H1 ? 1.0m, H2 ? 1.0m, H3 ? 1.0m,
k1 ? 0.01m / day k2 ? 1m / day k3 ? 100m / day
? h1 ?h
Q 土样 L A
dh
t=t2
? h2
细玻 璃管
开关
a
§3土的渗透性和渗流问题 §3.2 土的渗透性与渗透规律
三. 渗透系数的测定及影响因素
1. 测定方法
? 室内试验方法2—变水头试验法
?理论依据:
t时刻： Δh Δt dh
t=t1
流入量：dVe= - adh 流出量：
连续性条件： dVe=dVodVo=kiAdt=k (Δh/L)Adt
? 水的性质
? 水的动力粘滞系数：
温度? ，水粘滞性? ，k? ? 饱和度（含气量）：封闭气
泡对k影响很大，可减少有效 渗透面积，还可以堵塞孔隙 的通道
渗透系数的影响因素
§2.2 土的渗流性与渗透规律
天然土层多呈层状
? 确立各层土的ki ? 根据渗流方向确定等效渗流系数
等效渗透系数
多个土层用假想单一土层置换， 使得其总体的透水性不变
n ? Av A
A > Av
Av
q＝VA ＝ VsAv
v v ? vs ? n
§3土的渗透性和渗流问题 §3.2 土的渗透性与渗透规律
三. 渗透试验与达西定律 3. 达西定律
适用条件
层流（线性流）
v
——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
vcr
? cr
粗粒土：
0
①砾石类土中的渗流不符合达西定律
L
h1
?
zA ?
pA
?w
h2
?
zB
?
pB
?w
h1 ? h2 ?百度文库? h
Δh
pB
?w hB
zB 0
§3土的渗透性和渗流问题 §3.2 土的渗透性与渗透规律
三. 渗透试验与达西定律
1.渗透试验
?试验前提：层流 ?试验装置：如图
?试验条件: h1，A，L=const ?量测变量: h2，Q，t ?试验结果
非饱和土的渗透性 饱和土的渗透性
§3土的渗透性和渗流问题 §3.1概述 土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖 不透水层
土石坝
浸润线
透水层
渗流量 渗透变形
§3土的渗透性和渗流问题 §3.1概述 板桩围护下的基坑渗流
板桩墙
基坑
透水层 不透水层
渗水压力 渗流量 渗透变形
§3土的渗透性和渗流问题 §3.1概述 水井渗流
? 水的性质
? 对粘性土，影响颗粒的表面力
? 不同粘土矿物之间渗透系数相差 极大，其渗透性大小的次序为高 岭石>伊里石>蒙脱石 ；当粘土 中含有可交换的钠离子越多时， 其渗透性将越低
? 塑性指数Ip综合反映土的颗粒大 小和矿物成份，常是渗透系数的 参数
渗透系数的影响因素
§2.2 土的渗流性与渗透规律
§3土的渗透性和渗流问题 §3.2 土的渗透性与渗透规律
三. 渗透系数的测定及影响因素
1. 测定方法
? 室内试验方法
条件 已知 测定 算定 取值 适用
常水头试验
Δh=const Δh，A，L
V，t k ? VL
A? ht
重复试验后，取均值
变水头试验
Δh变化 a，A，L Δh，t k ? aL ln ? h1
§2.2 土的渗流性与渗透规律
? 土的性质 ? 粒径大小及级配 ? 孔隙比 ? 矿物成分 ? 结构
? 水的性质
干容重 ? d ? max
?1
絮状结构 分散结构
Wop
含水量 w
k 数 系 透 渗
含水量 w
渗透系数的影响因素
§2.2 土的渗流性与渗透规律
? 土的性质 ? 粒径大小及级配 ? 孔隙比 ? 矿物成分 ? 结构
-adh =k (Δh/L)Adt
dt ? ? aL dh kA ? h
? ? t
dt
?
?
aL
? h2 dh
0
kA ? h1 ? h
t ? aL ln ? h1 kA ? h2
Q
k ? aL ln ? h1
A
At ? h2
? h1
土样 L
t
tt+=tΔ2 t
? h2
水头 测管
开关
a
?结果整理:
选择几组Δh1, Δh2, t ，计算相应的k，取平均值
变水头试验法
野外试验测定方法 井孔抽水试验
井孔注水试验
§3土的渗透性和渗流问题 §3.2 土的渗透性与渗透规律
三. 渗透系数的测定及影响因素
1. 测定方法
? 室内试验方法1—常水头试验法
?试验装置：如图
?试验条件: Δh，A，L=const
?量测变量: V，t ?结果整理
?h
土样
L
Q
V=Qt=vAt v=ki i=Δh/L
? 土的性质 ? 粒径大小及级配 ? 孔隙比 ? 矿物成分 ? 结构
? 水的性质
? 影响孔隙系统的构成和方向性， 对粘性土影响更大
? 在宏观构造上，天然沉积层状 粘性土层，扁平状粘土颗粒常 呈水平排列，常使得k水平 ﹥k垂直
? 在微观结构上，当孔隙比相同 时，凝聚结构将比分散结构具 有更大的透水性
渗透系数的影响因素
Δh=h1-h2
q=Q/t
Q
L
Q
hΔ
h1 h2 A
透水石 基准面
Δh↑，q↑ A↑，q↑ L↑， q↓
q ? A?h L
断面平均流速 v ? q A
水力坡降 i ? ? h L
v? i
§3土的渗透性和渗流问题 §3.2 土的渗透性与渗透规律
三. 渗透试验与达西定律
3. 达西定律 渗透定律
v? i
v ? k ?i
?w 2g
称为总水头，是水流动 的驱动力
水流动的驱动力 - 水头
§2.2 土的渗流性与渗透规律
pB
?w
p0? pa
B
静水 A zB
0 基准面
? 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
pA ? 压力水头： 水压力所能引起的自由
?w
水面的升高，表示单位重量液体所
Q dr ? 2? khdh r
井 地下水位≈测压管水面
dr dh
h1 h
h2
Q ln r2 r1
?
?
k
(h
2 2
?
h12
)
k
?
Q ?
ln(r2 / r1 )
h
2 2
?
h12
不透水层
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
§2.2 土的渗流性与渗透规律
? 土的性质 ? 粒径大小及级配 ? 孔隙比 ? 矿物成分 ? 结构
第三章 土的渗透性和渗流问题
第三章：土的渗透性和渗流问题
? 本章提要
? 土的渗透性和渗透规律 ? 平面渗流及流网 ? 渗透力与渗透变形
? 本章特点 ? 有严格的理论（水流的一般规律）
? 有经验性规律（散粒多孔介质特性）
? 学习要点 ? 注意对物理概念和意义的把握
? 注意把握土是散粒多孔介质这一特点
k1 z k2 k3
x H1 H2 H H3
? kx ?
A
k ? VL A? ht
适用土类：透水性较大的砂性土
§3土的渗透性和渗流问题 §3.2 土的渗透性与渗透规律
三. 渗透系数的测定及影响因素
1. 测定方法
常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土
t=t1
透水性较小的粘性土
? 室内试验方法2—变水头试验法 ?试验装置：如图 ?试验条件: Δh变化，A，L=const ?量测变量: Δh ，t
At ? h2
不同时段试验，取均值
粗粒土
粘性土
§3土的渗透性和渗流问题 §3.2 土的渗透性与渗透规律
三. 渗透系数的测定及影响因素
1. 测定方法
? 野外测定方法－抽水试验和注水试验法
实验方法：
理论依据：
抽水量Q
观察井
r2 r r1
A=2πrh i=dh/dr
Q ? Aki ? 2?rh ?k dh dr