1、土的渗透规律,水在土体孔隙中流动的现象称为渗流。 土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性。土的渗透规律因土类不同而有所差异： 砂土、粉土渗透符合线性渗流规律Darcy定律 密实粘性土非线性渗流规律 砾、卵石中当流速过快时非线性渗流规律,达西（Darcy，1856）定律,砂土、粉土在层流状态下，土中水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律。,达西（Darcy，1856）定律,砂土、粉土在层流状态下，土中水的渗流速度与能量损失之间服从线性渗流规律。,渗透系数及影响因素,渗透系数k是反映土的透水性能的比例系数，是水力梯度为1时的渗透速度，其量纲与渗透速度相同(m/d; cm/s)。影响因素：影响
2、渗透系数大小的因素很多，主要取决于土体颗粒的种类、形状、孔隙比、不均匀系数、流体的粘滞性、温度等，要建立计算渗透系数k的精确理论公式比较困难注：渗透率与渗透系数不同，其仅取决于岩土本身的性质，与流体性质无关。,渗透系数及影响因素,影响因素： 颗粒级配 土粒越细或粗大颗粒间含细颗粒越多，土的渗透性越弱；反之，渗透性越强。 矿物成分 原生矿物成分不同，土中的孔隙形态不同，土的渗透性有明显差异； 粘土矿物成分不同，形成结合水膜的厚度不同，亲水性越强，渗透性越小。 土的密度：渗透性随密实程度增加而降低。 土的结构构造：土的渗透性具各向异性。,影响砂性土渗透性的主要因素是颗粒大小、级配、密度以及土中封闭
3、气泡。土颗粒愈粗，愈浑圆、愈均匀，渗透性愈大。级配良好土，细颗粒填充粗颗粒孔隙中，土体孔隙减小，渗透性变小；渗透性随相对密实度Dr增加而减小。土中封闭气体不仅减少了土体断面上的过水通道面积，而且堵塞某些通道，使土体渗透性减小。,渗透系数及影响因素,影响粘性土渗透性的因素比砂性土更为复杂。土的矿物成分、结合水膜厚度、土的结构构造以及土中气体等都影响粘性土的渗透性。粘性土中含有亲水性矿物(如蒙脱石)或有机质时，由于它们具有很大的膨胀性，渗透性大大降低。含有大量有机质的淤泥几乎是不透水的。 粘性土中若土粒的结合水膜较厚时，会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。 土体各向异性和应力各向异性造成了土体渗透性的
4、各向异性。如层状粘土，由于水平粉细砂层的存在，使水平向渗透系数远远大于竖直向渗透系数；西北地区的黄土，具有竖直方向的大孔隙。那么竖直方向的渗透性要比水平方向的大得多。,渗透系数及影响因素,渗透系数的确定方法,实验室测定法：偏差较大，仅作参考（土样较小，受到扰动）现场测定法：结果比较可靠，但耗费较大经验估算法：初步设计阶段可采用，查表或经验公式估算,实验室内测定渗透系数 就原理而言，可分为常水头试验和变水头试验。(一)常水头法 在整个试验过程中，水头保持不变。 常水头法适用于透水性强的无粘性土。 k 10-3 为细砂到中等卵石 土的渗透系数：下页所示为基马式渗透仪,渗透系数的确定方法,实验室内测
5、定渗透系数,渗透系数的确定方法,(二)变水头法 在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的。 变水头法适用于透水性弱的粘性土。 透水性较小 (10-7 k10-3) 粘性土土的渗透系数：或下页为南55型渗透仪,现场测定法,有野外注水试验和抽水试验等，是在现场钻井孔或挖试坑，在往地基中注水或抽水时，量测地基中的水头高度和渗流量，再根据相应的理论公式求出渗透系数k值。,无压完整井抽水试验,无压非完整井抽水试验,渗透系数的确定方法,经验估算法,1991年 哈森提出用有效粒径d10计算较均匀砂土的公式: 1955年，太沙基提出考虑土体孔隙比e的经验公式:,渗透系数的确定方法,渗流力的概念水在土中流动的过
6、程中将受到土阻力的作用，使水头逐渐损失。同时，水的渗透将对土骨架产生拖曳力，导致土体中的应力与变形发生变化。渗流力：渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力，也称渗透力、动水压力，用f表示(kN/m3) 。,土的渗透变形,渗流力,A=1,当h1=h2时，无渗流发生 当h1h2时，向上渗流 当h1h2时，向下渗流,土的渗透变形,渗流力是一种体积力，单位为kN/m3 ，其大小和水力坡降成正比，方向与渗流方向一致。渗流力方向与重力方向一致时，渗流力对土骨架起渗流压密作用，对稳定有利渗流力方向与重力方向相反时，渗流力对土骨架起浮托作用，对稳定不利。当渗流力大到某一数值时，会使该处土体发生浮起和破坏，因此要
7、研究渗流逸出区的渗流力和逸出坡降。,渗流力,土的渗透变形,土的渗透变形,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。表现形式：流土、管涌、接触流土、接触冲刷等。对于单一土层，主要是流土和管涌。,1、流土,流土指在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒同时发生悬浮、移动的现象。(渗流水流将整个土体带走)流土经常发生 在堤坝下游渗流 逸出处无保护的 情况下。不发生 于土体内部。一 般突发性发生， 对工程危害极大。,土的渗透变形,管涌 指在渗流作用下土体中的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出，最 终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体坍塌的现象。主
8、要发生在砂砾土中。(土体大颗粒之间的小颗粒被冲出),2、管涌,土的渗透变形,一般粘性土只会发生流土，而不会发生管涌，属于非管涌土无粘性土中粗颗粒构成的孔隙直径大于细颗粒的直径时，才可能让细颗粒在其中移动，这是发生管涌的必要条件管涌特点： 既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处。它的发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏。,土的渗透变形,渗透变形判别,土的渗透变形,流土 临界坡降按教材P21公式(147)(149)计算。 管涌 临界坡降按教材P21公式(150)计算。 对于重要工程，土的临界坡降需通过试验确定。 安全系数Fs取值与工程重要性及临界坡降计算公式有关。 对于无粘性土，可能渗透
9、形式按其细粒含量及孔隙率判别。见教材P20公式(1-45)。,堤坝渗流控制的主要任务： 1、降低渗流水头 2、减小渗透坡降，尤其是渗流出口处 3、控制渗流量，在允许范围内,第一节 堤坝工程渗流控制的主要任务,冲积型地基堤坝工程存在的最主要问题就是渗流问题。,详见教材P125-128.注意其中单位储存量和给水度两个概念。,第二节 堤坝渗流基本理论,由质量守恒定律推导出渗流运动连续性方程。 将广义达西定律带入连续性方程得到渗流微分方程。 按照水头分布是否是时间的函数，分为稳定渗流微分方程和非稳定渗流微分方程。 定解条件包括初始条件和边界条件；边界条件分为水头边界和流量边界。 由渗流控制方程和边界条
10、件，可以用有限元法进行渗流计算，结合渗流软件可以得到渗流量、渗透坡降、浸润线、等水头线、扬压力等计算结果，为渗流控制提供参考。,堤坝渗流控制的途径： 1、防渗 2、排渗 3、压渗 4、渗流出口设反滤层,第三节 堤坝工程渗流控制的方法途径,一、防渗：在坝体、堤身及地基上利用弱透水材料建防渗体，以消杀部分水头，减小渗透坡降和渗流量。 弱透水材料：粘土、水泥土、混凝土、沥青混凝土、防渗土工塑膜等 1、垂直防渗：心墙、斜墙、截水槽、灌浆帷幕、(沥青)混凝土防渗墙 a. 劈裂灌浆(高压喷射灌浆、深层水泥土搅拌)：合理控制灌浆压力 b. 冲抓套井粘土回填防渗墙：造孔、回填夯实粘土材料；避免孔偏斜、回填土搭
11、接厚度不达标；沙砾石等坝基渗漏、水下施工、雨季施工困难 c. 垂直铺塑防渗:开槽、泥浆护壁、铺设土工膜、回填,第三节 堤坝工程渗流控制的方法途径,2、水平防渗 上游地基做粘土铺盖或水平铺塑。不能截断渗流，但可延长渗径，从而减小渗透坡降、渗透量和扬压力。 对于堤防工程，仅当临水侧存在滩地，且河势顺直不致引起冲刷或崩岸时，方可做水平铺盖。 地基为渗透性很强的沙卵石层时，水平铺盖需与坝后盖重压渗结合，或改为垂直防渗。,第三节 堤坝工程渗流控制的方法途径,二、排渗：疏导方法，强透水材料设置在堤坝内部与地基渗流坡降较大部位，提前释放渗流压力。 垂直：稍倾斜的直立式排水、贴坡排水、减压沟、减压井 水平：坝
12、体内褥垫排水、管式排水、下游坝趾导渗排水 排水材料：沙砾石、土工织物,第三节 堤坝工程渗流控制的方法途径,三、压渗：在堤坝的背水侧滩地，铺填或吹填盖重层。 材料：透水性强的砂土。 剩余水头很大时，盖重压渗与反滤导渗相结合。,第三节 堤坝工程渗流控制的方法途径,一、冲积型堤坝地基结构类型及渗流特点： 双层结构：渗流易顶穿覆盖层 浅砂层表露：极易发生渗透变形 多层结构：与双层结构类似，存在越流,第四节 堤坝工程垂直防渗方案,二、防渗墙布设： 双层结构：临水侧坡脚布设；全封闭式 浅砂层表露：坝顶下方布设 多层结构：临水侧坡脚布设；全封闭式、半封闭式 坝体防渗墙：详见教材P134。,第四节 堤坝工程垂
13、直防渗方案,三、防渗墙合理设计标准： 1、渗透系数：Kc=(1/10001/10000Kf) 2、厚度：THJ；符合结构强度要求；便于施工,第四节 堤坝工程垂直防渗方案,一、适用条件： P136 二、贯入度与井间距合理取值： w/T=1/3-1/2; a=15-20m 三、井半径：r越大，效果越好。但不经济。 四、弱透水夹层及透镜体地基：详见教材 五、存在问题：瘀堵,第五节 堤防减压井布设方案,教材P140,第六节 实例研究,水 闸,反滤的布置的位置,土工合成材料应用,土工膜铺设形式 1土工膜 2保护层,具有截水槽的心墙坝,排水反滤设施就是允许水流过但不允许带走土粒的一种按一定颗粒级配要求组成的结构，目前也有直接应用于排水反滤的土工合成材料。,
