1、 清华大学土木水利学院 岩 土 工 程 研 究 所 张 丙 印 土力学 1 之第二章 土的渗透性和渗流问题 本章提要 本章特点 学习要点 第二章：土的渗透性和渗流问题 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 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） 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 本章作业： 2-1 2-3 2-4 2-5 2-7 2.1 概述 2.2 土的渗透性与渗透规律 2.3 平面渗流与流网 2.4 渗透力与渗透变形 第二章：土的渗透性和渗流问题 仁者乐山 智者乐水 2.1 概述 土体中的渗流 土颗粒 土中水 渗流 土
2、是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动 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 仁者乐山 智者乐水 透水层 不透水层 土石坝坝基坝身渗流 2.1 概述 - 渗流问题 防渗体 坝体 浸润线 渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗透力？ 工程实例 仁者乐山 智者乐水 板桩围护下的基坑渗流 2.1 概述 - 渗流问题 渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗水压力？ 透水层 不透水层 基坑 板桩墙 工程实例 仁者乐山 智者乐水 渗流问题： 1. 渗流量
3、 Q？ 2. 降水深度？ 透水层 不透水层 天然水面 水井渗流 Q 2.1 概述 - 渗流问题 仁者乐山 智者乐水 渗流问题： 1. 渗流量？ 2. 地下水影响 范围？ 渠道、河流渗流 2.1 概述 - 渗流问题 原地下水位 渗流时地下水位 仁者乐山 智者乐水 2.1 概述 - 渗流问题 降雨入渗引起的滑坡 渗流问题： 1. 渗透力？ 2. 入渗过程？ 事故实例 仁者乐山 智者乐水 渗流量 扬压力 渗水压力 渗透破坏 渗流速度 渗水面位置 挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基础工程 地下工程 边坡工程 渗透特性 变形特性 强度特性 土的渗透特性 2.1 概述 - 土渗流特性 2.1 概述 2
4、.2 土的渗透性与渗透规律 2.3 平面渗流与流网 2.4 渗透力与渗透变形 第二章：土的渗透性和渗流问题 仁者乐山 智者乐水 2.2 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 渗透系数的测定及影响因素 层状地基的等效渗透系数 土的渗透性与渗透规律 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 仁者乐山 智者乐水 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 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
5、势能 在静止液体中各点的测管水头相等 2.2 土的渗流性与渗透规律 位置、压力和测管水头 zA 0 0 A B u0pa wAuzB wBu基准面 静水 仁者乐山 智者乐水 2.2 土的渗流性与渗透规律 水流动的驱动力 水往低处流 水往高处“跑” 速度 v 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 仁者乐山 智者乐水 位置势能： mgz wumg 压力势能： 0 0 基准面 质量 m 压力 u 流速 v z wu 动能： 2mv212wmv21umgm g zE 总能量： 2gvuzh 2w称为总水头，是水流动
6、的驱动力 单位重量水流的能量： 2.2 土的渗流性与渗透规律 水流动的驱动力 - 水头 仁者乐山 智者乐水 渗流中的水头与水力坡降 2.2 土的渗流性与渗透规律 A B L 透水层 不透水层 基坑 板桩墙 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 仁者乐山 智者乐水 2.2 土的渗流性与渗透规律 A B L hA zA wAu基准面 g2vuzh 2wwuzh 总水头： 单位重量水体所具有的能量 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
7、的总水头： 渗流问题的水头 也称 测管水头 ，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处 仁者乐山 智者乐水 wBBBuzh A点总水头： 2.2 土的渗流性与渗透规律 水力坡降 A B L hA hB zA wAuwBuzB h 基准面 水力坡降线 wAAAuzh B点总水头： 二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失 BA hhh 水力坡降 i：单位渗流长度上的水头损失 Lhi 仁者乐山 智者乐水 达西渗透试验 2.2 土的渗流性与渗透规律 L A h 1 h 2 Q Q 透水石 1856 年达西 (Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验 LhAQ 或： iAk
8、Q 其中， A是试样的断面积 仁者乐山 智者乐水 ikAQv 达西定律 2.2 土的渗流性与渗透规律 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 渗透系数 k: 反映土的透水性能的比例系数 ， 其物理意义为水力坡降 i 1时的渗流速度 ， 单位： cm/s, m/s, m/day 渗透速度 v： 土体试样全断面的平均渗流速度 ， 也称假想渗流速度 nvvvs 其中， Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速 仁者乐山 智者乐水 达西定律的适用范围 2.2 土的渗流性与渗透规律 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
9、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 ： 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 达西定律 适用范围 2.0 1.5 1.0 0.5 0 水力坡降 流速 (m/h) 10 d v R e Re 5时层流 Re 200时紊流 200 Re 5时为过渡区 仁者乐山 智者乐水 达西定律的适用范围 2.2 土的渗流性与渗透规律 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： i v o i0 两种特例 对致密的粘性土，存在起始水力坡降 i0 ？ i v o vcr )1m(kiv m
10、)( 1mkiv m ii0, v=k(i - i0 ) 仁者乐山 智者乐水 渗透系数的测定方法 常水头试验法 变水头试验法 井孔抽水试验 井孔注水试验 2.2 土的渗流性与渗透规律 室内试验方法 野外试验方法 仁者乐山 智者乐水 室内试验方法 -常水头试验法 试验条件 : h， A， L=const 量测变量 : 体积 V， t 适用土类：透水性较大的砂性土 2.2 土的渗流性与渗透规律 i=h/L V=Qt=vAt v=ki htAVLkh L 土样 A V Q 仁者乐山 智者乐水 室内试验方法 -变水头试验法 试验条件 :h变化 A， a， L=const 量测变量 : h， t 适用土
11、类：透水性较小 的粘性土 2.2 土的渗流性与渗透规律 土样 A t=t1 h1 t=t2 h2 L Q 水头 测管 开关 a 仁者乐山 智者乐水 土样 A t=t1 t=t2 h1 h2 L Q 水头 测管 开关 在 tt+dt时段内： 入流量 ： dVe= - adh 出流量： dVo=kiAdt=k (h/L)Adt 连续性条件： dVe=dVo -adh =k (h/L)Adt hdhkAaLdt 21hht0 hdhkAaLdt21hhkAaLt lnh dh t t+dt 2.2 土的渗流性与渗透规律 室内试验方法 -变水头试验法 21hhAtaLk ln选择几组量测结果 ，计算相
12、应的 k，取平均值 仁者乐山 智者乐水 室内试验方法 小结 2.2 土的渗流性与渗透规律 常水头试验 变水头试验 条件 已知 测定 公式 取值 h=const h变化 h， A， L V， t 重复试验后，取均值 a， A， L h， t 21hhlnAtaLk htAVLk不同时段试验，取均值 适用 粗粒土 粘性土 仁者乐山 智者乐水 2.2 土的渗流性与渗透规律 现场测定法抽水试验 抽水量 Q r1 r2 h1 h2 井 不透水层 试验条件 : Q=const 量测变量 : r=r1， h1=？ r=r2， h2=？ 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 观察井 仁者乐山 智者乐水 2.2 土的渗流性与渗透规律 212212hhrrQk )/l n ()(ln 212212 hhkrrQ A=2rh i=dh/dr drdhkrh2A k iQ k h d h2rdrQ 计算公式： r 抽水量 Q r1 r2 h1 h2 井 不透水层 dh dr h 地下水位 测压管水面 现场测定法抽水试验
