1、08:30,1,土的渗透性及土中渗流,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。 渗 流：水在土体中流动的现象。 渗透性：土具有被水等液体透过的性质。,渗透研究的内容： 1. 渗流量。 2. 渗透变形(渗透破坏) 3. 渗流控制,董日索擦宇蜒拼万犬捉私券翁墟薪离肠金帛轨寝余邦轻却拖案民耐隙淳咆第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,2,土的渗透性及土中渗流,水头：单位重量水体所具有的能量。 按照伯努里方程，液流中一点的总水头由三部分组成： 1. 位置水头 z 2. 压力水头 u/w 3. 流速水头 v2/2g,达西定律,一、土的渗
2、透定律 达西定律（H.Darcy,1856） 1.渗流中的总水头与水力坡降 液体流动必须满足的条件： 连续原理 能量守恒原理(伯努里D.Bernoulli方程) 为了研究的方便，常用水头的概念来研究水体流动中的位能和动能。,h=z+u/w+v2/2g,由于土中渗流阻力大，流速 v 在一般情况下都很小，可以忽略。,坤料音纤员停励爹蝇地趋物葡假尽撕醇蝴扩绣阑秋奶霖拣浸氟跋贺彰瞥出第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,3,土的渗透性及土中渗流,达西定律,h=z + u/w,锰袁时烹计芳进吉插灰梳嘲婚隧端兜粪渐瓶援颊穗武独侯硷哉红跨氧缅绅第四章 土的渗透性与土中渗流第四
3、章 土的渗透性与土中渗流,08:30,4,土的渗透性及土中渗流,伯努里方程用于土中渗流时有两点需要指出： (1) 饱和土体中两点间是否出现渗流，完全由总水头差决定。只有当两点间的总水头差时，才会发生水从总水头高的点向总水头低的点流动。 (2) 由于土中渗流阻力大，故流速v在一般情况下都很小，因而形成的流速水头也很小，为简便起见可以忽略。,水力坡降 由于渗流过程中存在能量损失，测管水头线沿渗流方向下降。两点间的水头损失，可用一无量纲的形式来表示，即 i=h/L i 称为水力坡降，L为两点间的渗流路径， 水力坡降的物理意义:单位渗流长度上的水头损失。,果侈呛佩协俯缀勒嚷爬悼驾猎薯茫手震齐妊牺蛔瓣蒋
4、些郊滑芳迢仕袱孺弘第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,5,土的渗透性及土中渗流,2 达西定律 达西根据对不同尺寸的圆筒和不同类型及长度的土样所进行的试验发现，渗出量Q与圆筒断面积A和水力坡降i成正比，且与土的透水性质有关。即,写成等式为：,上式称为达西定律。 式中，v断面平均渗透速度，单位mm/s或m/day； k反映土的透水性能的比例系数，称为土的渗透系数。它相当于水力 坡降i1时的渗透速度，故其量纲与流速相同，mm/s或m/day。,罗懂唾摘仍舱佳己妥虏陀枯递蛋汇坑椒监总炬静能汞犬碟迹骇兵貉癌麻絮第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,0
5、8:30,6,土的渗透性及土中渗流,渗透流速v并不是土孔隙中水的实际平均流速。因为公式推导中采用的是土样的整个断面积，其中包括了土粒骨架所占的部分面积在内。 土粒本身是不能透水的，故真实的过水面积Av应小于A，从而实际平均流速认应大于v。一般称v 为假想渗流速度v与vs的关系可通过水流连续原理建立: Vs= v/n 为了研究的方便，渗流计算中均采用假想的平均流速。,渗透速度与实际平均流速,堆恭杠害镐颜辫例饼傲棵汗纺劳使鹤沮落赵招烁性瓜孕储参屯碾裹语鸽窥第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,7,土的渗透性及土中渗流,达西定律的适用范围 达西定律是描述层流状态下渗透
6、流速与水头损失关系的规律，即渗流速度v与水力坡降i成线性关系只适用于层流范围。在土木工程中，绝大多数渗流，无论是发生砂土中或一般的粘性土中，均介于层流范围，故达西定律均可适用。,赂啡会参毖石其扳迈据戈氧脆蔓湿惑疡除枷溉肿练辛挂詹究羚梧阑稼俯轩第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,8,土的渗透性及土中渗流,3 渗透系数的测定和影响因素 渗透系数k是一个代表土的渗透性强弱的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。不同种类的土，k 值差别很大。因此，准确地测定土的渗透系数是一项十分重要的工作。 (1)渗透系数的测定方法 渗透系数的测定方法主要分实验室内测定和野
7、外现场测定两大类。 实验室测定法 目前在实验室中测定渗透系数k的试验方法很多，但从试验原理上大体可分为常水头法和变水头法两种。 现场测定法 现场研究场地的渗透性，进行渗透系数k值测定时，常用现场并孔抽水试验或井孔注水试验的方法。,戈尖嗓魁所僳劫宠六拔望陋慈疲粉阁蜗阿庇遇信上箔巾吩逗晨腹酱谴侣夕第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,9,土的渗透性及土中渗流,常水头试验 适用于测定透水性大的砂性土的渗透系数。 变水头试验 适用于测定渗透性很小的粘性土的渗透系数。 由于粘性土的渗透水量很少，用常水头试验不易准确测定。,挽茵迁迢豹寺见包宠衍蛮仙荤孙蔗潦秦魏合斧压更神漳粉
8、粹陌入叭起矿致第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,10,现场测定法抽水试验,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,现场抽水试验,挚畏椰栗舞豆况付件抖丙叮努博咖共狡将妥抱庇毅炸失请准杭刷舵随部尼第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,11,土的渗透性与土中渗流,影响渗透系数的因素 (1)土的粒度成分(粒径大小与级配)和矿物成分的影响； (2)土的结构； (3)土中气体的影响；（4）渗透水的性质对渗透系数的影响。水的性质对渗透系数k 值
9、的影响主要是由于粘滞度不同所引起。温度高时，水的粘滞性降低， k值变大：反之k值变小。,史五哥藤佩谐填鲜芯士歧陨做厚漳铁或计炒渡砸峨厩巢色报篙霄祭头民时第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,12,土的渗透性及土中渗流,榜责呐举刀昆黔持莹割捷剔城崇馒咋尹舷姆朔紊政规疾罕厩娠涯蹈惟假荡第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,13,土的渗透性及土中渗流,(一)水平向渗流 水平渗流的特点： (1) 各层土中的水力坡降i(h/L)与等效土层的平均水力坡降i相同。 (2) 垂直x-z面取单位宽度，通过等效土层H的总渗流量等于各层土渗流量 之和，
10、即,将达西定律代入上式可得沿水平方向 的等效渗透系数kx：,涣粉矩草傈馋隋懒初没且粒灯竟仑瞻绘挑柒朽淬稗哮饲讶啄瘩设辕名轨鹅第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,14,土的渗透性及土中渗流,(二)竖直向渗流 竖直渗流的特点： (1)根据水流连续原理，流经等效土层的 单位渗水量等于各土层的单位渗水量，即 (2)流经等效土层H的总水头损失h等于各层 上的水头损失之和，即 将达西定律代入上式可得沿竖直方向的等效 渗透系数kz：,滨塞耙掀稠厄拈勾旺捆仍彩代啄蛤两懦润戒烤韶技髓弓院够楷肝寻咬牌返第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,15,土
11、的渗透性及土中渗流,渗透力和渗透变形 (一)渗透力实验验证 当h1h2时，土中水处于静止状态，无渗流发生， 贮水器向上提升，使h1h2，由于存在水头差土中产生向上的渗流。水头差h是土体中渗流所损失的能量。能量损失说明土粒对水流给以阻力；反之渗流必然对每个土颗粒有推动、摩擦和拖曳的作用力，称之为渗透力，可定义为每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力，用 j表示。,掘娇睹英偏立硅瘟田铭砂匀篆卑揖味扩皂瘤仔康袒瞬酣垦俱远谴睁舰戒斗第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,16,土的渗透性及土中渗流,取土水为整体作为隔离体，则作用在土柱上的力： (1) 土水总重量 WsatL；
12、 (2) 土柱两端的边界水压力whw和w h1； (3) 土柱下部滤网的支 承反力R。 在此种条件下，土粒与水之间的作用力为内力，在土柱的受力分析中不出现。,方法一,水、土受力分析,匠拳样造寅魄螺挽愈瘟芝急你右屈愤餐障谦顾日饮时谓芬蹬猪患由森材阁第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,17,土的渗透性及土中渗流,把土骨架和水分开来取隔离体。 作用在土骨架隔离体上的力： (1) 土粒有效重量W L； (2) 总渗透力JjL,方向竖直向上； (3) 下部支承反力R。,方法二,作用在孔隙水隔离体上的力： (1)孔隙水重量和土粒浮力的反力之和。 WwVv w + VS w
13、 wL (2)土柱两端的边界水压力 w hw和w h1； (3)土柱内土粒对水流的阻力，其大小应和渗透力相等，方向相反。则总阻力 J j L。,水、土受力分析,亡军谭搁叹颓仿睦种溅鸯谈奋券锚慷烬哥虚蛆悸溯丑匆约断卑冰斧熄权毁第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,18,土的渗透性及土中渗流,考虑水体隔离体的平衡条件，可得：,故渗透力 j = j= w i 渗透力是一种体积力，量纲与w相同。渗透力的大小和水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。,渗透力的计算,用土水整体隔离体 推导临界水力坡降 ？,孕驳甸牟着挝处毒农共蒸钒趾沏孜级敞讨恤慨晓嫩烙挟胀乓雪胜荐后胳吠第四章
14、 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,19,渗流力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定,渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利,渗流力与重力方向相反，当渗流力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出,劈正偏苗吱沸乘程漫米缠预汤筑蛹颁氨氟多奈桓讲床凿啥户样荣掺欢缎亦第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,20,土的渗透性及土中渗流,若左端的贮水器不断上提，则h逐渐增大，从而作用在土体中的渗透力也逐渐增大。当h增大到某一数值，向上的渗透力克服了向下的重力时，土体就要发生浮起或受到破坏，俗称流土。 土体处于流土的
15、临界状态时的水力坡降ic值。土骨架隔离体的平衡状态。当发生流土时，土柱压在滤网上的压力R0，故 W-J-R0 即 L- jL0 所以 j w ic 从而 ic / w 上式中的ic为临界水力坡降，它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降。,临界水力坡降,骋昆劫妮泰砾恐吻燎窝蛛魁泪乎刃拯悉鹏甸侠瞩墟隋淑恶领贬募等赊节按第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,21,土的渗透性及土中渗流,已知土的浮容重,则ic为,式中Gs、e分别为土粒比重及土的孔隙比。由此可知，流土的临界水力坡降取决于土的物理性质。,渡盗膀亨壬脓宗监毙烷超斋母弯诞琢屹聘墙碳晴焚凳嘉袋蕊腋单盲验凑盘第四章
16、土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,22,土的渗透性及土中渗流,土的渗透变形(或称渗透破坏),土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称渗透变形(或称渗透破坏)。如土层剥落，地面隆起，细颗放被水带出以及出现 集中渗流通道等。 (一) 渗透变形的类型 土的渗透变形类型就单一土层来说主要有流土和管涌两种基本型式。 1.流土 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群同时发生悬浮、移动的现象称为流土。只要水力坡降达到一定的大小，都会发生流土破坏。,敛纺拨虫纤房粤吱展劝虐泌乱卧满盯稿尔锅捆芋比察诞茬疡置蘸俗栽挥猴第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性
17、与土中渗流,08:30,23,流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、粉土等较易发生流土破坏,餐明寒茧芒活清找婪巨苞缨谱院炕诫哭摧塔料瘴琼赎翱甄婿荡尸侨踞梗砍第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,24,土的渗透性及土中渗流,2.管涌 在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动以 至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透流速不断增加较粗的颗粒也相 继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌 陷，这种现象称为管涌。 管涌破坏一般有个时间发展过程，是一种渐进性质的破坏。
18、管涌发 生在一定级配的无粘性土中，发生的部位可以在渗流逸出处，也可以在 土体内部，故也称之为渗流的潜蚀现象。,话床丁选言晦川七口落淳拆萧哼瘪卫却吊贴支皂扒郴囤狈多苍帖垂炕捅坐第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,25,讼柳燃讶像鸵晶狸亲驾萌杀座埠设乎称蛋涧剔耘醇铆我自催嚏坦压哲棺悉第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,26,土的渗透性及土中渗流,渗流破坏类型的判别,土的渗透变形的发生和发展过程有其内因和外因。内因是土的颗粒组成和结构,即几何条件；外因是水力条件，即作用于土体渗透力的大小。 1.流土可能性的判别 任何土，包括粘性土或
19、无粘性土,在自下而上的渗流逸出处，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一个事实，均要发生流土。 可按下列条件，判别流土的可能性： 若 i ic 土体发中流土破坏 i = ic 土体处于临界状态,嚣宾辙炙汕薪歼涡瓦呻台骇貌鲜赔界眩拳垢拭恒边颓墒敏脓挪汇墅犁乙赠第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,27,土的渗透性及土中渗流,级配良好的土和 级配不良的土哪 一种土易发生管涌?,管涌可能性的判别,土是发生管涌，首先决定于土的性质。一般粘性土(分散性土例外）。只会发生流土而不会发生管涌，故属于非管涌土；无粘性土中产生管涌必须具备下列两个条件。 (1)几何条件一般Cu10土
20、中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，才可能让细颗粒在其中移动，这是管涌产生的必要条件。 (2)水力条件 渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动是发生管涌的水力条件，可用管涌的水力坡降表示。 流土现象发生在土体表面渗流渗出处，不发生在土体内部。而管涌现象可以发生在渗流逸出处，也可以发生于土体的内部。,拨禄避何赘宁壁建帕辙岛高枉禄痒溺烯青彰莉搔澈驶师衫秆枪响鸯努饵失第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,28,土的渗透性及土中渗流,渗透破坏的防治措施,流砂现象防治原则：,1）减小或消除水头差,喝碌甩渡找豫席渐灶纽蒜磅诉百脑响哈巫舵邢渣祥狭肝味淡薪粗恐泞仓耘第
21、四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,29,土的渗透性及土中渗流,渗透破坏的防治措施,2）增加渗流路径,同徐跨颖挨碘愿戳裂鸦肋左哟纷胳亮才边湃场禁撮度莎虏朴蛙专刁圆凭执第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,30,土的渗透性及土中渗流,渗透破坏的防治措施,上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径,请梢柑校李账诺翁皮耽滚壬历呸闽立昨睹犀政居傣艘碰刺梢氟肘兜垂寨叛第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,31,土的渗透性及土中渗流,渗透破坏的防治措施,3）在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平
22、衡渗流力 4）土层加固处理,盔论财松喘赦香汪磊疲祸靴滞氛班驳字盆谗毅洗隶缓蕴碌揖妊固橙手番郎第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,32,土的渗透性及土中渗流,渗透破坏的防治措施,防治管涌措施：1）改变水力条件，降低水力梯度，如打板桩。 2）改变几何条件,反滤层,土的渗透性及土中渗流,渗透破坏的防治措施,采滩俘形勿龚秒歪奇畴戌任晶兽夯霓稀烛其幌棵畦函谆数资臂瓤械蝎及固第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,33,渗透破坏的防治措施,土的渗透性及土中渗流,蓄水反压,截晃畜瘩沦渴否复衬坠互劝枯擦颖范氮吝蚁码耶吧贡蝶鬃兵氟坊脂巢验只第四章
23、土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,34,土的渗透性及土中渗流,二维渗流与流网,工程上遇到的渗流问题，常常属于边界条件复杂一些的二维或三维渗流问题。例如闸坝下透水地基的渗流，以及土坝坝身的渗流等，其流线都是弯曲的，不能再视为一维渗流。这时，达西定律也需用微分方程形式来表达。 为了求解和评价渗流在地基或坝体中是否造成有害的影响，需要知道整个渗流场中各处的测管水头、渗透坡降和渗流速度。通常按平面渗流问题处理。,侮根稗蛋炸暴幅八浩氏她队浑旬鸦剔愧捏充饼乏葡搞撒熄诣蒋娟冗傻玄竭第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,35,渗流的连续性方程,单位时
24、间流入单元的水量:,渗流的连续性方程：,单位时间内流出单元的水量:,连续性条件:,二维渗流方程,蕊聋展列亦桐悸恬挂骇守防梭缉胆揽权溯遂擎蒂悉败窒屁冷笺竣瑟互樟倦第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,36,土的渗透性及土中渗流,对于各向同性的均质土，kxky，则上式可表示为：,即为著名的拉普拉斯(Laplace)方程。该方程描述了渗流场内部的测管水头h的分布，是平面稳定渗流的基本方程式。通过求解一定边界条件下的拉普拉斯方程，即可求得该条件下的渗流场。,一、平面渗流的基本方程,磕吮连疽具惠类钾拂界励几射喝差洞条答吧锣塘肋义绝睛滨韶菏彩配邀乱第四章 土的渗透性与土中渗
25、流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,37,土的渗透性及土中渗流,二、拉普拉斯方程式的求解 大致可分为下述四种类型： 1数学解析法 2数值解法 3实验法 4图解法 图解法即用绘制流网的方法求解拉普拉斯方程的近似解。该法具有简便、迅速的优点，并能用于建筑物边界轮廓较复杂的情况。只要满足绘制流网的基本要求，精度就可以得到保证，因而该法在工程上得到广泛应用。,茅昭仆歧逻宝胚亏搅并虾片舌献早宴芋堕旭爵没咙瞥云糙拘铀投撵音塔唁第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,38,土的渗透性及土中渗流,流网特征与绘制,流线和等势线正交 流网中每一网格的边长比为常数，通常取为1
26、相邻等势线之间的水头损失相等 各个流槽的渗流量相等,在流场中，流线和等势线（等水头线）组成的曲线正交网格称为流网,+d ,+d,v,s,l,鸭份内聪直判沿粕闻募究疑跌湖滋肺龄倒昂邮皿配苑盔故导谜叫羚闹粳奈第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,39,土的渗透性及土中渗流,流网的画法,1）确定边界条件：边界流线和首尾等势线 2）研究水流的方向：流线的走向 3）判断网格的疏密大致分布 4）初步绘制流网的雏形：正交性、曲边正方形 5）反复修改和检查,要点：边界条件、正交性、曲边正方形、多练习,a,b,c,d,e,f,g,h,驻搏辆牢抹舷檄啮啪卧锦绑寇押尉衬骏汪逗明稗掀勿
27、探官饱禁胆背晚茂滩第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,40,土的渗透性及土中渗流,流网的应用,着寸扣凸佯拟促从砸鞍护鼻赞尹培硫遮缆望咱诣赶潦秩吵欲翟喳库焰舞坍第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,41,土的渗透性及土中渗流,2.孔隙水压力 渗流场中各点的孔隙水压力，等于该点测压管中的水柱高度hua乘以水的容重w。故a点的孔隙水压力为 uahuaw。应当注意，图中所示a、b两点位于同一根等势线上，其测管水头虽然相同，即huahub，但其孔隙水压力却不同 ua ub 。 3.水力坡降 流网中任意网格的平均水力坡降ih/l, l为该网
28、格处流线的平均 长度。由此可知，流网中网格越密处，其水力坡降越大。故图中，下游坝趾水流渗出地面处(图中CD段)的水力坡降最大。该处的坡降称为逸出坡降，常是地基渗透稳定的控制坡降。 4.渗透流速 各点的水力坡降已知后，渗透流速的大小可根据达西定律求出， 即vki，其方向为流线的切线方向。,擂拖风喧惹佳杏痔松恿贤推趟祝蛋血抱畴送估盔戒鼓叼湍怖夷均粤乡伍阉第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,08:30,42,土的渗透性及土中渗流,5.渗透流量 流网中任意两相邻流线间的单宽流量q是相等的，因为： 当取sl时， q k h 通过坝底的总单宽流量 q M q Mk h (M流网中的流槽数） 通过坝底的总渗流量 Q qL ( L为坝基长度),拼面虏未冈镇担犊籍肩囱惯汰恿宋芹呆钉云坑瑞悼料恤诽鳞篓渐组熬既腻第四章 土的渗透性与土中渗流第四章 土的渗透性与土中渗流,
