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1、第三章 土的渗透性及渗流,3.1 概述3.2 土的渗透性3.3 土中二维渗流及流网3.4 渗透破坏与控制,3.1 概述,土体中的渗流,土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,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,3.1 概述-渗流问题,防渗体,坝体,渗流问题：1.渗流量？2.渗透破坏？3.渗透力？,工程实例,板桩围护下的基坑渗流,3.1 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
2、程实例,渗流问题：1.渗流量Q？2.降水深度？,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,3.1 概述-渗流问题,渗流问题：1.渗流量？2.地下水影响 范围？,渠道、河流渗流,3.1 概述-渗流问题,原地下水位,渗流时地下水位,3.1 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,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,3.1 概述-土渗流特性,3.2 土的渗透性,一、渗流基本概念二、土的层流渗透定律三、渗透试验及渗透系数,压力势能：
3、,动能：,总能量：,称为总水头，是水流动的驱动力,单位重量水流的能量：,3.2土的渗透性-基本概念,水流动的驱动力-水头,渗流中的水头与水力坡降,3.2 土的渗流性与渗透规律,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,3.2 土的渗流性与渗透规律,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,A点总水头：,3.2 土的渗
4、流性与渗透规律,水力坡降,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,水力梯度 i：单位渗流长度上的水头损失,达西渗透试验,3.2 土的渗透性-渗透定律,1856 年达西(Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验,或：,其中，A是试样的断面积,达西定律,达西定律：在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力梯度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i1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,其中，Vs为实际平均流速，孔隙断面的平均流速,3.2 土的
5、渗透性-渗透定律,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：,Re5时层流Re 200时紊流200 Re 5时为过渡区,3.2 土的渗透性-渗透定律,达西定律的适用范围,3.2 土的渗透性-渗透定律,适用范围：砂质土体,(a)细粒土的v-i关系(b)粗粒土的v-i关系 砂土、一般粘土；颗粒极细的粘土,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,室内试验方法 野外试验方法,3.2 土的渗透性-实验方法,是
6、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：,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,渗透系数的影响因素,3.2 土的渗透性-渗透系数影响因素,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：,渗透系数的影响因素,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,3.2 土的渗透性-渗透系数影响因素,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
7、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,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,3.2 土的渗透性-渗透系数影响因素,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,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,3.2 土的渗透性-渗透系数影响因素,渗透系数的影响因素,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,3.2 土的渗透性-渗透
8、系数影响因素,渗透系数的影响因素,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,土的性质 水的性质,粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构,3.2 土的渗透性-渗透系数影响因素,3.4 渗透破坏与控制,一、渗流力二、流砂或流土现象三、管涌和潜蚀现象,3.4 渗透力与渗透变形,渗透力-试验观察,h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生渗流作用力。,渗透力j：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致,3.4 渗透力与渗透变形,渗透力-试验观察,土粒,
9、渗 流,渗透力 j：体积力,渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗流作用力,3.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,W=L sat L(+w),P1=whw,P2=wh2,R=?,R+P2=W+P1,R+wh2=L(+w)+whw,R=L,土水整体受力分析-静水,3.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,W=L sat L(+w),P1=whw,P2=wh1,R=?,R+P2=W+P1,R+wh1=L(+w)+whw,R=L-wh,土水整体受力分析-渗流,3.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,R=L-wh,土水整体受力分析-对比,静水中的土体,渗流中的土体,向上渗流存在时，滤网支持力
10、减少,R=L,减少的部分由谁承担？,总渗透力：J=wh,渗透力j：单位土体内土骨架所受到的渗流的作用力,j=J/V=wh/L=wi,向上渗流存在时，滤网支持力减少。当滤网支持力为零时的水力坡降称为临界水力梯度icr，它是土体开始发生流土破坏时的水力梯度：,3.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,渗透力-受力分析,R=L-wh=0,临界水力梯度,icr=h/L=/w,土水隔离受力分析,3.4 渗透力与渗透变形,渗透力-受力分析,渗透力-受力分析,R=L-wh,土骨架受力分析：有效重量：W=L总渗透力：J=Lj滤网的反力：R,孔隙水受力分析：水压力：P1=whw P2=wh1总渗透力：J=J水
11、重+浮力反力：Ww=Vvw+Vsw=Lw,孔隙水受力平衡,j=wi,土骨架受力平衡,渗透力的性质,物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的作用力，它是一种体积力大小：j=wi方向：与水力坡降方向一致作用对象：土骨架,3.4 渗透力与渗透变形,3.4 渗透力与渗透变形,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。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型基本类型：管涌 流土 接触流土 接触冲刷,渗透变形,单一土层渗透变形的两种基本型式,3.4 渗透力与渗透变形,渗透变形-流土,流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，
12、只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏,渗流,2.4 渗透力与渗透变形,渗透变形 管涌,原因,内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：渗透力足够大,在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道,渗流,过程演示,1.在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失,2.孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走,3.形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷,3.4 渗透力与渗透变形,流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时发生移动,管涌,只发生在水流渗出的表层,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏
13、过程短,导致下游坡面产生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,3.4 渗透力与渗透变形,Fs:安全系数1.52.0,i:允许坡降,i icr:土体处于稳定状态,i=icr:土体处于临界状态,i icr:土体发生流土破坏,工程设计：,流土可能性的判别,在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：,3.4 渗透力与渗透变形,土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土（分散性土
14、例外）属于非管涌土无粘性土中发生管涌必须具备相应的几何条件和水力条件,管涌可能性的判别,3.4 渗透力与渗透变形,较均匀土（Cu10）,几何条件 水力条件,无粘性土管涌的判别,级配,孔隙及细粒,判定,非管涌土,粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒,不均匀土（Cu10）,不连续,连续,d0=0.25d20,细粒含量35%,细粒含量25%,细粒含量=25-35%,d0 d3,d0 d5,d0=d3-d5,管涌土,过渡型土,非管涌土,非管涌土,管涌土,过渡型土,P(%),lgd,骨架,充填料,发生管涌的必要条件：粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径,3.4 渗透力与渗透变形,几何条件 水力条件,无粘性土管涌的
15、判别,渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。可用管涌临界水力坡降表示,0 5 10 15 20 25 30 35,1.51.00.50,icr,Cu,流土,过渡,管涌,伊斯托敏娜（苏）,中国学者,Cu 20时,icr，考虑安全系数后：,渗透变形的防治措施,减小i：上游延长渗径 下游减小水压增大i：下游增加透水 盖重,3.4 渗透力与渗透变形,改善几何条件：设反滤层等 改善水力条件：减小渗透坡降,防治流土,防治管涌,一、渗流力,定义：单位体积土颗粒所受到的渗流作用力难点：水柱重力,二、流砂或流土现象定义：在向上的渗流力作用下，粒间的有效应力为零时，颗粒群发生悬浮、移动的现象影响因素：渗流力的大
16、小、土的颗粒级配、密度及透水性,临界水力梯度流砂的防治原则：（）减小或消除水头差（）增长渗流路径（）透水材料覆压（）土层加固处理,三、管涌和潜蚀现象1、定义：2、发生条件：3、防治措施：,土坝，高90m，长1000m，1975年建成，次年6月失事渗透破坏：冲蚀 水力劈裂,Teton坝失事现场现状,原因,土石坝坝基坝身渗流破坏实例,失事原因研究结论,土石坝坝基坝身渗流破坏实例,九江大堤决口,1998年8月7日13:10发生管涌险情，很快形成宽62m的溃口,堤基管涌,焦点词汇：豆腐渣工程,原因,土石坝坝基坝身渗流破坏实例,沟后面板砂砾石坝,位于青海省，高71米，长265米，建于1989年。1993
17、年8月7日突然发生溃坝，是现代碾压堆石坝垮坝的先例。,溃坝原因：面板止水失效，下游坝体排水不畅，造成坝坡失稳,土石坝坝基坝身渗流破坏实例,广州京广广场基坑塌方,基坑渗流破坏,珠海祖国广场基坑失事,基坑渗流破坏,西藏易贡巨型滑坡,时间：2000年4月9日约20时规模：滑坡体自相对高差近3330m的雪峰阳坡滑下，历时约10分钟，滑程8km。堆积体长、宽各约2500m，平均厚60m，最厚100m，体积约2.8亿-3.0亿m3。地质：滑坡堆积体80%以上是砂性土险情：堵塞易贡藏布江成堰塞湖，湖水面积22km2，湖长17km，水位以每天的速度上涨，湖水无下泄通道，预计6月底湖水将上涨至堆积体顶，拦存湖水
18、将达40亿-60亿m3,降雨入渗引起的滑坡,西藏易贡巨型高速滑坡,降雨入渗引起的滑坡,西藏易贡巨型高速滑坡,降雨入渗引起的滑坡,湖水每天上涨50cm！,易贡巨型滑坡现场,降雨入渗引起的滑坡,预案一：加强监测，上、下游移民工作，库满自溢漫顶溃口预案二：在堆积体最低处开渠引流，水库溢流漫顶溃口。预案三：在右岸山体垭口开溢洪道，改造堆积体成坝，堰塞湖成库,易贡滑坡处理预案,最终采用预案二,降雨入渗引起的滑坡,武警部队等700多名抢险人员，奋战33天，累计开挖土石方135.5万m3，有效降低了堆积体过水高程24.1m，减少拦存湖水约20亿m3施工队伍6月4日撤离；6月8日6时40分，泄水渠过水，至11
19、日2时50分堆积体溃决；11日21时，滑坡体拦存的湖水按预定方案完全下泄 泄洪时易贡湖库容量已达30多亿立方米,易贡滑坡处理结果,降雨入渗引起的滑坡,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,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,L,Q,水头测管,开关,a,在tt+dt时段内：,2.2 土的渗流性与渗透规律,室内试验方法-变水头试验法,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,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,2.2 土的渗流性与渗透规律,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,2.2 土的渗流性与渗透规律,现场测定法抽水试验,
