第3章土的渗透性及渗流.ppt

第3章土的渗透性及渗流
§ 概述
下游
上游
土坝蓄水后水透过坝身流向下游
基坑开挖时，地下水向基坑内流动
支护结构
不透水层
一、工程背景
二、基本概念
水透过土体孔隙的现象称为渗透
土具有被第3章土的渗透性及渗流
§ 概述
下游
上游
土坝蓄水后水透过坝身流向下游
基坑开挖时，地下水向基坑内流动
支护结构
不透水层
一、工程背景
二、基本概念
水透过土体孔隙的现象称为渗透
土具有被水透过的性能称为土的渗透性
水在土体孔隙中流动的现象称为渗流
土的渗透性研究包括三个方面：
（1）渗流量问题；
（2）渗透破坏问题；（长江水灾，基坑坍塌）
（3）渗流控制问题。（堤坝防渗墙、基坑防渗）
下水管漏水所致基坑坍塌
成都“楼歪歪”-临近基坑开挖事故
合肥“楼歪歪” -临近基坑开挖事故
§ 土的渗透性
渗流基本概念
渗流模型：层流
(a)水在土孔隙中的运动
(b)渗流模型
水在土孔隙中的运动轨迹与渗流模型
土的层流渗透定律
一、达西渗透定律
1855年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究
结论：
水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比
v=ki
达西定律
水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失
h
i
l
D
=
渗透系数
二、达西渗透定律适用范围
讨论：
砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系
密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力梯度的规律还偏离达西定律而呈非线性关系
ib
起始水力梯度
虚直线简化
达西定律适用于层流，不适用于紊流（砾类土和巨粒土）
v=ki
i
v
O
砂土
0
i
v
密实粘土
渗透系数的测定
渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力学性质指标。渗透系数的测定可以分为现场试验和室内试验两大类。
1. 室内试验：
常水头试验：适用于透水性强的无粘性土
变水头试验：适用于透水性弱的粘性土。
常水头法－无粘性土
常水头法就是在整个试验过程中，水头保持不变，试验装置如图
用量筒和秒表测出某一时刻t内流经试样的水量Q，即可求出流过土体的流量，再根据达西定律求解k
（3-11）
Δh
变水头法－粘性土
粘性土，渗透系数小，流经水量少
变水头法在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的
a-细玻璃管截面积 A-土样截面积

（3-14）

影响渗透系数的因素很多，诸如土的种类、级配、孔隙比及水的温度等。
(自学)
课堂练****题
设变水头试验时，黏土试样的截面积为A＝30cm2，厚度为L＝4cm；渗透仪玻璃管的内径为d＝，试验开始时，水位差为h1＝160 cm，经时段7min 25s后，观测得到水头差为h2＝145 cm，试求试样的渗透系数。
解：
已知面积A＝30 cm2。渗径长度L＝4cm，玻璃管的内径截面积为a= 。
h1＝160 cm，h2＝145 cm，
t1＝0，t2＝7×60+25＝445s。
§ 土中二维渗流和流网
二维渗流方程
一维渗流可用达西定律进行计算，而实际工程中，渗流是二维或三维的，这时达西定律需用微分形式表达，然后根据边界条件求解。
当渗流场中水头及流速等渗流要素不随时间改变时，这种渗流称为稳定渗流。
稳定渗流场中的二维渗流方程称为拉普拉斯方程（3-26），引进边界条件可求解。（自学）
求解方法有多种，常用的为图解法——绘制流网
流网特征与绘制
流网是两组彼此正交的曲线，一组称为等势线（各点水头相等），另一组称为流线（表示渗流的方向），等势线和流线交织在一起形成的网格叫流网
典型流网分析
接近坝底，流线密集，水力梯度大，渗透速度大
远离坝底，流线稀疏，水力梯度小，渗透速度小
流槽
正交
流网特征
流线与等势线彼此正交
相邻等势线间的水头损失相等
各流槽的渗流量相等
§ 渗透破坏与控制
渗流
土体内部应力状态变化
土体的局部稳定问题
土体的整体稳定问题
管涌、流土等
水库塌岸
岸坡、土坝倒塌
渗流力
水在土中流动
能量消耗
力图拖曳土粒
水头损失
渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为渗流力
渗透力、动水压力
渗流力是一种体积力
-3 渗透变形