土力學(xué)_李廣信_土的滲透性

1、1 2 土的滲透性和滲流問題 第二章 作業(yè) 2-1，2-3 2-4（B在A、C正中間） 2-5，2-7 提醒：請盡快交第一章作業(yè)提醒：請盡快交第一章作業(yè) 3 本章特點本章特點 學(xué)習(xí)要點學(xué)習(xí)要點 主要難點主要難點 有較嚴(yán)格的理論（水流的一般規(guī)律）有較嚴(yán)格的理論（水流的一般規(guī)律） 有經(jīng)驗性規(guī)律（散粒體多孔介質(zhì)特性）有經(jīng)驗性規(guī)律（散粒體多孔介質(zhì)特性） 注重對物理概念和意義的深入理解注重對物理概念和意義的深入理解 注意土是散粒體（多孔介質(zhì)）這一特點注意土是散粒體（多孔介質(zhì)）這一特點 水頭及水力坡降水頭及水力坡降 二維流網(wǎng)及其應(yīng)用二維流網(wǎng)及其應(yīng)用 滲透力及其分析方法滲透力及其分析方法 2 土的滲透性和滲

2、流問題 4 2 土的滲透性和滲流問題 碎散性碎散性多孔介質(zhì)多孔介質(zhì) 三相體系三相體系 孔隙流體流動孔隙流體流動 滲流滲流 水、氣等流體在土體等多孔介質(zhì)水、氣等流體在土體等多孔介質(zhì) 的孔隙中流動的現(xiàn)象的孔隙中流動的現(xiàn)象 滲透性滲透性 土體等多孔介質(zhì)具有被水、氣等土體等多孔介質(zhì)具有被水、氣等 流體透過的性質(zhì)流體透過的性質(zhì) 滲透特性滲透特性 強(qiáng)度特性強(qiáng)度特性 變形特性變形特性 非飽和土的滲透性非飽和土的滲透性 飽和土的滲透性飽和土的滲透性 概述概述 能量差能量差 土顆粒土顆粒土中水土中水 滲流滲流 5 概述 滲流量 滲透變形 土石壩土石壩 防滲斜墻及鋪蓋防滲斜墻及鋪蓋 浸潤線浸潤線 透水層透水層 不

3、透水層不透水層 土石壩壩基壩身滲流 2 土的滲透性和滲流問題 6 滲水壓力 揚壓力 滲流量 滲透變形 透水層透水層 不透水層不透水層 基坑基坑 板樁墻板樁墻 板樁圍護(hù)下的基坑滲流 概述2 土的滲透性和滲流問題 7 滲流量 透水層透水層 不透水層不透水層 天然水面天然水面 水井滲流 漏斗狀潛水面漏斗狀潛水面 Q 概述2 土的滲透性和滲流問題 8 滲流量 原地下水位原地下水位 滲流時地下水位滲流時地下水位 渠道滲流 概述2 土的滲透性和滲流問題 水位 9 滲流滑坡 滲流滑坡 概述2 土的滲透性和滲流問題 10 滲流 量 滲透變 形 滲水壓 力 滲流滑 坡 土的滲透性及滲流規(guī)律土的滲透性及滲流規(guī)律

4、二維滲流及流網(wǎng)二維滲流及流網(wǎng) 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 揚壓 力 土坡穩(wěn)定分析土坡穩(wěn)定分析 擋水建筑物 集水建筑物 引水結(jié)構(gòu)物 基坑等地下施工 多雨地區(qū)邊坡 概述2 土的滲透性和滲流問題 水位 11 2.1 土的滲透性與滲流規(guī)律 一滲流中的水頭與水力坡降一滲流中的水頭與水力坡降 二滲透試驗與達(dá)西定律二滲透試驗與達(dá)西定律 三滲透系數(shù)的測定及影響因素三滲透系數(shù)的測定及影響因素 四層狀地基的等效滲透系數(shù)四層狀地基的等效滲透系數(shù) 2 土的滲透性和滲流問題 12 A B L 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 透水層透水層 不透水層不透水層 基坑基坑 板樁墻板樁墻 2 土的滲透

5、性和滲流問題 一滲流中的水頭與水力坡降一滲流中的水頭與水力坡降 13 A B L 一滲流中的水頭與水力坡降 h1 h2 zA w A u w B u zB h h 00 基準(zhǔn)基準(zhǔn) 面面 水力坡降線水力坡降線 g2 vu zh 2 w w A A1 u zh w B B2 u zh 12 hhh w u zh L h i 總水頭總水頭單位重量水體所具有的能量 z：位置水頭：位置水頭 u/u/w w：壓力水頭：壓力水頭 V2/(2g)：流速水頭流速水頭00 A點總水頭：點總水頭：B點總水頭：點總水頭： 總水頭：總水頭： 水力坡降：水力坡降： 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2

6、 土的滲透性和滲流問題 水頭差：水頭差： 測管水頭測管水頭 14 二二. . 滲透試驗與滲透試驗與達(dá)西定律達(dá)西定律 試驗前提試驗前提：層流層流 h，Q A，Q L， Q L h AQ 斷面平均流速斷面平均流速 水力坡降水力坡降 A Q v L h i iv 1.1.滲透試驗滲透試驗 試驗結(jié)果試驗結(jié)果 試驗裝置：試驗裝置：如圖如圖 試驗條件試驗條件: : h1，A，L=const 量測變量量測變量: : h2，V，T h=h1-h2Q=V/T 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2 土的滲透性和滲流問題 15 2.2.達(dá)西定律達(dá)西定律 vk i s v vv n 滲透定 律 在

7、層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降與水力坡降i 的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。 二. 滲透試驗與達(dá)西定律 vi 注意：注意： A Av v A n A v：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度 vs：實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度 A Av QvA vsAv k: : 反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù) 物理意義：物理意義：水力坡降水力坡降i1 1時的滲流速度時的滲流速度 單位：單位

8、：mm/s, cm/s, m/s, m/day 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2 土的滲透性和滲流問題 16 2. 2. 達(dá)西定律達(dá)西定律 適用條件：適用條件： 層流（線性流）層流（線性流） 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2 土的滲透性和滲流問題 二. 滲透試驗與達(dá)西定律 巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問 題，包括砂土或一般粘土，均題，包括砂土或一般粘土，均 屬層流范圍屬層流范圍 在粗粒土孔隙中，水流形態(tài)可在粗粒土孔隙中，水流形態(tài)可 能會隨流速增大呈紊流狀態(tài)，能會隨流速增大呈紊流狀態(tài)， 滲流不再服從達(dá)西定律。滲流不再服從達(dá)西定

9、律。 可用雷諾數(shù)可用雷諾數(shù)Re進(jìn)行判斷：進(jìn)行判斷： Re5時層流時層流 Re 200時紊流時紊流 200 Re 5時為過渡區(qū)時為過渡區(qū) 10 e v d R 17 2. 2. 達(dá)西定律達(dá)西定律 （1）粗粒土：）粗粒土： 礫石類土中的滲流常不符合達(dá)西定律礫石類土中的滲流常不符合達(dá)西定律 砂土中滲透速度砂土中滲透速度 vcr=0.3-0.5cm/s i v o vcr i v o i0 兩種特例：兩種特例： （2）粘性土：）粘性土： 致密的粘土致密的粘土 i i0, v = k(i - i0 ) (1) m vki m 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2 土的滲透性和滲流問題

10、 二. 滲透試驗與達(dá)西定律 18 三三. . 滲透系數(shù)的測定及影響因素滲透系數(shù)的測定及影響因素 室內(nèi)試驗測定方室內(nèi)試驗測定方 法法 野外試驗測定方野外試驗測定方 法法 常水頭試驗法常水頭試驗法 變水頭試驗法變水頭試驗法 井孔抽水試驗井孔抽水試驗 井孔注水試驗井孔注水試驗 1. 1. 測定方法測定方法 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2 土的滲透性和滲流問題 19 室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗方法1 1常水頭試驗法常水頭試驗法 三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 1. 1. 測定方法測定方法 結(jié)果整理結(jié)果整理 試驗裝置：試驗裝置：如圖如圖 試驗條件試驗條件: : h，A，L=const

11、 量測變量量測變量: : V，t i=h/L V=Qt=vAt v=ki htA VL k 適用土類：適用土類：透水性較大的砂性土透水性較大的砂性土 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2 土的滲透性和滲流問題 h L 土樣土樣 A V Q 室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗方法2 2變水頭試驗法變水頭試驗法 透水性較小的粘性土? 20 三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 1. 1. 測定方法測定方法 室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗方法2 2變水頭試驗法變水頭試驗法 試驗裝置：試驗裝置：如圖如圖 試驗條件試驗條件: : h變化變化，A、L=const 量測變量量測變量: : h ，t 2.12.1土的滲

12、透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2 土的滲透性和滲流問題 土樣土樣 A t=t1 h1 t=t2 h2 L Q 水頭水頭 測管測管 開關(guān)開關(guān) a 21 三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 1. 1. 測定方法測定方法 室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗方法2 2變水頭試驗法變水頭試驗法 結(jié)果整理結(jié)果整理: : 理論依據(jù)理論依據(jù): : t時刻：時刻： h dt dh dVe= - adh dVo=kiAdt=k (h/L)Adt dVe=dVo 流入量流入量： 流出量：流出量： 連續(xù)性條件：連續(xù)性條件： -adh =k (h/L)Adt h dh kA aL dt 2 1 th 0h aLdh d kAh 2

13、 1 h h ln kA aL t 2 1 h h ln At aL k 選擇幾組選擇幾組h1, h2, t ，計算相應(yīng)的，計算相應(yīng)的k，取平均值，取平均值 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2 土的滲透性和滲流問題 土樣土樣 A t=t1 h1 t=t2 h2 L Q 水頭水頭 測管測管 開關(guān)開關(guān) a h dh t t+dt 22 野外測定方法野外測定方法抽水試驗和注水試驗法抽水試驗和注水試驗法 優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可 靠的平均滲透系數(shù)靠的平均滲透系數(shù) 1. 1. 測定方法測定方法三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 地下水位地下水位測壓管水面測壓管水面

14、井井 抽水量抽水量Q Q r1 r r2 dh dr h1 h h2 不透水層不透水層 觀察井觀察井 A=2rhi=dh/dr dr dh krh2AkiQ khdh2 r dr Q )hh(k r r lnQ 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2 12 hh )r/rln(Q k 缺點：費用較高，耗時較長缺點：費用較高，耗時較長 實驗方法：實驗方法： 理論依據(jù)：理論依據(jù)： 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2 土的滲透性和滲流問題 積分積分 23 2.影響因素 粒徑大小及級配粒徑大小及級配 孔隙比孔隙比 礦物成分礦物成分 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) kf() 土土粒粒特特性性、流流體體特

15、特性性 三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 飽和度（含氣量）飽和度（含氣量） 水的動力粘滯系數(shù)水的動力粘滯系數(shù) 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2 土的滲透性和滲流問題 24 2.2.影響因素影響因素 三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2 土的滲透性和滲流問題 粒徑大小及級配：粒徑大小及級配：是土中孔隙直徑大小的主要影響因素；因由粗顆粒形是土中孔隙直徑大小的主要影響因素；因由粗顆粒形 成的大孔隙可被細(xì)顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細(xì)顆粒所控制。成的大孔隙可被細(xì)顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細(xì)顆粒所控制。 （1）土粒特性的

16、影響）土粒特性的影響 孔隙比：孔隙比：是單位土體中孔隙體積的直接度量；對于砂性土，滲透系數(shù)是單位土體中孔隙體積的直接度量；對于砂性土，滲透系數(shù)k 一般隨孔隙比一般隨孔隙比e增大而增大。增大而增大。 礦物成分：礦物成分：對粘性土，影響顆粒的表面力；不同粘土礦物之間滲透系對粘性土，影響顆粒的表面力；不同粘土礦物之間滲透系 數(shù)相差極大，其滲透性大小的次序為高嶺石數(shù)相差極大，其滲透性大小的次序為高嶺石伊里石伊里石蒙脫石；塑性指蒙脫石；塑性指 數(shù)數(shù)Ip綜合反映土的顆粒大小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的參數(shù)。綜合反映土的顆粒大小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的參數(shù)。 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：影響孔隙的構(gòu)成和方向性，對粘性土影響

17、更大；在宏觀構(gòu)造上，影響孔隙的構(gòu)成和方向性，對粘性土影響更大；在宏觀構(gòu)造上， 天然沉積層狀粘性土層，常使得天然沉積層狀粘性土層，常使得 k水平 水平 k垂直 垂直；在微觀結(jié)構(gòu)上，當(dāng)孔隙 ；在微觀結(jié)構(gòu)上，當(dāng)孔隙 比相同時，凝聚結(jié)構(gòu)將比分散結(jié)構(gòu)具有更大的透水性。比相同時，凝聚結(jié)構(gòu)將比分散結(jié)構(gòu)具有更大的透水性。 25 飽和度飽和度 s sr r(%)(%) 滲透系數(shù)滲透系數(shù)k(10k(10-3 -3cm/s) cm/s) 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 80 90 10080 90 100 飽和度的影響飽和度的影響 流體粘滯性的影響流體粘滯性的影響 溫度高溫度高 粘滯性低粘滯

18、性低 滲透系數(shù)大滲透系數(shù)大 封閉氣泡對封閉氣泡對k影響很大，可影響很大，可 減少有效滲透面積，還可減少有效滲透面積，還可 以堵塞孔隙的通道以堵塞孔隙的通道 2.2.影響因素影響因素 三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2 土的滲透性和滲流問題 （2）流體特性的影響）流體特性的影響 26 四四. .層狀地基的等效滲透系數(shù)層狀地基的等效滲透系數(shù) 等效滲透系數(shù) 確立各層的確立各層的km 考慮滲流方向考慮滲流方向 天然土層多呈層狀天然土層多呈層狀 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2 土的滲透性和滲流問題 27 H1 H2 H3 H

19、 h k1 k2 k3 x zq1x q3x q2x L 四.層狀地基的等效滲透系數(shù) 1 1 2 2 不透水層不透水層 水平滲流水平滲流 條件條件: : m h ii L xmx qq m HH 等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù): : qx=vxH=kxiH qmx=kmimHm m xmmm H1 kH kk HH 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2 土的滲透性和滲流問題 28 H1 H2 H3 H h k1 k2 k3 x z 四.層狀地基的等效滲透系數(shù) 豎直滲流豎直滲流: v 承壓水承壓水 條件條件: m vv m hh m HH 等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù): : m m m

20、 vH h k z k vH h m zm vHvH kk z m m H k H k m zm H11 kH k 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2 土的滲透性和滲流問題 m mm m h vk H 29 算例算例 day/m100k,m0 . 1H day/m1k,m0 . 1H day/m01. 0k,m0 . 1H 33 22 11 按層厚加權(quán)平均，由較大值控制按層厚加權(quán)平均，由較大值控制 倒數(shù)按層厚加權(quán)平均，由較小值控制倒數(shù)按層厚加權(quán)平均，由較小值控制 day/m67.33 H Hk k ii x day/m03. 0 k H H k i i z 四.層狀地基的

21、等效滲透系數(shù) 2.12.1土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 2 土的滲透性和滲流問題 30 2.1 2.1 土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 第二章 土的滲透性和滲流問題 2.2 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2.3 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 31 2.2 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) z x z v x v dx x v v x x dz z v v z z hh恒定恒定穩(wěn)定滲流穩(wěn)定滲流 h=h(x,z), v=v(x,z) 對單寬對單寬dy=1，取一微小單元，取一微小單元dx, dz 與時間無關(guān)與時間無關(guān) 2 土的滲透性和滲流問題 x z 3

22、2 Laplace方程方程 （基本方程）（基本方程） 連續(xù)性條件連續(xù)性條件 達(dá)西定律達(dá)西定律 流線方程流線方程 假定假定kx=kz 2 土的滲透性和滲流問題 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 流線描述流線描述 水頭描述水頭描述 勢函數(shù)的勢函數(shù)的 基本方程基本方程 流函數(shù)的流函數(shù)的 基本方程基本方程 勢函數(shù)勢函數(shù) 流函數(shù)流函數(shù) 共軛調(diào)和，等值線正交共軛調(diào)和，等值線正交 求解（流網(wǎng)）求解（流網(wǎng)） 邊界條件邊界條件 基本要求基本要求 繪制方法繪制方法 主要特點主要特點 實際應(yīng)用實際應(yīng)用 33 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) z x z v x v dx x v v x x dz z v v

23、 z z 0 z v x v zx 連續(xù)性條件連續(xù)性條件 dxvdzvdq zxe dx)dz z v v(dz)dx x v v(dq z z x xo oe dqdq 2 土的滲透性和滲流問題 一一. . 平面滲流的基本方程及求解平面滲流的基本方程及求解 1. 基本方程基本方程 水頭描述水頭描述 34 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 0 z v x v zx z h kv; x h kv zzxx 連續(xù)性條件連續(xù)性條件 達(dá)西定律達(dá)西定律 0 z h x h 2 2 2 2 0 z h k x h k 2 2 z 2 2 x Laplace方程方程 描述滲流場內(nèi)部的測管水頭描述滲流場內(nèi)

24、部的測管水頭 的分布，是平面穩(wěn)定滲流的的分布，是平面穩(wěn)定滲流的 基本方程式之一基本方程式之一 2 土的滲透性和滲流問題 假定假定 kx=kz 水頭描述水頭描述 22 22 0 xz h：勢函數(shù)：勢函數(shù) 與滲透系數(shù)無關(guān)、與滲透系數(shù)無關(guān)、 等價于水頭等價于水頭 一. 平面滲流的基本方程及求解 1. 1. 基本方程基本方程 35 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2 土的滲透性和滲流問題 1. 基本方程基本方程 流線描述流線描述 一. 平面滲流的基本方程及求解 22 22 0 xz x z +d dq l 同一條流線上，流函數(shù)的值為常數(shù)，流線不能相交同一條流線上，流函數(shù)的值為常數(shù)，流線不能相交

25、l 兩條流線流函數(shù)的差值等于其間通過的流量兩條流線流函數(shù)的差值等于其間通過的流量 v vx x v vz z dzdz - -dxdx (x,z) 流線與流速的關(guān)流線與流速的關(guān) 系系 連續(xù)性條件連續(xù)性條件 全微分存在的條全微分存在的條 件件 36 0 z h x h 2 2 2 2 22 22 ff 0 xz 22 22 0 xz 22 22 0 xz 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2 土的滲透性和滲流問題 一. 平面滲流的基本方程及求解 流線描述流線描述1. 1. 基本方程基本方程 Laplace方程方程 1 1）勢函數(shù)和流函數(shù)均滿足拉普拉斯方程）勢函數(shù)和流函數(shù)均滿足拉普拉斯方程 2

26、 2）勢函數(shù)等值線和流函數(shù)）勢函數(shù)等值線和流函數(shù)等值線等值線正交，任一點兩線的斜率互成負(fù)倒數(shù)正交，任一點兩線的斜率互成負(fù)倒數(shù) 3 3）勢函數(shù)和流函數(shù)為共軛調(diào)和函數(shù)，兩者完備地描述了一滲流場）勢函數(shù)和流函數(shù)為共軛調(diào)和函數(shù)，兩者完備地描述了一滲流場 +d +d b a 37 一. 平面滲流的基本方程及求解 2. 求解方法求解方法 確定滲流場內(nèi)各點的確定滲流場內(nèi)各點的 測管水頭測管水頭h h的分布的分布 基本方程基本方程 邊界條件邊界條件 定解條件定解條件 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2 土的滲透性和滲流問題 其它各量其它各量 38 一. 平面滲流的基本方程及求解 2. 2. 求解方法求解

27、方法 邊界條件邊界條件 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2 土的滲透性和滲流問題 透水層透水層 不透水層不透水層 基坑基坑 板樁墻板樁墻 水頭邊界條件：水頭邊界條件：首尾等水頭線首尾等水頭線1 2 流速邊界條件：流速邊界條件：邊界流線邊界流線 3 其它邊界條件：其它邊界條件：滲出面、滲出面、自由水面自由水面 1 1 2 2 39 一. 平面滲流的基本方程及求解 2. 2. 求解方法求解方法 解析方法解析方法 試驗比擬方法試驗比擬方法 （電比擬方法）（電比擬方法） 數(shù)值方法數(shù)值方法 圖解法圖解法 流網(wǎng)流網(wǎng)近似求解方法近似求解方法 適用于邊界條件簡單的情況適用于邊界條件簡單的情況 通解：兩個

28、共軛調(diào)和函數(shù)通解：兩個共軛調(diào)和函數(shù) 勢函數(shù)勢函數(shù)( (x,zx,z) ) 流函數(shù)流函數(shù)( (x,zx,z) ) 等勢線等勢線 流線流線 相互正交相互正交 邊界條件邊界條件 特定解特定解 差分法、有限元方法，精度高，應(yīng)用愈來愈廣泛差分法、有限元方法，精度高，應(yīng)用愈來愈廣泛 利用滲流場和電場均服從利用滲流場和電場均服從Laplace方程這一特點，按一定比例制作方程這一特點，按一定比例制作 模型，用電場中的等勢線和流線來模擬滲流場中的等勢線和流線，以模型，用電場中的等勢線和流線來模擬滲流場中的等勢線和流線，以 達(dá)到確定滲流場中滲流要素的目的。達(dá)到確定滲流場中滲流要素的目的。 理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)： 解

29、析法的結(jié)果解析法的結(jié)果 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2 土的滲透性和滲流問題 40 二二. .流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 流流 網(wǎng)網(wǎng)滲流場中的兩族相互正交曲線滲流場中的兩族相互正交曲線等勢線和流線所形成的等勢線和流線所形成的 網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。 流流 線線水質(zhì)點運動的軌跡線。水質(zhì)點運動的軌跡線。 等勢線等勢線測管水頭相同的點之連線測管水頭相同的點之連線 。 流網(wǎng)法流網(wǎng)法通過繪制流線與勢線的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇來求解滲流問題。通過繪制流線與勢線的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇來求解滲流問題。 H h 0 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2 土的滲透性和滲流問題 41 基本要求基本要求 1.

30、 正交性：流線與等勢線（等水頭線）必須正交正交性：流線與等勢線（等水頭線）必須正交 二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 H h 0 l s l s 2. 等間隔流線與等間隔等勢線形成的流網(wǎng)中，各個網(wǎng)格等間隔流線與等間隔等勢線形成的流網(wǎng)中，各個網(wǎng)格 的長寬比的長寬比c應(yīng)為常數(shù)。取應(yīng)為常數(shù)。取c=1，即為曲邊正方形即為曲邊正方形 3. 在邊界上滿足流場邊界條件要求，保證解的唯一性。在邊界上滿足流場邊界條件要求，保證解的唯一性。 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2 土的滲透性和滲流問題 +d +d b a dvaa dvbb dhl c ds 通解通解 數(shù)學(xué)描述數(shù)學(xué)描述幾何表示幾何表示 42 A B C D

31、 l s H h h 00 l s 二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 繪制方法繪制方法 一個高精度的流網(wǎng)圖，需經(jīng)過一個高精度的流網(wǎng)圖，需經(jīng)過 多次的修改后才能完成。多次的修改后才能完成。 根據(jù)滲流場根據(jù)滲流場 的邊界條件的邊界條件 確定邊界流線確定邊界流線 和首尾等勢線和首尾等勢線 正交性正交性 曲邊正方形曲邊正方形 初步繪制流網(wǎng)初步繪制流網(wǎng)流線流線等勢線等勢線反復(fù)修改，調(diào)整反復(fù)修改，調(diào)整 精度較高的流網(wǎng)圖精度較高的流網(wǎng)圖 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2 土的滲透性和滲流問題 工具：工具：鉛筆橡皮鉛筆橡皮 43 主要特點主要特點 與上下游水位變化無關(guān)與上下游水位變化無關(guān) h=const； 與與k

32、無關(guān)；無關(guān)； 等勢線上各點測管水頭等勢線上各點測管水頭h相等。相等。 二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 H h 0 l s l s 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2 土的滲透性和滲流問題 44 測管水頭測管水頭 h 實際應(yīng)用實際應(yīng)用 l /Hi ）（ z hh ii ikv HMkMqq;Hks l H kq ii i i 確定孔壓確定孔壓 確定流速確定流速 確定流量確定流量 二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 水力坡降水力坡降 H h 0 l s l s 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2 土的滲透性和滲流問題 M: 流道數(shù)流道數(shù)H= h/N: 相鄰等勢線間的水頭損失相鄰等勢線間的水頭損失 45 Lap

33、lace方程方程 （基本方程）（基本方程） 連續(xù)性條件連續(xù)性條件 達(dá)西定律達(dá)西定律 假定假定kx=kz 流線方程流線方程 水頭描述水頭描述 勢函數(shù)勢函數(shù) 流線描述流線描述 流函數(shù)流函數(shù) 共軛、正交共軛、正交 理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ) 邊界條件邊界條件 小結(jié) 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2 土的滲透性和滲流問題 求解求解 平面滲流的基本方程及求平面滲流的基本方程及求 解解 流網(wǎng)的繪制及應(yīng)流網(wǎng)的繪制及應(yīng) 用用 實際應(yīng)用實際應(yīng)用 基本要求基本要求 主要特點主要特點 繪制方法繪制方法 46 作業(yè) 2-1 2-3 2-4（B在A、C正中間） 2-5 2-7 47 48 土的滲透性和滲流問題 第二章 作

34、業(yè) 2-1，2-3 2-4（B在A、C正中間） 2-5，2-7 提醒：提醒：本周末交第二章作業(yè)本周末交第二章作業(yè) 49 提示：10月23日習(xí)題討論課 范圍：第一、二章 內(nèi)容： 小測驗 習(xí)題討論 方法討論（三相草圖法、流網(wǎng)法等） 難點討論 其它討論 50 2.1 2.1 土的滲透性與滲流規(guī)律土的滲透性與滲流規(guī)律 第二章 土的滲透性和滲流問題 2.2 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2.3 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 51 2.3 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一一. 滲透力滲透力 1、試驗觀察 滲透變形滲透變形 滲透力滲透力 2 土的滲透性和滲流問題 二二. .滲

35、透變形（滲透破壞）滲透變形（滲透破壞） 2、物理本質(zhì) 3、計算方法 土水整體分析土水整體分析 土水隔離分析土水隔離分析 52 一一. . 滲透力滲透力 1、試驗觀察 hh=0 =0 靜水中，土骨架會受到浮力作用。靜水中，土骨架會受到浮力作用。 hh0 0 水在流動時，水流受到來自土骨架的阻力，同時流動的孔隙水對土骨水在流動時，水流受到來自土骨架的阻力，同時流動的孔隙水對土骨 架產(chǎn)生一個摩擦、拖曳力。架產(chǎn)生一個摩擦、拖曳力。 滲透力滲透力 j j 滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。 h1 h h2 00 hw L 土樣

36、土樣 濾網(wǎng)濾網(wǎng) 貯水器貯水器 a b 2 土的滲透性和滲流問題 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 53 一. 滲透力 h1 h h2 00 hw L 土樣土樣 濾網(wǎng)濾網(wǎng) 貯水器貯水器 a b 土土 粒粒 滲滲 流流 j 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 滲透力與浮力有何區(qū)別？滲透力與浮力有何區(qū)別？ 2、物理本質(zhì) 54 h2 00 hw L 土樣土樣 濾網(wǎng)濾網(wǎng) 貯水器貯水器 a b P2 W P1 R 靜水中的土體靜水中的土體 A=1 W = = Lsat sat L( + w) P1 = = whw P2 = = wh2 R = ? R + P2 =

37、W + P1 R + wh2 = L( + w) + whw R = L 土水整體分析土水整體分析 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 一. 滲透力 3、計算方法 55 h1 h h2 00 hw L 土樣土樣 濾網(wǎng)濾網(wǎng) 貯水器貯水器 a b P2 W P1 R 靜水中的土體靜水中的土體 A=1 W = = Lsat sat L( + w) P1 = = whw P2 = = wh1 R = ? R + P2 = W + P1 R + wh1 = L( + w) + whw R = L wh R = L 滲流中的土體滲流中的土體 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與

38、滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 一. 滲透力 土水整體分析土水整體分析3 3、計算方法、計算方法 56 h1 h h2 00 hw L 土樣土樣 濾網(wǎng)濾網(wǎng) 貯水器貯水器 a b P2 W P1 R 靜水中的土體靜水中的土體 A=1 R = L wh R = L 滲流中的土體滲流中的土體 向上滲流存在時，濾網(wǎng)支持力減少向上滲流存在時，濾網(wǎng)支持力減少 減少的部分由誰承擔(dān)？減少的部分由誰承擔(dān)？ 水與土之間的作用力滲流的拖曳力水與土之間的作用力滲流的拖曳力總滲透力總滲透力J = wh 滲透力滲透力 j = J/V = wh/L = wij = wi 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 土

39、的滲透性和滲流問題 一. 滲透力 土水整體分析土水整體分析3 3、計算方法、計算方法 57 h1 h h2 00 hw L 土樣土樣 濾網(wǎng)濾網(wǎng) 貯水器貯水器 a b P2 W P1 R A=1 R = L wh 滲流中的土體所受濾網(wǎng)支持力滲流中的土體所受濾網(wǎng)支持力 向上滲流存在時，濾網(wǎng)支持力減少向上滲流存在時，濾網(wǎng)支持力減少 臨界水力坡降臨界水力坡降 i = h/L = /w icr = /w L wh = 0 e1 )1G( ws e1 1G i s cr 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 一. 滲透力 土水整體分析土水整體分析3 3、計算方法、計算方法 5

40、8 P2 W P1 R h1 h h2 00 hw L 土樣土樣 濾網(wǎng)濾網(wǎng) 貯水器貯水器 a b A=1 P1+ Ww+ J = P2水體的平衡條件水體的平衡條件 j = wi whw+ wL + j L= wh1 W J Ww J = R + P2 P1 P1 = = whw P2 = = wh1 Ww= Vvw+ Vsw= Lw i L h L )Lhh( j w ww1w 土水隔離分析土水隔離分析 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 一. 滲透力3 3、計算方法、計算方法 59 滲透力的性質(zhì)滲透力的性質(zhì) 物理意義：物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流

41、的拖曳力，它是體積力單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力 j = wi大?。捍笮。?方向：方向：與與 i 方向一致（均質(zhì)土與方向一致（均質(zhì)土與滲流方向一致）滲流方向一致） 作用對象：作用對象：土骨架土骨架 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 一. 滲透力 60 利用流網(wǎng)求滲透力利用流網(wǎng)求滲透力 復(fù)雜條件 總滲透力總滲透力 大大 ?。盒。簀 網(wǎng)格面積網(wǎng)格面積 方方 向：向：與與i方向一致（均質(zhì)土：流線）方向一致（均質(zhì)土：流線） 作用點：作用點：形心形心 ij 流網(wǎng)較密處流網(wǎng)較密處i i較大，該處滲透力也大較大，該處滲透力也大 不同位置的滲透力對土體

42、穩(wěn)定性的影響不同不同位置的滲透力對土體穩(wěn)定性的影響不同 jAsljJ sHsljJ HH i; j ll H h 0 l s l s 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 一. 滲透力 61 基本類型基本類型 二二. .滲透變形（滲透破壞）滲透變形（滲透破壞） 流土流土 管涌管涌 土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞 形成條件形成條件 防治措施防治措施 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 62 粘性土粘性土k1k2 砂性土砂性土k2 壩體壩體 1.1. 基本類型基本類型 二.滲透變形（滲透破壞） 流土 在向上的滲透作用下，

43、表層局部土體顆粒同時發(fā)生懸浮移動的現(xiàn)象在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時發(fā)生懸浮移動的現(xiàn)象 cr ii0JW 1 1 s cr G i e 滲流滲流 原因：原因： 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 和土的密實程度有關(guān)和土的密實程度有關(guān) 63 1.1. 基本類型基本類型 管涌 原因：原因： 內(nèi)因內(nèi)因 有足夠多的粗顆粒形有足夠多的粗顆粒形 成大于細(xì)粒徑的孔隙通道成大于細(xì)粒徑的孔隙通道 外因外因滲透力足夠大滲透力足夠大 在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細(xì)小顆粒，通過較大顆在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細(xì)小顆粒，通過較大顆 粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終

44、在土中形成與地表貫通的管道。粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道。 管涌 管涌破壞 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 土的滲透性和滲流問題 二.滲透變形（滲透破壞） 64 1. 基本類型基本類型 流土與管涌的比較流土與管涌的比較 流土流土 土體局部范圍的顆粒同時發(fā)土體局部范圍的顆粒同時發(fā) 生移動生移動 管涌管涌 只發(fā)生在水流滲出的表層只發(fā)生在水流滲出的表層 只要滲透力足夠大，可只要滲透力足夠大，可 發(fā)生在任何土中發(fā)生在任何土中 破壞過程短破壞過程短 導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等 現(xiàn)象現(xiàn)象 位置位置 土類土類 歷時歷時 后果后果 土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的 孔隙通道移動孔隙通道移動 可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流 溢出處溢出處 一般發(fā)生在特定級配的無一般發(fā)生在特定級配