第2章土的滲透性

1、第二章 土的滲透性土顆粒土顆粒土中水土中水滲流滲流滲透滲透地下水在從水力坡降作用下穿過(guò)土體孔地下水在從水力坡降作用下穿過(guò)土體孔隙發(fā)生流動(dòng)的現(xiàn)象的現(xiàn)象隙發(fā)生流動(dòng)的現(xiàn)象的現(xiàn)象滲透性滲透性土體被水的性能稱(chēng)為土的滲透性土體被水的性能稱(chēng)為土的滲透性為什么土體具為什么土體具有滲透性？有滲透性？ 第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念 滲透性有強(qiáng)弱之分，無(wú)好壞之別。相鄰兩個(gè)水分子的運(yùn)動(dòng)軌跡相互平行而不混流相鄰兩個(gè)水分子的運(yùn)動(dòng)軌跡相互平行而不混流層流層流 滲流模型滲流模型假定：假定：1.1.不考慮滲流路徑不考慮滲流路徑的迂回曲折，只考的迂回曲折，只考慮主流方向；慮主流方向；2.2.不考慮土體中顆不考慮土體中顆粒的影響

2、，認(rèn)為孔粒的影響，認(rèn)為孔隙與顆粒所占的空隙與顆粒所占的空間均為滲流所填充。間均為滲流所填充。 a) a) 實(shí)際的滲流土體實(shí)際的滲流土體 滲流模型滲流模型 b) b) 理想的滲流模型理想的滲流模型 （一）達(dá)西定律（一）達(dá)西定律滿(mǎn)足條件：滿(mǎn)足條件：1.1.同一過(guò)水截面，模同一過(guò)水截面，模型滲流流量等于真實(shí)型滲流流量等于真實(shí)滲流流量滲流流量；2.2.任意任意過(guò)水截面過(guò)水截面上模上模型滲流壓力等于真實(shí)型滲流壓力等于真實(shí)滲流壓力；滲流壓力；3.3.相同體積內(nèi)模型滲相同體積內(nèi)模型滲流所受到的阻力與真流所受到的阻力與真實(shí)滲流所受到的阻力實(shí)滲流所受到的阻力相等。相等。過(guò)水截面過(guò)水截面( (過(guò)水界面）過(guò)水界面）

3、 水在飽和土體中滲流時(shí)，在垂直于滲流方向取水在飽和土體中滲流時(shí)，在垂直于滲流方向取一個(gè)土體截面。一個(gè)土體截面。 滲流模型滲流模型AtQv/tQq/Aqv/假定在時(shí)間假定在時(shí)間t t內(nèi)滲流通過(guò)過(guò)水內(nèi)滲流通過(guò)過(guò)水截面（面積為截面（面積為A A）的滲流量為）的滲流量為Q Q，滲透速度滲透速度表達(dá)式為：表達(dá)式為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的滲流量為單位時(shí)間內(nèi)的滲流量為(cm(cm3 3/s)/s)：滲透速度可表達(dá)為滲透速度可表達(dá)為 (cm/s)(cm/s) ：nvvnAAAvvAqrrrr實(shí)際平均速度實(shí)際平均速度與假想平均流與假想平均流速的關(guān)系速的關(guān)系 滲透速度滲透速度wBBBuzh A A點(diǎn)總水頭：點(diǎn)總水頭：ABL

4、hAhBzAwAu wBu zBh h基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面水力梯度線水力梯度線wAAAuzh B B點(diǎn)總水頭：點(diǎn)總水頭： 二點(diǎn)總水頭差反映了兩二點(diǎn)總水頭差反映了兩點(diǎn)間水流由于摩阻力造點(diǎn)間水流由于摩阻力造成的能量損失。成的能量損失。BAhhh 水力梯度（坡降）水力梯度（坡降）：?jiǎn)挝粷B透長(zhǎng)度上的水頭損失。：?jiǎn)挝粷B透長(zhǎng)度上的水頭損失。Lhi 水力梯度水力梯度 裝置中裝置中2 2是面積為是面積為A A的直立圓筒，的直立圓筒，其側(cè)壁裝有兩支相距為其側(cè)壁裝有兩支相距為L(zhǎng) L 的測(cè)壓管。的測(cè)壓管。多孔濾板多孔濾板3 3下部放碎石，上部放顆粒下部放碎石，上部放顆粒均勻的砂土樣。水由上端注入圓筒，均勻的砂土樣。水由上端

5、注入圓筒，多余的水從溢水管多余的水從溢水管4 4溢出，使筒內(nèi)的溢出，使筒內(nèi)的水位維持恒定。滲透過(guò)砂層的水從出水位維持恒定。滲透過(guò)砂層的水從出水管水管5 5流入量杯流入量杯6 6中，并以此來(lái)計(jì)算滲中，并以此來(lái)計(jì)算滲流量流量Q Q。 單位時(shí)間內(nèi)的滲出水量單位時(shí)間內(nèi)的滲出水量q q與與水力梯度和圓筒斷面積成正比，水力梯度和圓筒斷面積成正比，且與土的透水性質(zhì)有關(guān)。且與土的透水性質(zhì)有關(guān)。達(dá)西定律：達(dá)西定律： 達(dá)西滲透試驗(yàn)裝置示意圖達(dá)西滲透試驗(yàn)裝置示意圖vk i結(jié)論：結(jié)論：kiAq 0 00 0反映土的滲透反映土的滲透性強(qiáng)弱的指標(biāo)性強(qiáng)弱的指標(biāo)稱(chēng)為稱(chēng)為滲透系數(shù)滲透系數(shù)（cm/scm/s）ha ab bh2h

6、1Aqv/LhAq3 3 達(dá)西定律達(dá)西定律砂土砂土密實(shí)黏土密實(shí)黏土起始水起始水力梯度力梯度 滲透速度與水力梯度的關(guān)系滲透速度與水力梯度的關(guān)系礫類(lèi)土礫類(lèi)土ikv達(dá)西定律適用于層流，不適用于紊流達(dá)西定律適用于層流，不適用于紊流（二）達(dá)西定律的適用范圍（二）達(dá)西定律的適用范圍 實(shí)際工程：借用達(dá)西定律，定量計(jì)算，定性分析第三節(jié) 滲透系數(shù)及其確定方法 一、滲透試驗(yàn) 1. 常水頭試驗(yàn) 試驗(yàn)為人工制備 A、L已知 試驗(yàn)中保持常水頭 測(cè)出時(shí)間t內(nèi)的 流量Q （cm/s)、（m/d）AtLhkkiAtqtQhtALQk2.變水頭試驗(yàn) 粘性土，k很小，常規(guī)試驗(yàn)，時(shí)間很長(zhǎng) 常規(guī)試樣，L=5cm,A=30c,i=10

7、 Q=50ml,k=10-6cm/s時(shí)， 需時(shí)167000s1.93天 晝夜溫差不同，k就不同 大氣蒸發(fā)會(huì)引起誤差 任一時(shí)間t，水頭差為h， 經(jīng)過(guò)dt時(shí)段，水位降落dh， dt時(shí)段的滲流量dQ=-adh 水力坡降i=h/L 達(dá)西定律： dQ=kiAdtkAhaLdhdt兩邊積分，從試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)（對(duì)應(yīng)水頭高）到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)（對(duì)應(yīng)水頭高）試驗(yàn)時(shí)水力坡降一般為，所以總能測(cè)出，實(shí)際工程中為或更小，可能小于粘土起始水力坡降。2112ln)(hhttAaLk 二、影響滲透系數(shù)的因素 土粒大小與級(jí)配 粒徑大，滲透系數(shù)大， 級(jí)配好，滲透系數(shù)小2101dck 土的孔隙比 孔隙比大，滲透系數(shù)大 水的溫度 水溫高，動(dòng)力

8、粘滯系數(shù)h小，大 土中封閉氣體含量 封閉氣體多，對(duì)滲流通道阻滯，滲透系數(shù)小hwseesck1322 各影響因素的關(guān)系：不在同一數(shù)量級(jí)上， 粒徑級(jí)配孔隙比水溫 封閉氣體 粘性土，大，小 砂土，小，大 不同溫度測(cè)得的滲透系數(shù)，換算處的進(jìn)行對(duì)比TwTTckh32020320hwckTwTTwkk202020hh三、成層土的滲透性 平行于土層方向各土層厚度為 滲透系數(shù)為 兩端作用相同水力 坡降，.21qqqx.2211iHkiHkiHkx.)(22111HkHkkHx 垂直于土層方向 各土層流量相同 各土層過(guò)水面積相同 總水頭損失等于 各土層水頭損失之和.21qqqy.2211AikAikAiky.2

9、211iHiHHi.12211iHiHHi.221111kHkHHiikky 結(jié)論： 平行于土層方向的滲透系數(shù)決定于最透水一層。 垂直于土層方向的滲透系數(shù)決定于最不透水一層。 土層水平沉積，土壩一層層填筑，每一層均有 統(tǒng)計(jì)綜合滲透系數(shù)kx、ky時(shí)，不可分方向簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì) 應(yīng)按理論分析確定 一般： kx810kyiyxikk第四節(jié) 滲流作用下土的有效應(yīng)力 一、靜水條件下 z深度處a截面 總重量 總應(yīng)力 a點(diǎn)處孔隙水壓力 a截面土粒接觸點(diǎn)面積 很小，忽略不計(jì)AzzWwsathzAWwsatzhuw a截面上總水壓力為： a截面上由固體土粒傳遞的力為： 定義：?jiǎn)挝煌馏w面積上由固體土粒傳遞的力稱(chēng)為土的有效

10、應(yīng)力。 kPaAhzUwAzzAAhzAzzUWWwsatwwsat zAW 有效應(yīng)力原理：土中總應(yīng)力等于有效應(yīng)力與孔隙水壓力之和，稱(chēng)為有效應(yīng)力原理。 孔隙水壓力各向相等，稱(chēng)為中性壓力，只有有效應(yīng)力影響土的性質(zhì) zzzhhzuwsatwwsatuu 二、滲流作用下土的有效應(yīng)力 1. 向下滲流 2-2剖面上： 結(jié)論:向下滲流，土中 有效應(yīng)力增加21hhsatwwhhhu21hhhhuwwwsat 22 2.向上滲流 2-2剖面上： 結(jié)論:向上滲流，土中 有效應(yīng)力減小21hhsatwwhhhu21hhhhuwwwsat 223. 滲透力 發(fā)生滲透后，引起水頭損失h， A、B兩處由于滲透減少的水壓力

11、為 土體阻滯滲流使力 減小了U,即水對(duì)土體 作用力為U,該力作用 在體積V=L*A 的土體 上，稱(chēng)為總滲透力ABLhAhBzAwAu wBu zBh h基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面水力梯度線水力梯度線hAUwhAJw 帶著體積無(wú)法對(duì)比，換算成單位體積上的力。 定義：滲流作用于單位體積土體是的力稱(chēng)為滲透力。 wwiALhAALJj3/mkNn 流土：流土：在在向上向上的滲透作用下，表層局部范圍內(nèi)的土體或顆的滲透作用下，表層局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時(shí)發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象。任何類(lèi)型的土，只要水力坡粒群同時(shí)發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象。任何類(lèi)型的土，只要水力坡降達(dá)到一定的大小，都可發(fā)生流土破壞。降達(dá)到一定的大小，都可發(fā)生流

12、土破壞。黏性土黏性土k1k2砂性土砂性土k2壩體壩體滲流滲流crii F 原因：原因：臨界水力梯度臨界水力梯度 第五節(jié)第五節(jié) 滲透變形滲透變形wcri壩體壩體n 管涌：管涌：是指在滲流作用下，土體中的細(xì)顆粒在粗顆粒形是指在滲流作用下，土體中的細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙道中發(fā)生移動(dòng)并被帶走的現(xiàn)象。成的孔隙道中發(fā)生移動(dòng)并被帶走的現(xiàn)象。 滲流滲流過(guò)程演示過(guò)程演示1 1. 在滲透水流作用下，在滲透水流作用下，細(xì)顆粒在粗顆粒形成細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動(dòng)流失的孔隙中移動(dòng)流失2. 孔隙不斷擴(kuò)大，滲流孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度不斷增加，較粗速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶走顆粒也相繼被水帶走3. 形成貫穿的

13、滲流通道，形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷造成土體塌陷管涌現(xiàn)象管涌現(xiàn)象壩體壩體壩體壩體 流土的臨界水力坡降 向上滲流： 當(dāng)有效應(yīng)力減小到0時(shí)，發(fā)生流土 icr在0.81.2之間 允許水力坡降： 實(shí)際的i大于i，即判別為會(huì)發(fā)生流土（安全儲(chǔ)備不夠）hhhhuwwwsat 2202 hhwcrwihh2eGicr11 5.22crii 管涌的臨界水力坡降： 實(shí)際工程中，管涌允許水力坡降根據(jù)規(guī)范確定342nkdicr 流土現(xiàn)象防治措施流土現(xiàn)象防治措施、減小或消除水頭差；、減小或消除水頭差；、增加滲流路徑；、增加滲流路徑；、在向上的流出口處地表用透水材料覆蓋以平衡滲透力；、在向上的流出口處地表用透水材料

14、覆蓋以平衡滲透力；、土層加固處理，如凍結(jié)法、注漿法等、土層加固處理，如凍結(jié)法、注漿法等。 滲透變形的防治措施滲透變形的防治措施 管涌現(xiàn)象的防治管涌現(xiàn)象的防治黏性土（分散性土例外）屬于非管涌土；無(wú)黏性土中發(fā)生管黏性土（分散性土例外）屬于非管涌土；無(wú)黏性土中發(fā)生管涌必須具備相應(yīng)的涌必須具備相應(yīng)的幾何條件幾何條件和和水力條件水力條件 改善幾何條件：設(shè)反濾層等改善幾何條件：設(shè)反濾層等 改善水力條件：減小滲透坡降改善水力條件：減小滲透坡降 工程中的管涌治理： 堵前導(dǎo)后 發(fā)生管涌，一定是已形成導(dǎo)水通道，千萬(wàn)不能堵出流口。出流口被堵可能會(huì)演變成流土。 -出口處反濾，用潛水員找進(jìn)水口，堵塞。壩體壩體n 管涌：管涌：是指在滲流作用下，土體中的細(xì)顆粒在粗顆粒形是指在滲流作用下，土體中的