第2章土的滲透

1、第二章第二章 土的滲透性和滲流問題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板樁圍護(hù)下的基坑滲流板樁圍護(hù)下的基坑滲流滲流滑坡滲流滑坡滲流滑坡滲流滑坡滲流滲流量量滲透變滲透變形形滲水壓滲水壓力力滲流滑滲流滑坡坡土的滲透性及滲透規(guī)律土的滲透性及滲透規(guī)律二維滲流及流網(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(yáng)壓揚(yáng)壓力力土坡穩(wěn)定分析土坡穩(wěn)定分析擋水建筑物擋水建筑物 集水建筑物集水建筑物 引水結(jié)構(gòu)物引水結(jié)構(gòu)物 基坑等地下施工基坑等地下施工邊坡滲流邊坡滲流 2.1 2.1 土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(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

2、與達(dá)西定律二滲透試驗與達(dá)西定律能量方程能量方程滲流速度的規(guī)律滲流速度的規(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A(chǔ)BL透水層透水層不透水層不透水層基坑基坑板樁墻板樁墻ABLh1h2zAwAu wBu zBh h00基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面水力坡降線水力坡降線g2vuzh2w wAA1uzh wBB2uzh hhh21 wuzh Lhi 總水頭總水頭單位質(zhì)量水體所具有的能量單位質(zhì)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00A A點總水頭：點總水頭：B B點總水頭：點總水頭：總水頭：總水頭：水力坡降：水力坡降：二二. . 滲透試驗與滲

3、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， QLhAQ 斷面平均流速斷面平均流速水力坡降水力坡降A(chǔ)Qv Lhi 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，Th=h1-h2Q=V/T2.2. 達(dá)西定律達(dá)西定律ikv nvvvs 滲透定律在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v v與水力坡降與水力坡降i 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)。iv 注意：注意：AAvAAnv V V：假想滲流速度，土體試樣全

4、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V Vs s：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 AvQVA VsAvk: 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：水力坡降物理意義：水力坡降i i1 1時的滲流速度時的滲流速度單位：單位：mm/s, cm/s, mm/s, cm/s, m/sm/s, m/day, m/day粗粒土：粗粒土：礫石類土中的滲流不符合達(dá)西定律礫石類土中的滲流不符合達(dá)西定律砂土中滲透速度砂土中滲透速度 vcr= =0.3-0.5cm/s 適用條件適用

5、條件ivovcrivoi0層流（線性流）層流（線性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土重的粘性土 兩種特例兩種特例粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )1m(kivm 2.2 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) zx一一. . 流網(wǎng)的概念流網(wǎng)的概念 h 在在xz平面內(nèi)的穩(wěn)定平面滲流場中，平面內(nèi)的穩(wěn)定平面滲流場中，水從高水位處流向低水位處，從高壓水頭水從高水位處流向低水位處，從高壓水頭處流向低壓水頭處，水質(zhì)點必然形成流線，處流向低壓水頭處，水質(zhì)點必然形成流線，沿著流線勢能也必然降低。沿著流線勢能也必然降低。 沿

6、著每條流線，水流的勢能由高到低，沿著每條流線，水流的勢能由高到低，把各條流線上勢能相等的點連成線，這樣的把各條流線上勢能相等的點連成線，這樣的連線稱為等勢線，沿著一組流線必然形成一組等勢線。連線稱為等勢線，沿著一組流線必然形成一組等勢線。 一組流線和一組等勢線交織成的網(wǎng)，稱為流網(wǎng)。一組流線和一組等勢線交織成的網(wǎng)，稱為流網(wǎng)。因為水流必定沿著最大水力梯度的方向流動，所以流線因為水流必定沿著最大水力梯度的方向流動，所以流線與等勢線必然垂直，即流網(wǎng)形成正交的網(wǎng)格。與等勢線必然垂直，即流網(wǎng)形成正交的網(wǎng)格。流線流線0zhxh2222 Laplace方程方程在穩(wěn)定流的情況下，在均勻且各向同性在穩(wěn)定流的情況下

7、，在均勻且各向同性 介質(zhì)中的滲流，其滲流介質(zhì)中的滲流，其滲流場可以用拉普拉斯方程表示。場可以用拉普拉斯方程表示。 流函數(shù)流函數(shù) 02222zx等勢線等勢線02222zx勢函數(shù)勢函數(shù) 解析方法解析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注意：只有在邊界條件很簡單的條件下，才能得到解析解。因為求解注意：只有在邊界條件很簡單的條件下，才能得到解析解。因為求解拉普拉斯方程很困難，所以，繪制流網(wǎng)是一種近似作圖法。

8、拉普拉斯方程很困難，所以，繪制流網(wǎng)是一種近似作圖法。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(yùn)動的軌跡線。水質(zhì)點運(yùn)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。Hh0 基本要求基本要求1. 正交性：流線與等勢線必須正交正交性：流線與等勢線必須正交Hh0lsls2. 各個網(wǎng)格的長寬比各個網(wǎng)格的長寬比c應(yīng)為常數(shù)。

9、取應(yīng)為常數(shù)。取c=1c=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。ABCDlsHh h00ls 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 流網(wǎng)特點流網(wǎng)特點與上下游水位變化無關(guān)與上下游水位變化無關(guān) hh=const=c

10、onst；與與k k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 h相等。相等。Hh0lsls 測管水頭測管水頭 h h 實際應(yīng)用實際應(yīng)用l /Hi ）（zhhiiikv HMkMqq;HkslHkqiiii 確定孔壓確定孔壓 確定流速確定流速 確定流量確定流量流道數(shù)M 水力坡降水力坡降Hh0lsls2.3 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 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

11、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。滲透變形滲透變形滲透力滲透力h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bh1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a b土粒土粒滲滲 流流j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。悍较颍悍较颍号c滲流方向一致與滲流方向一致作用對象：作用對象：土骨架土骨架基本類型基本類

12、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 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 流土流土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crii0JW 和和土土的的密密實實程程度度有有關(guān)關(guān)eGiscr 11 滲流滲流原因：原因：i icr :土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞土體發(fā)生流土破壞土體處于臨界狀態(tài)土體處于臨界狀態(tài)管

13、涌管涌原因：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)粒直徑的孔隙成大于細(xì)粒直徑的孔隙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土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動發(fā)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，只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中可發(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)顆粒通過粗粒形成土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動的孔隙通道移動可發(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)生在特定級配的一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長破壞過程相對