第二章 滲透性及滲流(第一講)

1、 土的物理性態(tài)取決于三個組成相土的物理性態(tài)取決于三個組成相(固相、液相和氣固相、液相和氣 相相)的特性狀態(tài)、相對含量和相互作用的特性狀態(tài)、相對含量和相互作用1. 固體顆粒固體顆粒2. 土中水土中水3. 土中氣體土中氣體 顆粒大小顆粒大小 粒徑級配粒徑級配 礦物成分礦物成分 顆粒形狀顆粒形狀 結晶水結晶水 結合水結合水 (強結合水、弱結合水) 自由水自由水 (重力水、毛細水) 與大氣連通與大氣連通封閉氣體封閉氣體 土的物理性態(tài)取決于三個組成相土的物理性態(tài)取決于三個組成相(固相、液相和氣固相、液相和氣 相相)的特性狀態(tài)、相對含量和相互作用的特性狀態(tài)、相對含量和相互作用 測算土的粒度、密度、濕度和結

2、構性指標是對土測算土的粒度、密度、濕度和結構性指標是對土 的物理性態(tài)的基本度量的物理性態(tài)的基本度量粒粒 度度 指指 標標 粗細粗細密密 度度 指指 標標 松密松密濕濕 度度 指指 標標 軟硬、干濕軟硬、干濕結構性指標結構性指標 空間排列與聯(lián)結狀態(tài)空間排列與聯(lián)結狀態(tài)多相介質多相介質碎散性碎散性多相性多相性天然性天然性非連續(xù)介質非連續(xù)介質力學特性復雜力學特性復雜 固相固相土骨架土骨架 液相通常是水液相通常是水 氣相氣相填充孔隙填充孔隙 非均勻性非均勻性 各向異性各向異性 結構性結構性 時空變異性時空變異性 受力后由土骨架、孔隙介質受力后由土骨架、孔隙介質共同承擔共同承擔 存在復雜的相互作用存在復雜

3、的相互作用 孔隙水滲透流動孔隙水滲透流動 滲透特性滲透特性 變形特性變形特性 強度特性強度特性 受力以后易變形受力以后易變形 體積變形主要由孔隙體變引起體積變形主要由孔隙體變引起 剪切變形取決于顆粒相對位移剪切變形取決于顆粒相對位移土是一種多孔多相的松散介質土是一種多孔多相的松散介質 土的基本物性及其對力學特性的影響土的基本物性及其對力學特性的影響土基土基壩體壩體滲流滲流滲透現(xiàn)象滲透現(xiàn)象內因？內因？外因？外因？擋水建筑物擋水建筑物土基土基壩體壩體滲流滲流 內因內因 土是碎散多孔多相介質土是碎散多孔多相介質 外因外因 存在有水頭差存在有水頭差擋水建筑物擋水建筑物 滲透性滲透性 土的三大基本力學性

4、質之一土的三大基本力學性質之一滲透現(xiàn)象滲透現(xiàn)象工程建設中的滲流問題工程建設中的滲流問題滲透性滲透性 土的三大基本力學性質之一土的三大基本力學性質之一美國美國Teton壩的滲透破壞壩的滲透破壞工程實例工程實例青海溝后面板堆石壩的潰決青海溝后面板堆石壩的潰決 壩高壩高: 71 m建成于建成于1990年年9月月潰決于潰決于 1993年年8月月28日日工程實例：工程實例：潰決之后的情形潰決之后的情形潰決之后的下游河床潰決之后的下游河床為什么為什么 ?溝后面板堆石壩的潰決溝后面板堆石壩的潰決工程實例：工程實例：設計與施工問題設計與施工問題防浪墻下角處破壞防浪墻下角處破壞嚴重滲漏現(xiàn)象嚴重滲漏現(xiàn)象滲流引起壩

5、體潰決滲流引起壩體潰決混凝土面板混凝土面板溝后面板堆石壩的潰決溝后面板堆石壩的潰決工程實例：工程實例：浸潤線浸潤線壩體邊坡的穩(wěn)定性壩體邊坡的穩(wěn)定性 : : Kav=0.01cm/s 在各向同性滲流條件下在各向同性滲流條件下在各向異性滲流條件下在各向異性滲流條件下When Kx=4Ky, When Kx=8Ky, F=0.817F=0.760F=1.132 (安全安全)施工碾壓引起的壩體填土的成層形狀施工碾壓引起的壩體填土的成層形狀各向異性滲流是導致溝后面板堆石壩潰決破壞的原各向異性滲流是導致溝后面板堆石壩潰決破壞的原因因溝后面板堆石壩的潰決溝后面板堆石壩的潰決工程實例：工程實例：工程建設中的滲

6、流問題工程建設中的滲流問題擋水建筑物擋水建筑物 集水建筑物集水建筑物 引水結構物引水結構物 港工結構物港工結構物 基坑等地下施工基坑等地下施工我國欄水壩數(shù)量世界第一我國欄水壩數(shù)量世界第一江河堤防長達江河堤防長達25萬公里萬公里各類集水井星羅棋布各類集水井星羅棋布地下工程方興未艾地下工程方興未艾建設基坑遍布南北建設基坑遍布南北港灣建設規(guī)模宏大港灣建設規(guī)模宏大 滲透規(guī)律滲透規(guī)律 滲透變形滲透變形 滲透規(guī)律滲透規(guī)律（定律、試驗和實際應用定律、試驗和實際應用） 滲透變形滲透變形（機理、評價和防滲措施機理、評價和防滲措施）擋水建筑物擋水建筑物 集水建筑物集水建筑物 引水結構物引水結構物 港工結構物港工結

7、構物 基坑等地下施工基坑等地下施工滲流問題滲流問題滲漏滲漏滲透變形滲透變形（管涌管涌/流土流土）工程建設中的滲流問題工程建設中的滲流問題本章重點本章重點:1 1. . 達西定律達西定律（Darcys Law）法國學者法國學者H. Darcy （1856）科學觀察方法科學觀察方法 再現(xiàn)物理現(xiàn)象再現(xiàn)物理現(xiàn)象 揭示科學規(guī)律揭示科學規(guī)律 描述定量關系描述定量關系L水頭差水頭差HH1H2滲徑滲徑 斷面積斷面積 A進水管進水管出水管出水管碎石塊碎石塊基準面基準面00均勻砂均勻砂1 1. . 達西定律達西定律1）滲透試驗）滲透試驗實驗裝置實驗裝置實驗方法實驗方法1 1. . 達西定律達西定律1）滲透試驗）滲

8、透試驗HH1H2L斷面積斷面積 A實驗裝置實驗裝置 水頭差水頭差H 不變不變 經過時間經過時間t 的滲水量的滲水量 V 單位時間滲水量單位時間滲水量 q = V /t實驗方法實驗方法HqAL1 1. . 達西定律達西定律1）滲透試驗）滲透試驗HH1H2L斷面積斷面積 A實驗結果實驗結果情況情況1 增加水頭差增加水頭差H， q 比例增加比例增加 （A, L 保持不變保持不變）情況情況2 增加滲徑增加滲徑 L，q 比例減小比例減?。ˋ,H 保持不變保持不變）情況情況3 增加斷面積增加斷面積 A，q 比例增加比例增加（L,H 保持不變保持不變）實驗裝置實驗裝置實驗方法實驗方法HqAL1 1. . 達

9、西定律達西定律1）滲透試驗）滲透試驗HH1H2L斷面積斷面積A定義定義 滲透流速滲透流速 v = = 單位時間滲水量單位時間滲水量 q / 斷面積斷面積 A 水力坡降水力坡降 i = = 水頭差水頭差H / 滲徑滲徑 L確定真實流速，在理論上和試驗上均很困難，對解決實際問題而言，也沒有必要理想化的平均流速實驗結果實驗結果實驗裝置實驗裝置實驗方法實驗方法22wuvH = z +g 概念解釋概念解釋 水力坡降水力坡降 i z 位置水頭位置水頭伯努利伯努利(D.Bernouli)(D.Bernouli)方程方程( (流體能量方程流體能量方程) )： 流動的液體中一點的總水頭為流動的液體中一點的總水頭

10、為 u/ w 壓力水頭壓力水頭 v2/2 2g 流速水頭流速水頭符號定義符號定義：基準面基準面oHAoAZAAwuvgA2vA z 單位重量液體所具有單位重量液體所具有 的位能的位能 u/ w 單位重量液體所具有單位重量液體所具有 的壓力勢能的壓力勢能 v2/2 2g 單位重量液體所具有單位重量液體所具有 的動能的動能 H 單位重量液體所具有的總機械能單位重量液體所具有的總機械能物理意義：物理意義：基準面基準面oHAoAZAAwuvgA2vA 概念解釋概念解釋 水力坡降水力坡降 i 22wuvH = z +g z 位置水頭位置水頭伯努利伯努利(D.Bernouli)(D.Bernouli)方程

11、方程( (流體能量方程流體能量方程) )： 流動的液體中一點的流動的液體中一點的總水頭總水頭為為 u/ w 壓力水頭壓力水頭 v2/2 2g 流速水頭流速水頭wuH = z+ 測管水頭測管水頭物理意義：物理意義：基準面基準面oHAoAZAAwuvgA02vAHBLZBBwuB水力坡降線水力坡降線AAAwuH = z +BBBwuH = z +2v02gABH =H + HHi = L單位滲流路徑上單位滲流路徑上的測管水頭損失的測管水頭損失HABHH -H 概念解釋概念解釋 水力坡降水力坡降 i 22wuvH = z +g z 位置水頭位置水頭伯努利伯努利(D.Bernouli)(D.Berno

12、uli)方程方程( (流體能量方程流體能量方程) )： 流動的液體中一點的流動的液體中一點的總水頭總水頭為為 u/ w 壓力水頭壓力水頭 v2/2 2g 流速水頭流速水頭HqAL1 1. . 達西定律達西定律1）滲透試驗）滲透試驗HH1H2L斷面積斷面積 A定義定義 滲透流速滲透流速 v = = 單位時間滲水量單位時間滲水量 q / 過水斷面過水斷面 A 水力坡降水力坡降 i = = 水頭差水頭差H / 滲徑滲徑 L提醒提醒 ： 滲流產生的內因和外因？滲流產生的內因和外因？ 實驗結果實驗結果實驗裝置實驗裝置實驗方法實驗方法單位滲徑上的水頭損失土中滲流阻力很大，流速一般很小，可忽略流速水頭對總水

13、頭的影響1 1. . 達西定律達西定律1）滲透試驗）滲透試驗HH1H2L斷面積斷面積 A定義定義 滲透流速滲透流速 v = = 單位時間滲水量單位時間滲水量 q / 過水斷面過水斷面 A 水力坡降水力坡降 i = = 水頭差水頭差H / 滲徑滲徑 Lvi結論結論 滲透流速與水力坡降成正比滲透流速與水力坡降成正比 實驗結果實驗結果實驗裝置實驗裝置實驗方法實驗方法HqAL1 1. . 達西定律達西定律1）滲透試驗）滲透試驗vk i2）滲透定律滲透定律vi滲透流速滲透流速 V水力坡降水力坡降 i1滲透系數(shù)滲透系數(shù)k定義定義： 單位水力坡降時的滲透流速單位水力坡降時的滲透流速單位單位：cm/s; m/

14、day; m/yr用途用途：表征土滲透性強弱的指標表征土滲透性強弱的指標 其大小與土性有關其大小與土性有關 1 1. . 達西定律達西定律 層流層流（線性流線性流）大部分砂土大部分砂土、粉土粉土; 疏松的粘土及砂性較重的粘性土疏松的粘土及砂性較重的粘性土1）滲透試驗）滲透試驗3）適用條件）適用條件2）滲透定律）滲透定律滲透流速滲透流速 V水力坡降水力坡降 i1k11k2砂土砂土疏松粘質土疏松粘質土k1 k2vk ivi1 1. . 達西定律達西定律 層流（層流（線性流線性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土及砂性較重的粘性土 注意：注意： 礫石類土中的

15、滲流不符合達西定律礫石類土中的滲流不符合達西定律 砂土中存在臨界流速砂土中存在臨界流速 vcr (0.3-0.5cm/s）1）滲透試驗）滲透試驗3）適用條件）適用條件2）滲透定律）滲透定律滲透流速滲透流速 V水力坡降水力坡降 ikvcrvk ivi 層流（層流（線性流線性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土 注意：注意： 礫石類土中的滲流不符合達西定律礫石類土中的滲流不符合達西定律 砂土中滲透速度砂土中滲透速度 0.3-0.5cm/s, v vcrk1 1. . 達西定律達西定律1）滲透試驗）滲透試驗3）適用條件）適用條件2）滲透定律

16、）滲透定律滲透流速滲透流速 V水力坡降水力坡降 iiok1vk ivi 致密的粘土致密的粘土 i i0, v = k (i-i0 ) 層流（層流（線性流線性流）大部分砂土，粉土；大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土疏松的粘土及砂性較重的粘性土 注意：注意： 礫石類土中的滲流不符合達西定律礫石類土中的滲流不符合達西定律 砂土中滲透速度砂土中滲透速度 0.3-0.5cm/s, v vcr 致密的粘土致密的粘土 i i0, v = k (i-i0 ) 土骨架有較大變形的情形土骨架有較大變形的情形k1 1. . 達西定律達西定律1）滲透試驗）滲透試驗3）適用條件）適用條件2）滲透定律）滲透定

17、律滲透流速滲透流速 V水力坡降水力坡降 iiok1vk ivi 層流層流（線性流線性流） 大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土 判定：判定： 太沙基大量試驗證明：雷諾數(shù)太沙基大量試驗證明：雷諾數(shù) Re10-3cm/s)1）確定方法確定方法（1）室內試驗方法室內試驗方法條件條件H = const已知已知H，L，A測定測定V, t q =V/t，v =q/A 取值取值重復試驗后，取均值重復試驗后，取均值校正校正水溫影響校正水溫影響校正 k10=kT T / 10開關開關 soilL過流斷面過流斷面 At 時間間隔內流過時間間隔內流過土樣的水量

18、為土樣的水量為V水頭差水頭差 DH算定算定vqVLkiiAtA H2. 2. 滲透系數(shù)滲透系數(shù) 變水頭試驗變水頭試驗 (k 10-3cm/s)H 變化變化a，A，Lt1，H1； t2，H2 滲滲徑徑 L玻璃管斷面玻璃管斷面 a開關開關 dH, dtDH1，t1DH2 , t2DH , t2. 2. 滲透系數(shù)滲透系數(shù) 1）HaLkA tH12ln 公式推導公式推導 變水頭試驗變水頭試驗 (k 10-3cm/s)H 變化變化a，A A，Lt1，H1；t2，H2 滲徑滲徑 L玻璃管斷面玻璃管斷面 a開關開關 dH, dtDH1 , t1DH2 , t2DH , td dt 時段內流入土樣的水量時段內

19、流入土樣的水量dVin = - a dHd dt 時段內流出土樣的水量時段內流出土樣的水量 dVout =k (DH/L) A dt根據(jù)流體連續(xù)性條件根據(jù)流體連續(xù)性條件dVin = dVoutdHHkAaLdt 2121HHttdHHkAaLdtHaLkA tH12ln 變水頭試驗變水頭試驗 (k 10-3cm/s )不易取得有代表性的原狀土，特別是原狀砂土不易取得有代表性的原狀土，特別是原狀砂土a，A，Lt1, H1；t2, H2HaLkA tH12ln qvLkiAtA H 細粒土細粒土( k 10-3cm/s )2. 2. 滲透系數(shù)滲透系數(shù) （1）1）（2）抽水試驗和注水試驗抽水試驗和注

20、水試驗 適用條件適用條件: 均質的粗粒土層均質的粗粒土層; ; 得到較大范圍的平均滲透系數(shù)得到較大范圍的平均滲透系數(shù) ； 多用于大型工程的滲流問題評價多用于大型工程的滲流問題評價 2. 2. 滲透系數(shù)滲透系數(shù) （1）1）確定方法）確定方法（2） 抽水試驗確定土層滲透系數(shù)的原理抽水試驗確定土層滲透系數(shù)的原理2. 2. 滲透系數(shù)滲透系數(shù) （1）1）確定方法）確定方法單位時間抽水量單位時間抽水量 q抽水后地下水位抽水后地下水位（測壓管水位）（測壓管水位）測壓孔測壓孔h1h2r1r2已知已知 r1, r2, h1, h2測定測定 q算定算定212221lg(/ )2.3qrrkhh （2）抽水試驗和注

21、水試驗抽水試驗和注水試驗 適用條件適用條件: 均質的粗粒土層均質的粗粒土層; ; 得到較大范圍的平均滲透系數(shù)得到較大范圍的平均滲透系數(shù) ； 多用于大型工程的滲流問題評價多用于大型工程的滲流問題評價 （3） 根據(jù)土性條件判定根據(jù)土性條件判定: 粒徑級配曲線相近粒徑級配曲線相近用于初步設計用于初步設計; 無法取得試驗資料無法取得試驗資料; 周圍土料已有大量資料等情形周圍土料已有大量資料等情形可靠性比較差，可用于中小工程的初步設計可靠性比較差，可用于中小工程的初步設計2. 2. 滲透系數(shù)滲透系數(shù) （1）1）確定方法）確定方法 2）影響因素）影響因素 粒度粒度密度密度結構性結構性(kf 、）2. 2.

22、 滲透系數(shù)滲透系數(shù) 1）確定方法）確定方法土粒特性土粒特性液體特性液體特性 2）影響因素）影響因素 粒度粒度密度密度結構性結構性(kf 、）2. 2. 滲透系數(shù)滲透系數(shù) 1）確定方法）確定方法土粒特性土粒特性液體特性液體特性 粘粒越多，粘粒越多，k 越小越小; ;d10約為約為0.1-3mm的均勻砂土：的均勻砂土：k =c1d102, , c1 =100-150; k cm/s d10 cm 2）影響因素）影響因素 粒度粒度密度密度結構性結構性(kf 、）2. 2. 滲透系數(shù)滲透系數(shù) 1）確定方法）確定方法土粒特性土粒特性液體特性液體特性 2）影響因素）影響因素 粒度粒度密度密度結構性結構性(

23、kf 、）2. 2. 滲透系數(shù)滲透系數(shù) 1）確定方法）確定方法土粒特性土粒特性液體特性液體特性分散結構粘土的k比絮狀結構粘土的要小與結構性密切相關的各向異性有關 2）影響因素）影響因素 粒度粒度密度密度結構性結構性(kf 、) )水的動力粘滯系數(shù)水的動力粘滯系數(shù)飽和度（含氣量）飽和度（含氣量）對對k影響很大，封閉氣泡影響很大，封閉氣泡2. 2. 滲透系數(shù)滲透系數(shù) 1）確定方法）確定方法土粒特性土粒特性 液體特性液體特性 2）影響因素）影響因素 粒度粒度密度密度結構性結構性(kf 、）水的動力粘滯系數(shù)水的動力粘滯系數(shù)飽和度（含氣量）飽和度（含氣量）對對k影響很大，封閉氣泡影響很大，封閉氣泡2.

24、2. 滲透系數(shù)滲透系數(shù) 1）確定方法）確定方法土粒特性土粒特性液體特性液體特性寒區(qū)及熱帶地區(qū)，寒區(qū)及熱帶地區(qū)，應考慮溫度影響應考慮溫度影響3）成層地基成層地基 等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)等效為總厚度相同的單一土層等效為總厚度相同的單一土層2. 2. 滲透系數(shù)滲透系數(shù) 1）確定方法）確定方法 2）影響因素）影響因素 H1H2H3Hnk1k2k3knq1q2q3qn水平滲流水平滲流 H不透水層不透水層水平滲透的情形水平滲透的情形確定各層的確定各層的ki根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)HL3）成層地基成層地基 等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)2. 2. 滲透系數(shù)滲透系數(shù) 1）確定方法）

25、確定方法 2）影響因素）影響因素 H1H2H3Hnk1k2k3knq1q2q3qn水平滲流水平滲流 H不透水層不透水層水平滲透的情形水平滲透的情形H;iiiHqqHHiiLiiiiHHkqAk iH k i121,.;.;xxqk iAk iHixiiqqkkHiHiHH1 滲徑滲徑L不變不變等效為總厚度相同的單一土層等效為總厚度相同的單一土層確定各層的確定各層的ki根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)L3）成層地基成層地基 等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)2. 2. 滲透系數(shù)滲透系數(shù) 1）確定方法）確定方法 2）影響因素）影響因素 垂直滲透的情形垂直滲透的情形H承壓水層承壓水層H1H2H3Hnk1k2k3knq1q2q3qn H測壓管水頭高度測壓管水頭高度 H1 H2 H3 Hn等效為總厚度相同的單一土層等效為總厚度相同的單一土層確定各層的確定各層的ki根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)3）成層地基）成層地基 等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)2. 2. 滲透系數(shù)滲透系數(shù) 1）確定方法）確定方法 2）影響因素）影響因素 垂直滲透的情形垂直滲透的情形H承壓水層承壓水層H1H2H3Hnk1k2k3knq1q2q3qn H測壓管水頭高度測壓管水頭高度 H1 H2 H3 HniiqqqvvvHHHH1212.;.;i