第三章土的滲透性與工程降水土力學(xué)

1、第三章 土的滲透性與工程(gngchng)降水3.1概 述3.2滲流規(guī)律和滲透系數(shù)3.3二維滲流與流網(wǎng)3.4滲透(shntu)力和滲透(shntu)破壞3.5地下水和工程降水的常用方法共五十五頁(yè)土體具有被液體（如土中水(zhn shu)）透過(guò)的性質(zhì)稱(chēng)為土的滲透性，或稱(chēng)透水性。液體（如地下水、石油）在土孔隙中的流動(dòng)稱(chēng)為滲流。3.1概 述非飽和土的滲透性較復(fù)雜(fz)，此不作介紹。共五十五頁(yè)3.1概 述（1）滲流(shn li)量問(wèn)題土的滲透性研究(ynji)內(nèi)容基坑開(kāi)挖或施工圍堰時(shí)的滲水量及排水量堤壩身、壩基土中的滲水量水井的供水量或排水量三峽電站年發(fā)電量800億度，26臺(tái)機(jī)組，100度/s，8

2、00方/s共五十五頁(yè)石油(shyu)開(kāi)采量共五十五頁(yè)滲濾液(ly)排放量尾礦(wi kun)污水排放共五十五頁(yè)3.1概 述（2）滲透(shntu)破壞問(wèn)題土的滲透性研究(ynji)內(nèi)容土中的滲流會(huì)對(duì)土顆粒施加作用力，即滲流力（滲透力），當(dāng)滲流力過(guò)大時(shí)就會(huì)引起土顆?；蛲馏w的移動(dòng)，產(chǎn)生滲透變形，甚至滲透破壞。試驗(yàn)視頻共五十五頁(yè)工程(gngchng)案例2003年7月1日凌晨，建上海軌道交通4號(hào)線(xiàn)突發(fā)險(xiǎn)情，造成若干地面(dmin)建筑遭到破壞，損失1.5億元。豎井與旁通道的開(kāi)挖順序錯(cuò)誤、冷凍設(shè)備出現(xiàn)故障（冷凍法施工）、地下承壓水導(dǎo)致噴沙共五十五頁(yè)3.1概 述（3）滲流(shn li)控制問(wèn)題土的滲透

3、性研究(ynji)內(nèi)容當(dāng)滲流量或滲透變形不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求時(shí)，就要研究工程措施進(jìn)行滲流控制。共五十五頁(yè)水在孔隙中流動(dòng)的實(shí)際路線(xiàn)是不規(guī)則的，滲流的方向(fngxing)和速度都是變化3.2滲透(shntu)規(guī)律和滲透(shntu)系數(shù)3.2.1土的滲透性在滲流分析時(shí)，常將復(fù)雜滲流土體簡(jiǎn)化為理想滲流模型滲流模型的基本假定：只分析主要流向整個(gè)空間為滲流所充滿(mǎn)同一過(guò)水?dāng)嗝?，滲流模型的流量等于真實(shí)流量；壓力與真實(shí)滲流壓力相等；連續(xù)介質(zhì)多孔介質(zhì)共五十五頁(yè)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，該截面叫過(guò)水截面。過(guò)水截面包括(boku)土顆粒和孔隙所占據(jù)的面積。在時(shí)間t內(nèi)滲流通過(guò)該過(guò)水截面（其面積

4、為A）的滲流量為Q，則滲流速度為（3-1）1.滲流(shn li)速度共五十五頁(yè)滲流速度表征滲流在過(guò)水(u shu)截面上的平均流速，并不代表水在土中滲流的真實(shí)流速。水在飽和土體中滲流時(shí)，孔隙中實(shí)際平均流速為（3-2）共五十五頁(yè)水在土中任意一點(diǎn)(y din)的總水頭（3-3）2.水頭、水力(shul)梯度位置水頭壓力水頭速度水頭注意：位置水頭與基準(zhǔn)面的選取有關(guān)土體中一般忽略速度水頭的影響（3-4）共五十五頁(yè)水力(shul)坡降（也稱(chēng)水力(shul)梯度）2.水頭(shutu)、水力梯度（3-5）滲流是由總水頭差，而不是壓力水頭差產(chǎn)生的水頭損失/水頭差共五十五頁(yè)在t時(shí)段內(nèi)，滲流量Q與過(guò)水(u s

5、hu)斷面A和h成正比，與L成反比。（3-6）（3-7）達(dá)西（H.Darcy）進(jìn)行了大量的滲流試驗(yàn)，得出(d ch)了層流條件下土中水滲流速度和水頭損失之間關(guān)系的滲流規(guī)律，即達(dá)西定律。3.2.2達(dá)西定律及適用范圍共五十五頁(yè)例題(lt)3-1在恒定的總水頭差之下水自下而上(z xi r shn)透過(guò)兩個(gè)土樣，從土樣1頂面溢出，試求：（1）以c-c為基準(zhǔn)面，求該面的總水頭和壓力水頭；（2）已知水流經(jīng)土樣2的水頭損失為總水頭差的30%，求b-b面的總水頭和壓力水頭。例題3-2若已知土樣2的滲透系數(shù)為0.05cm/s ，試求：（1）單位時(shí)間內(nèi)土樣橫截面單位面積的流量；（2）土樣1的滲透系數(shù)。共五十五頁(yè)

6、水在粗顆粒土中滲流時(shí)：（1）水流速度很小，粘滯(zhn zh)力占優(yōu)勢(shì)的層流，達(dá)西定律適用，雷諾數(shù)Re小于110之間的某一值；（2）水流速度增加到慣性力占優(yōu)勢(shì)的層流和層流向紊流過(guò)渡時(shí)，達(dá)西定律不再適用，雷諾數(shù)Re在10100之間；（3）隨著雷諾數(shù)Re的增大，水流進(jìn)入紊流狀態(tài)，達(dá)西定律完全不適用。達(dá)西定律(dngl)適用范圍紊流層流共五十五頁(yè)在黏性土中自由水滲流會(huì)受到結(jié)合水膜粘滯阻力的影響，當(dāng)水力坡降達(dá)一定值后滲流才能發(fā)生。存在(cnzi)一個(gè)達(dá)西定律有效范圍的下限值，即黏性土的起始水力坡降 i0。達(dá)西定律(dngl)適用范圍（3-8）共五十五頁(yè)3.2.3滲透系數(shù)的影響(yngxing)因素（1

7、）土的孔隙比孔隙比越大，滲透系數(shù)也就越大。（2）土顆粒的粒徑、級(jí)配和礦物成分細(xì)粒(x l)土的孔隙通道比粗粒土的小，滲透系數(shù)較小；黏性土滲透性小。級(jí)配良好的土，粗粒土間的孔隙被細(xì)粒土所填充，滲透系數(shù)比粒徑級(jí)配均勻的土小；共五十五頁(yè)Maximum permeability of soils19共五十五頁(yè)3.2.3滲透系數(shù)的影響(yngxing)因素（3）土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造絮凝結(jié)構(gòu)的黏性土，滲透系數(shù)比分散結(jié)構(gòu)的大成層土在水平方向的滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于垂直方向的。（4）土的飽和度（5）滲流水的性質(zhì)動(dòng)力粘滯(zhn zh)度隨溫度的增加而減小，因此溫度升高一般會(huì)使土的滲透系數(shù)增加。共五十五頁(yè)土水特征(tzhng

8、)曲線(xiàn)非飽和滲透系數(shù)方程(fngchng)基質(zhì)吸力Soil- Water Characteristic Curve共五十五頁(yè)3.2.4滲透系數(shù)的測(cè)定(cdng)滲透系數(shù)的測(cè)定方法主要分室內(nèi)試驗(yàn)(shyn)測(cè)定和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定兩大類(lèi)。1.滲透系數(shù)的室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定從試驗(yàn)原理上大體可分為常水頭法和變水頭法兩種。常水頭試驗(yàn)適用于測(cè)定透水性大的砂性土的滲透系數(shù)。黏性土滲透系數(shù)很小，滲透水量很少，須改用變水頭試驗(yàn)。常水頭滲透試驗(yàn)裝置共五十五頁(yè)常水頭(shutu)法待水頭差h和滲出流量Q穩(wěn)定(wndng)后，量測(cè)時(shí)間t內(nèi)流經(jīng)試樣的水量V（3-11）整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持水頭差共五十五頁(yè)變水頭(shutu)法變水頭試驗(yàn)法

9、就是(jish)試驗(yàn)過(guò)程中水頭差一直在隨時(shí)間而變化dt時(shí)間內(nèi)流入試樣的水量為流出試樣的滲流量為（3-15）共五十五頁(yè)變水頭(shutu)法等式兩邊(lingbin)各取積分（3-18）測(cè)起始水頭差 h1，經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，再測(cè)終了水頭差 h2 共五十五頁(yè)例題(lt)3-3設(shè)做變水頭滲透試驗(yàn)(shyn)的黏土試樣的截面積為30cm2,厚度為4cm。滲透儀細(xì)玻璃管的內(nèi)徑為0.4cm，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的水位差為145cm，經(jīng)過(guò)7min 25s觀察的水位差為100cm，試求試樣的滲透系數(shù)。【解】共五十五頁(yè)3.2.4滲透系數(shù)的測(cè)定(cdng)2.滲透系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)(xinchng)測(cè)定常用現(xiàn)場(chǎng)井孔抽水試驗(yàn)或注水試驗(yàn)的

10、方法在現(xiàn)場(chǎng)打一口試驗(yàn)井，貫穿要測(cè)定k值的砂土層，井在距井中心不同距離處設(shè)置一個(gè)或兩個(gè)觀測(cè)孔。然后自井中以不變的速率連續(xù)進(jìn)行抽水。共五十五頁(yè)2.滲透系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)(xinchng)測(cè)定假定水流是水平流向，滲流過(guò)水?dāng)嗝媸且幌盗械耐膱A柱面。測(cè)得的抽水量為Q，觀測(cè)孔距井軸線(xiàn)的距離分別為r1，r2，孔內(nèi)的水位高度為h1，h2，通過(guò)達(dá)西定律即可求出土層(t cn)的平均k值。單位時(shí)間自井內(nèi)抽出的水量為水力坡降等于地下水位線(xiàn)的坡度共五十五頁(yè)工程中許多滲流問(wèn)題一般為二維或三維問(wèn)題。如壩基、河灘路堤及基坑擋土墻等。先建立滲流微分方程，然后結(jié)合(jih)滲流邊界條件和初始條件進(jìn)行求解。3.3二維滲流(shn li)

11、與流網(wǎng)共五十五頁(yè)3.3.1二維滲流連續(xù)(linx)方程在二維滲流(shn li)平面內(nèi)取一微元體假定：土體和水都是不可壓縮的土是均質(zhì)各向同性，即kx=kz 流入流出共五十五頁(yè)根據(jù)質(zhì)量守恒定理，流入的水量應(yīng)該(ynggi)等于流出的水量，（3-34）3.3.1二維滲流(shn li)連續(xù)方程二維穩(wěn)定滲流連續(xù)方程，拉普拉斯（Laplace）方程(1)穩(wěn)定滲流；(2)滿(mǎn)足達(dá)西定律；(3)水和土體是不可壓縮的；(4)均勻介質(zhì)或是分塊均勻介質(zhì)。共五十五頁(yè)數(shù)學(xué)解析法：求取滲流運(yùn)動(dòng)方程在特定邊界條件下的理論(lln)解，或者在一些假定條件下，求其近似解數(shù)值解法：有限元、有限差分、邊界元法等，近年來(lái)得到迅速地

12、發(fā)展電模擬試驗(yàn)法：利用電場(chǎng)來(lái)模擬滲流場(chǎng)，簡(jiǎn)便、直觀，可以用于二維問(wèn)題和三維問(wèn)題圖繪流網(wǎng)法：簡(jiǎn)便快捷，具有足夠的精度，可分析較復(fù)雜斷面的滲流問(wèn)題共五十五頁(yè)流網(wǎng)是由流線(xiàn)（實(shí)線(xiàn)）和等勢(shì)線(xiàn)（虛線(xiàn)）兩組互相垂直交織的曲線(xiàn)所組成。在穩(wěn)定滲流情況下流線(xiàn)表示(biosh)水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)線(xiàn)路，而等勢(shì)線(xiàn)表示(biosh)勢(shì)能或水頭的等值線(xiàn)。3.3.2流網(wǎng)(liwng)的特征及應(yīng)用共五十五頁(yè)對(duì)于各向同性的均質(zhì)土體：（1）流線(xiàn)和等勢(shì)線(xiàn)是正交的；（2）各等勢(shì)線(xiàn)間的差值相等(xingdng)，各流線(xiàn)之間的差值也相等(xingdng)，各個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)寬之比為常數(shù)；（3）流網(wǎng)中流線(xiàn)密度越大的部位流速越大，等勢(shì)線(xiàn)密度越大的部位水力

13、坡降越大。3.3.2流網(wǎng)的特征(tzhng)及應(yīng)用1.流網(wǎng)的性質(zhì)共五十五頁(yè)流網(wǎng)繪制方法(fngf)概述根據(jù)(gnj)滲流場(chǎng)的邊界條件確定邊界流線(xiàn)和首尾等勢(shì)線(xiàn)正交性曲邊正方形流線(xiàn)等勢(shì)線(xiàn)反復(fù)修改，調(diào)整精度較高的流網(wǎng)圖初步繪制流網(wǎng)共五十五頁(yè)k =1 10-4 m/s Svflux cutoff example共五十五頁(yè)滲流引起的滲透破壞問(wèn)題主要有兩大類(lèi)：一是由于滲流力的作用，使土體顆粒流失或局部土體產(chǎn)生移動(dòng)，導(dǎo)致土體變形甚至失穩(wěn)。主要表現(xiàn)(bioxin)為流砂和管涌。二是由于滲流作用，使水壓力或浮力發(fā)生變化，導(dǎo)致土體或結(jié)構(gòu)物失穩(wěn)。主要表現(xiàn)為岸坡滑動(dòng)或擋土墻等構(gòu)造物整體失穩(wěn)。3.4滲透(shntu)力

14、和滲透(shntu)破壞共五十五頁(yè)3.4.1滲透力（1）水柱(shu zh)重力Gw：（2）水柱兩端(lin dun)面水壓力共五十五頁(yè)3.4.1滲流(shn li)力（3）單位土體內(nèi)(t ni)的滲流力J和土粒對(duì)水流阻力T，則 J=T。土粒對(duì)水流總阻力滲透力是一種體積力，量綱與 相同。滲透力的大小和水力梯度成正比，其方向與滲透方向一致。（3-43）共五十五頁(yè)若貯水器不斷上提，當(dāng)h增大(zn d)到某一數(shù)值，向上的滲流力克服了向下的重力時(shí)，土體就要發(fā)生浮力或受到破壞。在向上的滲流力作用下，粒間有效應(yīng)力為零時(shí)，顆粒群發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象稱(chēng)為流砂現(xiàn)象或流土現(xiàn)象。使土開(kāi)始(kish)發(fā)生流砂現(xiàn)象時(shí)的

15、水力梯度稱(chēng)為臨界水力梯度滲透力=浮容重共五十五頁(yè)3.4.2流砂或流土現(xiàn)象(xinxing)多發(fā)生在級(jí)配均勻的飽和細(xì)、粉砂和粉土層中。突發(fā)性，工程危害(wihi)極大。共五十五頁(yè)在長(zhǎng)為10cm，面積8cm2的圓筒內(nèi)裝滿(mǎn)砂土。經(jīng)測(cè)定，粉砂的土粒比重ds=2.65，孔隙比e=0.9，筒下端與管相連(xin lin)，管內(nèi)水位高出筒5cm(固定不變)，流水自下而上通過(guò)試樣后可溢流出去。試求：（1）滲透力的大小；（2）臨界水力梯度icr值，判斷是否會(huì)產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。例題(lt)3-4【解】（1）水力坡降 滲透力的大小為：共五十五頁(yè)（2）土的浮重度為：例題(lt)3-4臨界(ln ji)水力坡降因?yàn)樗圆粫?huì)

16、發(fā)生流砂現(xiàn)象。共五十五頁(yè)減小或消除水頭差，如坑外的井點(diǎn)降水法降低地下水位增長(zhǎng)滲流路徑，如打板樁；滲流出口處用透水材料覆蓋壓重以平衡滲流力；土層加固處理(chl)。如凍結(jié)法、注漿法等。流砂現(xiàn)象的防治(fngzh)原則共五十五頁(yè)土中的細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動(dòng)以至流失；土的孔隙不斷擴(kuò)大，滲流(shn li)速度不斷增加，較粗的顆粒也相繼被水流逐漸帶走土體內(nèi)形成貫通的滲流通道，造成土體坍塌，稱(chēng)為管涌。3.4.3管涌(un yn)和潛蝕現(xiàn)象湖南望城湘江大堤管涌共五十五頁(yè)工程(gngchng)案例1998年8月7日13:10，九江大堤發(fā)生管涌險(xiǎn)情，很快形成寬62m的潰口，洪水滔滔，局面(jmin)一

17、時(shí)無(wú)法控制。洪水向九江市區(qū)蔓延，靠近決堤口的市民被迫向樓房轉(zhuǎn)移。經(jīng)軍民三晝夜的奮戰(zhàn)，10日堵口圍堰合龍。給國(guó)家造成巨大損失。共五十五頁(yè)2013年5月5日18時(shí)50分，蘭州市永登縣中堡鎮(zhèn)邢家灣村北部的翻山嶺水庫(kù)，在蓄水試驗(yàn)階段，水庫(kù)左壩肩山體出現(xiàn)管涌(un yn)，水庫(kù)內(nèi)70萬(wàn)立方米水在一小時(shí)內(nèi)傾瀉而下，造成2個(gè)村257戶(hù)人受災(zāi)，960畝農(nóng)田過(guò)水共五十五頁(yè)在自然界，在一定條件下同樣會(huì)發(fā)生上述滲透破壞(phui)作用，為了與人類(lèi)工程活動(dòng)所引起的管涌相區(qū)別，通常稱(chēng)之為潛蝕。機(jī)械潛蝕是指滲流的機(jī)械力將細(xì)土粒沖走而形成洞穴；化學(xué)潛蝕是指水流溶解了土中的易溶鹽或膠結(jié)物使土變松散，細(xì)土粒被水沖走而形成洞穴。

18、3.4.3管涌(un yn)和潛蝕現(xiàn)象Fine particleCoarse particleInternal Erosion共五十五頁(yè)3.5.1地下水分類(lèi)(fn li)（1）上層(shngcng)滯水積聚在局部隔水層上的水稱(chēng)為上層滯水。這種水靠雨水補(bǔ)給，有季節(jié)性。上層滯水范圍不大，存在于雨季，旱季可能干涸。3.5地下水和工程降水的常用方法共五十五頁(yè)3.5.1地下水分類(lèi)(fn li)（2）潛水(qinshu)埋藏在地表下第一個(gè)連續(xù)分布的穩(wěn)定隔水層以上，具有自由水面的重力水稱(chēng)為潛水。自由水面為潛水面，水面的標(biāo)高稱(chēng)為地下水位。地面至潛水面的鉛直距離hw為地下水的埋藏深度。潛水由雨水與河水補(bǔ)給，水位也有季節(jié)性變化。共五十五頁(yè)3.5.1地下水分類(lèi)(fn li)（3）承壓水埋藏在兩個(gè)連續(xù)分布的隔水層之間完全充滿(mǎn)的有壓地下水稱(chēng)為承壓水。在地勢(shì)高處(o ch)水位高，對(duì)地勢(shì)低處產(chǎn)生靜水壓力。若打穿承壓水頂面的第一隔水層，則承壓水因有壓力自上涌。共五十五頁(yè)3.5.3地下水對(duì)工程(gngchng)影響施工(sh gng)降排水當(dāng)?shù)叵滤宦癫販\、基礎(chǔ)埋深大