第三章土的滲透性與工程降水-2015土力學(xué)

第三章土的滲透性與工程降水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滲透力和滲透破壞3.5地下水和工程降水的常用方法土體具有被液體（如土中水）透過的性質(zhì)稱為土的滲透性，或稱透水性。液體（如地下水、石油）在土孔隙中的流動(dòng)稱為滲流。3.1概述非飽和土的滲透性較復(fù)雜，此不作介紹。3.1概述（1）滲流量問題土的滲透性研究內(nèi)容基坑開挖或施工圍堰時(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，800方/s石油開采量滲濾液排放量尾礦污水排放3.1概述（2）滲透破壞問題土的滲透性研究內(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)視頻工程案例2003年7月1日凌晨，建上海軌道交通4號(hào)線突發(fā)險(xiǎn)情，造成若干地面建筑遭到破壞，損失1.5億元。豎井與旁通道的開挖順序錯(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3.1概述（3）滲流控制問題土的滲透性研究內(nèi)容當(dāng)滲流量或滲透變形不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，就要研究工程措施進(jìn)行滲流控制。水在孔隙中流動(dòng)的實(shí)際路線是不規(guī)則的，滲流的方向和速度都是變化3.2滲透規(guī)律和滲透系數(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)空間為滲流所充滿同一過水?dāng)嗝妫瑵B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)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，該截面叫過水截面。過水截面包括土顆粒和孔隙所占據(jù)的面積。在時(shí)間t內(nèi)滲流通過該過水截面（其面積為A）的滲流量為Q，則滲流速度為（3-1）1.滲流速度滲流速度表征滲流在過水截面上的平均流速，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）水在土中任意一點(diǎn)的總水頭（3-3）2.水頭、水力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）水力坡降（也稱水力梯度）2.水頭、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/水頭差在t時(shí)段內(nèi)，滲流量Q與過水?dāng)嗝鍭和△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)西定律及適用范圍例題3-1在恒定的總水頭差之下水自下而上透過兩個(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)。水在粗顆粒土中滲流時(shí)：（1）水流速度很小，粘滯力占優(yōu)勢(shì)的層流，達(dá)西定律適用，雷諾數(shù)Re小于1～10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渡時(shí)，達(dá)西定律不再適用，雷諾數(shù)Re在10～100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)西定律適用范圍紊流層流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)西定律適用范圍（3-8）3.2.3滲透系數(shù)的影響因素（1）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)粒土的孔隙通道比粗粒土的小，滲透系數(shù)較??；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；Maximumpermeabilityofsoils193.2.3滲透系數(shù)的影響因素（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。土水特征曲線非飽和滲透系數(shù)方程基質(zhì)吸力Soil-WaterCharacteristicCurve3.2.4滲透系數(shù)的測定滲透系數(shù)的測定方法主要分室內(nèi)試驗(yàn)測定和現(xiàn)場測定兩大類。1.滲透系數(shù)的室內(nèi)試驗(yàn)測定從試驗(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)裝置常水頭法待水頭差△h和滲出流量Q穩(wěn)定后，量測時(shí)間t內(nèi)流經(jīng)試樣的水量V（3-11）整個(gè)試驗(yàn)過程中保持水頭差變水頭法變水頭試驗(yàn)法就是試驗(yàn)過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）變水頭法等式兩邊各取積分（3-18）測起始水頭差

△h1，經(jīng)過時(shí)間t后，再測終了水頭差△h2

例題3-3設(shè)做變水頭滲透試驗(yàn)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)開始時(shí)的水位差為145cm，經(jīng)過7min25s觀察的水位差為100cm，試求試樣的滲透系數(shù)?！窘狻?.2.4滲透系數(shù)的測定2.滲透系數(shù)的現(xiàn)場測定常用現(xiàn)場井孔抽水試驗(yàn)或注水試驗(yàn)的方法在現(xiàn)場打一口試驗(yàn)井，貫穿要測定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)觀測孔。然后自井中以不變的速率連續(xù)進(jìn)行抽水。2.滲透系數(shù)的現(xiàn)場測定假定水流是水平流向，滲流過水?dāng)嗝媸且幌盗械耐膱A柱面。測得的抽水量為Q，觀測孔距井軸線的距離分別為r1，r2，孔內(nèi)的水位高度為h1，h2，通過達(dá)西定律即可求出土層的平均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的坡度工程中許多滲流問題一般為二維或三維問題。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)合滲流邊界條件和初始條件進(jìn)行求解。3.3二維滲流與流網(wǎng)3.3.1二維滲流連續(xù)方程在二維滲流平面內(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

流入流出根據(jù)質(zhì)量守恒定理，流入的水量應(yīng)該等于流出的水量，（3-34）3.3.1二維滲流連續(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)。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，近年來得到迅速地發(fā)展電模擬試驗(yàn)法：利用電場來模擬滲流場，簡便、直觀，可以用于二維問題和三維問題圖繪流網(wǎng)法：簡便快捷，具有足夠的精度，可分析較復(fù)雜斷面的滲流問題流網(wǎng)是由流線（實(shí)線）和等勢(shì)線（虛線）兩組互相垂直交織的曲線所組成。在穩(wěn)定滲流情況下流線表示水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)線路，而等勢(shì)線表示勢(shì)能或水頭的等值線。3.3.2流網(wǎng)的特征及應(yīng)用對(duì)于各向同性的均質(zhì)土體：（1）流線和等勢(shì)線是正交的；（2）各等勢(shì)線間的差值相等，各流線之間的差值也相等，各個(gè)網(wǎng)格的長寬之比為常數(shù)；（3）流網(wǎng)中流線密度越大的部位流速越大，等勢(shì)線密度越大的部位水力坡降越大。3.3.2流網(wǎng)的特征及應(yīng)用1.流網(wǎng)的性質(zhì)流網(wǎng)繪制方法概述根據(jù)滲流場的邊界條件確定邊界流線和首尾等勢(shì)線正交性曲邊正方形流線→等勢(shì)線→反復(fù)修改，調(diào)整精度較高的流網(wǎng)圖初步繪制流網(wǎng)k=110-4m/sSvfluxcutoffexample滲流引起的滲透破壞問題主要有兩大類：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)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滲透力和滲透破壞3.4.1滲透力（1）水柱重力Gw：（2）水柱兩端面水壓力3.4.1滲流力（3）單位土體內(nèi)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）若貯水器不斷上提，當(dāng)△h增大到某一數(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)象稱為流砂現(xiàn)象或流土現(xiàn)象。使土開始發(fā)生流砂現(xiàn)象時(shí)的水力梯度稱為臨界水力梯度滲透力=浮容重3.4.2流砂或流土現(xiàn)象多發(fā)生在級(jí)配均勻的飽和細(xì)、粉砂和粉土層中。突發(fā)性，工程危害極大。在長為10cm，面積8cm2的圓筒內(nèi)裝滿砂土。經(jīng)測定，粉砂的土粒比重ds=2.65，孔隙比e=0.9，筒下端與管相連，管內(nèi)水位高出筒5cm(固定不變)，流水自下而上通過試樣后可溢流出去。試求：（1）滲透力的大?。唬?）臨界水力梯度icr值，判斷是否會(huì)產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。例題3-4【解】（1）水力坡降滲透力的大小為：（2）土的浮重度為：例題3-4臨界水力坡降因?yàn)樗圆粫?huì)發(fā)生流砂現(xiàn)象。①減小或消除水頭差，如坑外的井點(diǎn)降水法降低地下水位②增長滲流路徑，如打板樁；③滲流出口處用透水材料覆蓋壓重以平衡滲流力；④土層加固處理。如凍結(jié)法、注漿法等。流砂現(xiàn)象的防治原則土中的細(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，稱為管涌。3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象湖南望城湘江大堤管涌工程案例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，局面一時(shí)無法控制。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。給國家造成巨大損失。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，在蓄水試驗(yàn)階段，水庫左壩肩山體出現(xiàn)管涌，水庫內(nèi)70萬立方米水在一小時(shí)內(nèi)傾瀉而下，造成2個(gè)村257戶人受災(zāi)，960畝農(nóng)田過水在自然界，在一定條件下同樣會(huì)發(fā)生上述滲透破壞作用，為了與人類工程活動(dòng)所引起的管涌相區(qū)別，通常稱之為潛蝕。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。3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象FineparticleCoarseparticleInternalErosion3.5.1地下水分類（1）上層滯水積聚在局部隔水層上的水稱為上層滯水。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3.5.1地下水分類（2）潛水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為潛水。自由水面為潛水面，水面的標(biāo)高稱為地下水位。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。3.5.1地下水分類（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的有壓地下水稱為承壓水。在地勢(shì)高處水位高，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。3.5.3地下水對(duì)工程影響施工降排水當(dāng)?shù)叵滤?/p>