第3章土滲透性及滲流

一、土具有廣泛的工程應用二、存在大量與土有關的工程問題:導引：為什么要學土力學土力學可以解決工程實踐問題，確保工程正常安全的使用,這正是土力學存在的價值以及我們學習土力學的目的。滲透問題強度問題變形問題第三章

土的滲透性及滲流

2第三章§3.1概述§3.2土的滲透性

§3.3土中二維滲流及流網§3.4滲透破壞與控制主要內容3滲流滲透性土具有被水、液體等透過的性質水、液體等在土體孔隙中流動的現(xiàn)象土顆粒土中水滲流滲透：液體從物質微孔中透過的現(xiàn)象§3.1概述§3土的滲透性及滲流

§3.1概述土是具有連續(xù)孔隙的介質。當土作為建筑物的地基和直接用作建筑材料時，水就會在水位差的作用下，從水位較高的一側透過土的孔隙流向水位較低的一側。滲流量滲透變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層§3土的滲透性及滲流

5§3土的滲透性及滲流

概述起因：滲水壓力揚壓力滲流量滲透破壞透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護下的基坑滲流6§3土的滲透性及滲流

概述滲流量透水層不透水層天然水面漏斗狀潛水面Q水井滲流7滲流量原地下水位滲流時地下水位渠道滲流§3土的滲透性及滲流

概述8§2土的滲透性及滲流

概述滲流滑坡滲流滑坡9川藏公路二郎山隧道位于四川省雅安市和甘孜州交界的二郎山防滲墻防滲墻射水法施工防滲墻16滲透的定義及土的滲透性

水透過土體孔隙的現(xiàn)象成為滲透

土具有被水透過的性能稱為土的滲透性水在土體中的滲透，一方面會造成水量的損失，影響工程效益；另一方面將引起土體內部的應力狀態(tài)的變化，從而改變水工建筑物或地基的穩(wěn)定條件，嚴重時還會釀成破壞事故。土的滲透性的強弱，對土體的固結、強度以及工程施工都有非常重要的影響§3土的滲透性及滲流

概述17滲透性研究主要有以下三方面:滲流量問題滲透破壞問題滲流控制問題§3土的滲透性及滲流

概述183.2.1滲流基本概念§3土的滲透性及滲流

§3.2土的滲透性一．滲流中的水頭(伯努力定理1738)ABL透水層不透水層基坑板樁墻19ABLh1h2zAzBΔh00基準面水力坡降線總水頭－單位質量水體所具有的能量z：位置水頭p/γw：壓力水頭V2/(2g)：流速水頭≈0A點總水頭：B點總水頭：總水頭：水力梯度：§3土的滲透性及滲流

§3.2土的滲透性3.2.1滲流基本概念20§3土的滲透性及滲流

§3.2土的滲透性3.2.2層流滲透定律

Darcy滲透定律(1855)由于土中孔隙一般非常微小，水在土體中流動時的粘滯阻力很大，流速緩慢層流即:相鄰兩個水分子運動的軌跡互相平行而不混流Δh↑，q↑A↑，q↑L↑，q↓斷面平均流速水力梯度q-流量達西滲透試驗裝置21達西定律

滲透定律§3.2土的滲透性§3土的滲透性及滲流

在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質有關。3.2.2層流滲透定律k: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i＝1時的滲流速度單位：mm/s,cm/s,m/s,m/day土的種類滲透系數(shù)cm/s卵石、碎石、礫石＞1×10-1砂1×10-1～1×10-3粉土1×10-3～1×10-4粉質粘土1×10-5～1×10-6粘土≤1×10-7各類土滲透系數(shù)變化范圍22§3.2土的滲透性§3土的滲透性及滲流

3.2.2層流滲透定律注意(教材P64)：AAvV：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度Vs：實際平均滲流速度(孔隙斷面的平均滲流速度)A>Avq＝VA＝VsAv23§3.2土的滲透性§3土的滲透性及滲流

3.2.2層流滲透定律流速與水力梯度的關系－砂土砂土的水力梯度與滲透速度呈線性關系，符合達西滲透定律。24§3.2土的滲透性§3土的滲透性及滲流

3.2.2層流滲透定律粗粒土：①礫石類土中的滲流不符合達西定律②砂土中滲透速度vcr=0.3-0.5cm/s

適用條件ivovcrivoi0層流（線性流）——大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土

兩種特例粘性土：致密的粘土

i>i0,v=k(i-i0)25§3.2土的滲透性§3土的滲透性及滲流

3.2.3滲透試驗及滲透系數(shù)室內試驗測定方法野外試驗測定方法常水頭試驗法變水頭試驗法井孔抽水試驗井孔注水試驗26§3.2土的滲透性§3土的滲透性及滲流

3.2.3滲透試驗及滲透系數(shù)1.室內滲透試驗測定滲透系數(shù)

室內試驗方法1—常水頭試驗法結果整理試驗裝置：如圖試驗條件:

Δh，A，L=const量測變量:

Q，ti=Δh/Lq=Q/tq=kAi適用土類：透水性較大的砂性土那如果滲透系數(shù)很小的黏土怎么辦？27§3.2土的滲透性§3土的滲透性及滲流

3.2.3滲透試驗及滲透系數(shù)1.室內滲透試驗測定滲透系數(shù)

室內試驗方法2—變水頭試驗法試驗裝置：如圖試驗條件:

Δh變化，A，L=const量測變量:

Δh

，t透水性較小的粘性土常水頭法僅適用于：透水性較大的砂性土28解（1）設滲流經過A土后的水頭降落值為?h，經過B土后的水頭降落值為?hB。根據(jù)各斷面的滲流速度相等，有：VA=VB=VC即：（2）如下圖所示，有A、B、C三種土，其滲透系數(shù)分別為KA=1×10-2cm/s,KB=3×10-3cm/s,KC=5×10-4cm/s,裝在斷面為10cm×10cm的方管中，問：（1）滲透經過A土后的水頭降落值?h為多少？（提示：A,B,C斷面的滲流速度相等）（2）若要保持上下水頭差h=35cm,需要每秒加多少水？例題1tt+Δt§3.2土的滲透性§3土的滲透性及滲流

3.2.3滲透試驗及滲透系數(shù)1.室內滲透試驗測定滲透系數(shù)

室內試驗方法2—變水頭試驗法結果整理:理論依據(jù):t時刻：

ΔhΔtdhdQr=-adhdQc=kiAdt=k(Δh/L)AdtdQr=dQc流入量：流出量：連續(xù)性條件：-adh=k(Δh/L)Adt選擇幾組Δh1,

Δh2,t

，計算相應的k，取平均值(3-12b)30§3.2土的滲透性§3土的滲透性及滲流

3.2.3滲透試驗及滲透系數(shù)1.室內滲透試驗測定滲透系數(shù)常水頭試驗變水頭試驗條件已知測定算式取值Δh=constΔh變化Δh，A，LQ，t重復試驗后，取均值a，A，LΔh，t不同時段試驗，取均值適用粗粒土粘性土31§3.2土的滲透性§3土的滲透性及滲流

3.2.3滲透試驗及滲透系數(shù)2.現(xiàn)場測定滲透系數(shù)方法同《地下水動力學》略3.影響滲透系數(shù)的主要因素粒徑大小及級配土的密實度土的結構土的構造水的動力粘滯系數(shù)η飽和度（含氣量）

—對k影響很大，封閉氣泡32§3.2土的滲透性§3土的滲透性及滲流

3.2.3滲透試驗及滲透系數(shù)4.滲透系數(shù)k的經驗確定方法(自學教材p70～p7１)５.成層土的等效滲透系數(shù)H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水層水平滲流條件:等效滲透系數(shù):qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi3-20意義：將Kix按厚度加權II33§3.2土的滲透性§3土的滲透性及滲流

3.2.3滲透試驗及滲透系數(shù)５.成層土的等效滲透系數(shù)H1H2H3HΔhk1k2k3xz豎直滲流:q承壓水條件:等效滲透系數(shù):3-21qi=ki(Δhi/Hi)AAAAA34水平滲流情形垂直滲流情形條件已知等效推定§3.2土的滲透性§3土的滲透性及滲流

3.2.3滲透試驗及滲透系數(shù)５.成層土的等效滲透系數(shù)35§3.2土的滲透性§3土的滲透性及滲流

3.2.3滲透試驗及滲透系數(shù)５.成層土的等效滲透系數(shù)算例說明

按層厚加權平均，由較大值控制層厚倒數(shù)加權平均，由較小值控制因此，成層土kx>kz36土的滲透系數(shù)參考值土類滲透系數(shù)k(cm/s)滲透性純礫>10-1高滲透性純礫與礫混合物10-3~10-1中滲透性極細砂10-5~10-3低滲透性粉土、砂與粘土混合物10-7~10-5極低滲透性粘土<10-7幾乎不透水37§3土的滲透性及滲流

3.3.1二維滲流方程§3.3土中二維滲流及流網Laplace方程連續(xù)性條件假定：Δh穩(wěn)定滲流h=h(x,z),v=v(x,z)取單寬：dy=1與時間無關達西定律二維滲流的基本方程1.基本方程Δh恒定、v不變38§3.3土中二維流滲流及流網§3土的滲透性及滲流

3.3.1二維滲流方程1.基本方程

連續(xù)性條件

達西定律假定Laplace方程描述滲流場內部的測管水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程式取單寬：dy=1（3-22）平面滲流連續(xù)方程39§3.3土中二維流滲流及流網§3土的滲透性及滲流

3.3.1二維滲流方程2.求解方法確定滲流場內各點的測管水頭h的分布，進而求得該條件下的滲流場基本方程邊界條件定解條件40§3.3土中二維流滲流及流網§3土的滲透性及滲流

3.3.1二維滲流方程2.求解方法裝置：如圖條件:

h，A，L=const,一維流解得h=A1z+A2由土層1邊界條件:z=0,h=h1Z=H1,h=h2A2=h1h2=A1H1+h1

或解得h=A1z+A2解得h2=A1H1+h1

或基準面41§3.3土中二維流滲流及流網§3土的滲透性及滲流

3.3.1二維滲流方程2.求解方法h=A1z+A2A2=h1(0≤z≤H1)h=A1z+A2

由土層2邊界條件:z=H1,h=h2

z=H1+H2,h=00=A1(H1+H2)+(h2-A1H1)A2=h2-A1H1（3-31）基準面42§3.3土中二維流滲流及流網§3土的滲透性及滲流

3.3.1二維滲流方程2.求解方法h=A1z+A2A2=h2-A1H1(H1≤z≤H1+H2)

根據(jù)連續(xù)性條件通過土層1和土層2的流量相等

達西定律q=kiA解得:（3-34）（3-36）h2

現(xiàn)實中一般是不知道的基準面43§3.3土中二維流滲流及流網§3土的滲透性及滲流

3.3.1二維滲流方程2.求解方法(0≤z≤H1)(3-37)(H1≤z≤H1+H2)(3-38)利用(3-37)、（3-38）式，可以在只知上下游水位差h1的情況下，得到任何位置Z的水頭h。（3-34）（3-31）（3-36）一維穩(wěn)定流情況下拉普拉斯方程的解44§3.3土中二維流滲流及流網§3土的滲透性及滲流

3.3.1二維滲流方程2.求解方法[例題3-1]已知H1=300mm，H2=500mm，h1=600mm，在z=200mm處，h=500mm，求z=600mm時h為多少？解：當z=200mm時位于土層1，因此采用式（3-37）得k1/k2=1.8∵z=600mm時位于土層2,因此采用式(3-28)基準面45求解拉氏方程的方法：解析法數(shù)值法電擬法比較精確，但只有在邊界條件簡單的情況下才能求解有限差分法（FDM）有限單元法（FEM）電網絡模擬邊界條件比較復雜的滲流圖解法簡便、迅速§3.3土中二維流滲流及流網§3土的滲透性及滲流

3.3.2流網特征與繪制求解拉氏方程的方法：簡便、迅速求解拉氏方程的方法：簡便、迅速簡便、迅速簡便、迅速簡便、迅速46§3.3土中二維流滲流及流網§3土的滲透性及滲流

3.3.2流網特征與繪制流網——滲流場中等勢線和流線所形成的正交曲線網格。流線——水質點運動的軌跡線。等勢線——測管水頭相同的點之連線。圖解法——通過繪制流線與勢線的網絡狀曲線簇來求解滲流問題。H△H01.流網的特征流網的概念47§3.3土中二維流滲流及流網§3土的滲透性及滲流

3.3.2流網特征與繪制1.流網的特征

流網特征1.正交性：流線與等勢線必須正交H△H0lsls2.各個網格的長寬比c應為常數(shù)。取c=1，即為曲邊正方形3.相鄰等勢線之間的水頭損失相等。4.各流槽的滲漏量相等。48§3.3土中二維流滲流及流網3.3.2流網特征與繪制2.流網的繪制ABCDlsH△H00ls按比例繪出結構物、地層剖面圖一個高精度的流網圖，需經過多次的修改后才能完成。根據(jù)滲流場的邊界條件確定邊界流線和首尾等勢線正交性曲邊正方形初步繪制流網流線→等勢線→反復修改，調整精度較高的流網圖49§3.3土中二維流滲流及流網3.3.2流網特征與繪制

流網特點與上下游水位變化無關Δh=const；與k無關；等勢線上各點測管水頭h相等。H△H0lsls2.流網的繪制50§3.3土中二維流滲流及流網3.3.2流網特征與繪制3.滲漏量的計算等勢線間的水頭損失

△h=△H/NdNd—等勢線條數(shù)減1

確定每個流槽的流量H△H0lslsbb網格長寬比總滲流量Nf為流槽數(shù)，等于流線減151§3.4滲透破壞與控制§3土的滲透性及滲流

522003年7月1日凌晨6：00，上海軌道交通4號線旁通道工程施工作業(yè)面內，因大量水及流砂涌入，引起隧道部分結構損壞及周邊地區(qū)地面沉降，造成三棟建筑物嚴重傾斜，防汛墻局部塌陷，導致防汛墻圍堰管涌，直接經濟損失初步估算為1.5億元人民幣左右?！?.4滲透破壞與控制§3土的滲透性及滲流

滲流土體內部應力狀態(tài)變化土體的局部穩(wěn)定問題土體的整體穩(wěn)定問題管涌、流土等水庫塌岸岸坡、土壩在水位降落時引起的滑動53§3.4滲透破壞與控制3.4.1滲透力

試驗觀察Δh=0靜水中，土骨架會受到浮力作用。Δh>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架產生一個摩擦、拖曳力。滲透力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。滲透變形滲透力h1Δhh200hwL土樣濾網貯水器ab54§3.4滲透破壞與控制§3土的滲透性及滲流

3.4.1滲透力h1Δhh200hwL土樣濾網貯水器abGwγwhwAw

γwh1Aw

J′假想將土骨架和水分開,對假想水柱取脫離體:水柱重力Gw=Vvγw+Vsγw=LAwγw滲透力為J;滲透阻力為J′?？傋枇镴′LAw做水柱體的平衡方程式有:γwhwAw+Gw+J′LAw=γwh1Aw(3-42)55滲透力的性質物理意義：單位土體內土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力j=γwi大?。悍较颍号c滲流方向一致作用對象：土骨架§3.4滲透破壞與控制3.4.1滲透力56§3.4滲透破壞與控制3.4.2流砂或流土現(xiàn)象1點，滲流力與重力方向一致，滲流力促使土體壓密，對穩(wěn)定有利2點，3點，滲流力與重力方向正交，對穩(wěn)定不利4點，滲流力與重力方向相反，對穩(wěn)定特別不利57§3.4滲透破壞與控制3.4.2流砂或流土現(xiàn)象按照滲透水流引起的局部破壞特征，滲透變形可分為流土和管涌兩種基本形式流土是指在滲流作用下局部土體表面隆起，或土粒群同時浮動而流失的現(xiàn)象。它主要發(fā)生在地基或土壩下游滲流逸出處。基坑或渠道開挖時所出現(xiàn)的流砂現(xiàn)象是流土的一種常見形式58§3.4滲透破壞與控制3.4.2流砂或流土現(xiàn)象粘性土k1<<k2砂性土k2壩體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)象滲流原因：icr一般在0.8~1.2之間59

臨界水利梯度§3.4滲透破壞與控制3.4.2流砂或流土現(xiàn)象流土流土一般發(fā)生在滲流逸出處。因此只要求出滲流逸出處的水力梯度，就可判別流土的可能性。理論上：土處于穩(wěn)定狀態(tài)土處于臨界狀態(tài)土處于流土狀態(tài)60滲透逸出的水力梯度實際上是不可求出的，通常是把滲流逸出處的流網網格的平均水力梯度作為逸出梯度。在設計時，為保證建筑物的安全，通常要求將逸出梯度限制在容許梯度[i]之內§3.4滲透破壞與控制3.4.2流砂或流土現(xiàn)象流土Fs:

安全系數(shù)1.5～2.061§3.4滲透破壞與控制3.4.2流砂或流土現(xiàn)象流土62§3.4滲透破壞與控制3.4.2流砂或流土現(xiàn)象流土63§3.4滲透破壞與控制3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象管涌在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，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。它是一種漸進性破壞。自然條件下形成的上述破壞稱之為潛蝕。潛蝕機械潛蝕—化學潛蝕—滲流的機械力將細土粒沖走而形成洞穴。水流溶解了土中的易溶鹽或膠結物，使土松散，細土被沖走而形成洞穴。64原因：內因——有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙外因——滲透力足夠大

管涌管涌破壞§3.4滲透破壞與控制3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象65§3.4滲透破壞與控制3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象66§3.4滲透破壞與控制3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象67§3.4滲透破壞與控制3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象68流土與管涌的比較流土土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動管涌只發(fā)生在水流滲出的逸出口處只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中破壞過程短導致下游坡面產生局部滑動等現(xiàn)象位置土類歷時后果土體內細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長導致結構發(fā)生塌陷或潰口§3.4滲透破壞與控制3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象69較均勻土（Cu≤10）管涌幾何條件水力條件一般發(fā)生在無粘性土中級配孔隙及細粒判定非管涌土粗顆粒形成的孔隙小于細顆粒不均勻土（Cu>10）不連續(xù)連續(xù)細粒含量>35%細粒含量<25%細粒含量=25-35%填料含量>35%

管涌土過渡型土非管涌土非管涌土管涌土過渡型土幾何條件P(%)lgd骨架充填料P53d5d3§3.4滲透破壞與控制3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象填料含量<

30%

填料含量30%~35%

70§3.4滲透破壞與控制§3土的滲透性及滲流

3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象水力條件：i>icr5101520253035402.01.51.00.50icrCu流土過渡管涌Cu>20時,icr=0.25-0.30[i]=0.10-0.15蘇聯(lián)：中國：水力坡降級配連續(xù)土級配不連續(xù)土破壞坡降icr0.20-0.400.1-0.3允許坡降[i]0.15-0.250.1-0.271防治措施增大[i]：下游增加透水蓋重

防治流土土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層減小i：上游延長滲徑；下游減小水壓防治管涌改善幾何條件：設反濾層等改善水力條件：減小滲透坡降§3.4滲透破壞與控制3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象72管涌的治理

倒濾層（又稱：反濾層）73管涌的治理反濾圍井74管涌的治理蓄水反壓75整體破壞－水庫塌岸76土的類型與滲透變形形式粘性土無粘性土過渡型土只有流土而無管涌與土的顆粒組成、級配和密度等因素有關與密度有關，大密度流土，小密度管涌77小結工程實例滲流問題土的滲透性及滲透規(guī)律二維滲流及流網滲透力與滲透變形滲流中的水頭與水力坡降滲透試驗與達西定律滲透系數(shù)的測定及影響因素層狀地基的等效滲透系數(shù)平面滲流的基本方程及求解流網的繪制及應用滲透力：概念與計算滲透變形：類型，條件，防治§3土的滲透性及滲流

78第三章練習題791.什么叫滲透力，其大小和方向如何確定？80§3土的滲透性及滲流

答：地下水在土體中流動時，由于受到土的阻力，而引起水頭損失，從作用力與反作用力的原理可知，水流經過時必定對土顆粒施加一種滲流作用力，