土的滲透性及滲流四校合編

土的滲透性及滲流四校合編第1頁/共56頁第3章：土的滲透性及滲流

§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§3.1

概述不作要求第2頁/共56頁§3.1

概述碎散性多孔介質三相體系孔隙流體流動滲流水、氣等在土體孔隙中流動的現(xiàn)象滲透性土具有被水、氣等流體透過的性質滲透特性強度特性變形特性飽和土的滲透性非飽和土的滲透性能量差土顆粒土中水滲流比較復雜，不作介紹1.滲流、滲透性的基本概念第3頁/共56頁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（1）土石壩壩基、壩身滲流§3.1

概述土中孔隙水的流動引起很多工程問題：2.土的滲透性研究的主要內容第4頁/共56頁潰口原因：堤基管涌1998年8月7日13:10發(fā)生管涌險情，20分鐘后，在堤外迎水面找到2處進水口又過20分鐘，防水墻后的土堤突然塌陷出1個洞，5m寬的堤頂隨即全部塌陷，并很快形成一寬約62m的潰口。

實例：九江大堤決口第5頁/共56頁續(xù)上：1998年九江潰堤第6頁/共56頁實例：長江堤防防滲加固防滲墻施工現(xiàn)場防滲墻第7頁/共56頁滲水壓力揚壓力滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻（2）基坑滲流：板樁圍護下§3.1

概述2.土的滲透性研究的主要內容第8頁/共56頁§3.1

概述2.土的滲透性研究的主要內容（2）基坑滲流某基坑倒塌第9頁/共56頁§3.1

概述2.土的滲透性研究的主要內容（2）基坑滲流基坑倒塌第10頁/共56頁§3.1

概述2.土的滲透性研究的主要內容（2）基坑滲流萬亨大廈基坑倒塌平面圖第11頁/共56頁滲流量透水層不透水層天然水面漏斗狀潛水面Q（3）水井滲流§3.1

概述第12頁/共56頁滲流量原地下水位滲流時地下水位（4）渠道滲流§3.1

概述第13頁/共56頁滲流滑坡（5）滲流滑坡§3.1

概述第14頁/共56頁實例：滲流滑坡（5）滲流滑坡§3.1

概述第15頁/共56頁滲透變形直接關系到建筑物的安全，土石壩失事總數中，滲透變形導致的占1/4～1/3。§3.1

概述歸納起來，滲透性研究的主要內容包括：1、滲流量問題（滲漏問題）直接關系到工程的經濟效益。如南水北調工程，陜西桃曲坡水庫。土壩壩身、壩基、渠道滲流量的估算，基坑開挖時滲流量與排水量的估算，水井的供水量的估算2、滲透破壞問題（滲透穩(wěn)定問題）

滲透力－流經土體的水流對土顆粒施加的作用力

滲透變形－滲透力過大，引起土顆粒或土體移動，造成土工建筑物或地基產生滲透變形或破壞（如地面隆起、細顆粒被水帶出）如邊坡破壞，地面隆起，堤壩失穩(wěn)，基坑倒塌3、滲流控制防止?jié)B流破壞，保證建構筑物的滲透穩(wěn)定性，以及減少滲流量的損失。

防滲措施－增加滲透路徑，降低水力坡降或滲流速度，如地基中的板樁、截水墻、垂直防滲帷幕，堤壩中的防滲心墻、水平鋪蓋

排滲措施－降低滲壓，防止?jié)B流由壩趾出流造成的危害，如坡趾的排水棱體，排水墊層、加蓋壓重反濾層。南水北調中線－從長江支流漢江上的丹江口水庫引水，沿伏牛山和太行山山前平原開渠輸水，終點北京。輸水工程：總干渠全長1241.2千米，渠首設計水位147.2米，終點49.5米，全線自流工程效益：是解決華北水資源危機的一項重大基礎設施，為京、津及河南、河北沿線城市生活、工業(yè)增加供水64億立方米，增供農業(yè)30億立方米?？λ固貪B漏，水庫總庫容4300萬m3，均質土壩1964年勘察，1974年建成蓄水，初期滲漏量0.64m3/s1975年加重，達庫水位下降1m/天，僅僅16天，滲漏損失3255萬m3，平均滲流量達23.5m3/s，庫水位全部漏光第16頁/共56頁以基坑開挖中，板樁墻的滲流為例ABL透水層不透水層基坑板樁墻3.2.1滲流的基本概念§3.2土的滲透性土在水中的滲流是由水頭差或水力剃度（hydraulicgradiant）引起的1.滲流的基本概念第17頁/共56頁ABLh1h2zAzBΔh00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：水力坡降：3.2.1滲流的基本概念§3.2土的滲透性2.滲流中的水頭與水力坡降第18頁/共56頁試驗前提：層流Δh↑，q↑A↑，q↑L↑，q↓斷面平均流速水力坡降1.滲透試驗（1856年Darcy．H）試驗結果試驗裝置：如圖試驗條件：h1，A，L=const量測變量：h2，V（cm3），t（s）水頭差Δh=h1－h(huán)2單位時間的滲出水量q＝V/t（cm3/s）3.2.2土的層流滲流定律§3.2土的滲透性達西滲透試驗裝置第19頁/共56頁

滲透定律在層流狀態(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。注意：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

＝vsAvk：反映土的透水性能的比例系數，稱為滲透系數物理意義：水力坡降i＝1時的滲流速度單位：cm/s）2.達西定律與滲透系數3.2.2土的層流滲流定律§3.2土的滲透性第20頁/共56頁適用條件：層流（線性流）巖土工程中的絕大多數滲流問題，包括砂土或一般黏土，均屬層流范圍可用雷諾數Re進行判斷：Re＜5時層流

Re

＞200時紊流

200＞

Re

＞5時為過渡區(qū)3.達西定律的適用條件3.2.2土的層流滲流定律§3.2土的滲透性1、純礫以上的很粗粒土中的滲流，如堆石體中滲流用臨界雷諾數Re作為達西定律的上限：研究表明，界線值很分散。用臨界流速vcr來劃分：v>vcr，v=k×imvcr=0.3~0.5cm/sivovcr

以下兩種情況超出了達西定律的適用范圍ioi02、黏性土－黏性很強的致密的黏土

i>i0

v=k(i-i0)第21頁/共56頁室內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滲透系數k（cm/s）:不能用理論方法求得，只能用試驗求出3.2.3滲透試驗及滲透系數§3.2土的滲透性hL土樣AVq

無黏性土－常水頭試驗法野外試驗測定方法

1.室內滲透試驗測定滲透系數（1）常水頭試驗法：適用于k>10-3cm/s的粗粒土結果整理試驗裝置：如圖試驗條件:

Δh，A，L=const量測變量:

V（或Q），ti=Δh/LV=qt=vAtv=ki適用土類：透水性較大的砂性土透水性較小的黏性土?滲水體積Q（cm3）流量（cm3/s）水頭差（cm）滲徑（cm）基馬式滲透儀南55滲透儀第22頁/共56頁土樣At=t1h1t=t2h2L滲水量Q(cm3)水頭測管開關a3.2.3滲透試驗及滲透系數§3.2土的滲透性

1.室內滲透試驗測定滲透系數（2）變水頭試驗法：適用于k＜10-3cm/s的黏質、粉質土試驗裝置：如圖試驗條件:

Δh變化，但是A、L=const量測變量:

V（或Q），t2－t1hdhtt+dt分析如下：t時刻：ΔhdtdhdQ=-adhdQ=kiAdt=k(h/L)Adt流入量＝流出量流入量：流出量：連續(xù)性條件：-adh=k(h/L)Adt結果整理：選擇幾組（t1

h1）,（t2

h2），計算相應的k，取平均值

黏性土－變水頭試驗法土樣截面積（cm2）玻璃管截面積（cm2）V第23頁/共56頁優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數抽水試驗地下水位≈測壓管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水層觀察井A=2rhi=dh/dr缺點：費用較高，耗時較長實驗方法：現(xiàn)場打一口試驗井，貫穿要測定k值的砂土層，距井中心不同距離處設置兩個觀測孔，然后自井中以不變的速率連續(xù)抽水，形成漏斗狀地下水面分析如下：假定水流為水平流向，則土中滲流為一系列的同心圓柱面取一過水斷面，半徑為r，水面高度h，i=dh/dr且為常數3.2.3滲透試驗及滲透系數§3.2土的滲透性

2.現(xiàn)場測定滲透系數野外測定方法－抽水試驗和注水試驗法第24頁/共56頁3.2.3滲透試驗及滲透系數§3.2土的滲透性

4.滲透系數的經驗確定方法（1）1930Hansen提出的方法潔凈的、不含細粒土的松砂，采用以下方法估算其滲透系數k（cm/s）式中，d10－土的有效粒徑（mm）對于較密實或擊實砂土，采用以下方法估算其滲透系數k（cm/s）式中，d15－小于某粒徑土重累計含量15%對應的顆粒粒徑（mm）（2）1982SamarasingleAM、HuangYH、DrnevichVP等提出的方法黏性土，采用以下方法估算其滲透系數k（cm/s）式中，e為孔隙比，C3和n是由試驗決定的常數（3）其他方法參見教材P71表3－2第25頁/共56頁k(cm/s)土類滲透性評價102均勻的卵礫石很好101.010-1均勻砂土、砂礫混合裂隙黏土、風化黏土好10-210-3很細的的砂土、粉土、帶夾層的黏土10-4不好10-510-6相對不透水層10-7均勻的黏土10-8<10-83.2.3滲透試驗及滲透系數§3.2土的滲透性土的滲透系數一般范圍第26頁/共56頁影響土滲透性的因素較多，主要包括：

粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結構飽和度（含氣量）水的動力黏滯系數3.2.3滲透試驗及滲透系數§3.2土的滲透性

3.影響滲透系數的主要影響因素滲透系數及其應用

滲流計算判定土透水性的強弱相對不透水層＜10-6cm/s

中等透水層10-3～10-5cm/s

強透水層＞10-2cm/s選擇土料土石壩心墻＜10-6cm/s

其它＞

10-3cm/s第27頁/共56頁無黏性土：許多研究者得出了其k與某一特征粒徑的平方成正比，如HazenA，1911k=c1d102C1＝40～120

水利水電研究院，100C時滲透系數：k10=234n3d202

參見圖3-10bP68

無黏性土中，細粒含量愈多，如砂土中粉粒含量及黏粒含量增多時，砂土的滲透性會大大減少。黏性土：黏粒大小與其礦物成分有一定的關系，不同黏土礦物之間滲透系數相差極大，滲透性大小的次序一般為：高嶺石>伊里石>蒙脫石（1）土粒的大小和級配：對k的影響最大（2）土的孔隙比：對k的影響明顯孔隙比的減小，土的滲透性也隨之減少。土的e～k關系有著名的阿森－卡門公式無黏性土：符合以上公式，見圖3-10a、c黏性土：以上公式偏離較大，對于k＝10-4～10-7cm/s的黏性土，由于顆粒定向排列和孔隙大小及其分布的影響，lgk與e之間呈直線關系，見圖3-11b3.2.3滲透試驗及滲透系數§3.2土的滲透性

3.影響滲透系數的主要影響因素00.10.20.30.40.5108642020℃時的滲透系數k(10-2cm/s)孔隙比的函數f(e)e2第28頁/共56頁飽和度sr(%)滲透系數k(10-3cm/s)87654328090100（3）飽和度的影響（4）溫度影響－水的動力黏滯系數η影響水溫不同，水重度γw相差不多，但η變化較大溫度T↑，η↓前蘇聯(lián)、日本、美國的溫度標準分別為10、15、200C我國在測定k時，以200C為標準溫度水溫度T高其黏滯性η低滲透系數k大封閉氣泡對k影響很大，可減少有效滲透面積，還可以堵塞孔隙的通道。為了測定k的準確值，要求試樣充分飽和。3.2.3滲透試驗及滲透系數§3.2土的滲透性

3.影響滲透系數的主要影響因素第29頁/共56頁等效滲透系數確立各層的km考慮滲流方向天然土層多呈層狀3.2.3滲透試驗及滲透系數§3.2土的滲透性

5.成層土的等效滲透系數天然沉積的黏性土常由滲透性不同且厚薄不一的多層土所組成，例如黏性土土石壩，分層碾壓層面結合不好，形成多層土壩基。研究成層土的滲透性時，常按單一土層考慮：單一土層厚度為各土層厚度之和；其滲透系數為等效的滲透系數。層狀地基的等效滲透系數計算方法如下：第30頁/共56頁H1H2H3HΔhk1k2k3xyq1xq3xq2xL（1）水平等效滲透系數kx1122不透水層水平滲流具有如下特點各土層的水力坡降相同，且與等效土層的平均水力坡降相同；等效土層的滲流量等于各層滲流量之和。等效滲透系數kx:qx=vx（H×1）=kxiHΣqmx=Σkmim（Hm×1）3.2.3滲透試驗及滲透系數§3.2土的滲透性

5.成層土的等效滲透系數成層土水平滲透第31頁/共56頁H1H2H3HΔhk1k2k3xzv承壓水任一土層m：等效滲透系數:（2）豎直等效滲透系數ky3.2.3滲透試驗及滲透系數§3.2土的滲透性5.成層土的等效滲透系數豎直滲流具有如下特點：各土層的流速與等效土層的流速相同；各層土的水頭損失之和等于等效土層的水頭損失。成層土豎向滲透第32頁/共56頁算例

kx

可以近似由最透水層的滲透系數和厚度控制，如本例中k3、H3ky

可以近似由最不透水層的滲透系數和厚度控制，如本例中k1、H1（3）總結單一天然土層的水平滲透系數kx

一般大于垂直向滲透系數ky，kx/ky=2~10。3.2.3滲透試驗及滲透系數§3.2土的滲透性

5.成層土的等效滲透系數最不透水層最透水層第33頁/共56頁例題3.2.3滲透試驗及滲透系數§3.2土的滲透性

5.成層土的等效滲透系數兩種土，土樣1位于土樣2的上部，長度都是20cm，總水頭損失40cm，土樣l滲透系數為0.03cm/s，土樣2水力坡降為0.5。求：土樣2的滲透系數k2=?土樣1的水力坡降i1=?解（1）土樣1的水力坡降：等效土層水頭損失h=40cm

h=

h1＋

h2＝H1i1+H2i2=20(i1+i2)i1=2－0.5＝1.5

（2）土樣2的滲透系數水在土樣1和土樣2中滲流時的速度相同：

v=k1i1=k2i2

得：k2=0.09cm/s例題圖12第34頁/共56頁土體積孔隙水中的水流受到的總阻力F：F=hAγw總滲透力J與阻力F大小相等，方向相反。單位體積的滲透力為j：j=J/(AL)=iγw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。h1+L+hhh1+L00h1L土樣濾網貯水器abh=0

靜水中，土骨架會受到浮力作用。h>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。（1）試驗觀察3.4.1滲流力§3.4滲透破壞與控制第35頁/共56頁h1+L+hhh1＋L00h1L土樣濾網貯水器ab土粒滲流j滲透力與浮力有何區(qū)別？（2）物理本質3.4.1滲流力§3.4滲透破壞與控制第36頁/共56頁h200hwL土樣濾網貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1W=Lγsat＝L(γ+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh2R=?R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ+γw)+γwhw

R=γ

L土水整體分析（3）計算方法3.4.1滲流力§3.4滲透破壞與控制第37頁/共56頁h1Δhh200hwL土樣濾網貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1W=Lγsat＝L(γ+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh1R=?R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ+γw)+γwhw

R=γL－γwΔhR=γ

L滲流中的土體土水整體分析（3）計算方法3.4.1滲流力§3.4滲透破壞與控制第38頁/共56頁靜水中的土體R=γ

L－γwΔhR=γ

L滲流中的土體向上滲流存在時，濾網支持力減少減少的部分由誰承擔？水與土之間的作用力－滲流的拖曳力總滲透力J=γwΔh滲透力j=J/V=γwΔh/L=γwij=

γwi土水整體分析（3）計算方法3.4.1滲流力§3.4滲透破壞與控制R=γ

L－γwΔh滲流中的土體所受濾網支持力向上滲流存在時，濾網支持力減少臨界水力坡降：i=Δh/L=γ

/γwicr=

γ/γwγ

L－γwΔh=0第39頁/共56頁物理意義：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大小：方向：與i方向一致（均質土與滲流方向一致）作用對象：土骨架滲透力的性質3.4.1滲流力§3.4滲透破壞與控制基本類型滲透變形（滲透破壞）的基本形式

流土管涌滲透變形－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

防治措施

第40頁/共56頁黏性土k1<<k2砂性土k2壩體1、流土在向上的滲透作用下，黏性土或無黏性土體表層局部范圍內的土體顆粒或顆粒群同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象滲流原因：3.4.2流砂或流土滲透變形§3.4滲透破壞與控制流土（砂）不僅取決于滲流力的大小，而且與土的顆粒級配、密度及透水性有關滲透變形－水庫塌岸第41頁/共56頁流土主要發(fā)生在地基或土壩下游滲流溢出處3.4.2流砂或流土滲透變形§3.4滲透破壞與控制圖流砂涌向基坑引起建筑物不均勻沉降圖河堤下游覆蓋層下流砂涌出的現(xiàn)象第42頁/共56頁3.4.2流砂或流土滲透變形§3.4滲透破壞與控制2、流土滲透變形的判別Fs：安全系數1.5～2.0[i]：允許坡降i<icr＝(G-1)/(1+e):i=icr＝(G-1)/(1+e):i>icr

＝(G-1)/(1+e)

:土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞土體處于臨界狀態(tài)土體開始發(fā)生流土滲透變形時的水力坡降，稱為臨界水力坡降icr由于流土破壞歷時短，破壞后果嚴重，因此設計中保證一定的安全系數：無壓重時：（1）臨界水力坡降與土性關系密切

土的Cu↑，icr↓

土中細粒含量↑，

icr

↑

土的滲透系數↑，icr↓（2）e＞0.75~0.80，d10＜0.1mm，Cu＜5的細砂中最容易發(fā)生流砂。具有以下特征土的顆粒組成中，黏粒含量＜10%，粉粒、砂粒含量＞75%

土的不均勻系數Cu＜5

土的含水量＞30%

土的孔隙比＞0.75

黏性土中夾有砂層，其厚度＞25cm第43頁/共56頁土壩流土的防治措施－實例

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；下游減小水壓流砂現(xiàn)象防治原則（1）減小或消除水頭差：如采取基坑外的井點降水降低地下水位，或采取水下挖掘（2）增長滲流路徑，如打設板樁（3）在向上滲流出口處地表用透水性材料覆蓋壓重以平衡滲流力（4）土層加固：凍結、注漿3.4.2流砂滲透變形防治措施§3.4滲透破壞與控制輕型井點降低地下水位全貌圖第44頁/共56頁1、管涌原因：內因－有足夠多的粗顆粒形成大于細粒徑的孔隙通道外因－滲透力足夠大

在滲流作用下，土中無黏性的細小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，以致流失。隨著土中孔隙的不斷擴大，滲流速度不斷增加，較粗的顆粒也相繼被流水帶走，導致土體內形成與地表貫通的滲流通道，造成土體塌陷。管涌管涌破壞3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象§3.4滲透破壞與控制第45頁/共56頁較均勻砂土（Cu≤5）黏性土2、管涌滲透變形的判別管涌幾何條件水力條件一般發(fā)生在無黏性土中級配孔隙及細粒破壞形式流土破壞粗粒形成的孔隙通道小于細粒徑砂土和砂礫石（Cu>5）缺乏中間粒徑的砂礫石正常級配的砂礫石D0=0.25Cu1/8d20細粒含量>35%細粒含量<25%細粒含量=25-35%D0

<d3D0

>d5D0=d3-d5管涌破壞過渡型流土破壞流土破壞管涌破壞過渡型幾何條件P(%)lgd骨架充填料P53d5d33.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象§3.4滲透破壞與控制第46頁/共56頁水力條件：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)：我國：管涌破壞要經過一段時間，要除以1.5～2的安全系數水力坡降級配連續(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]0.15-0.250.1-0.23.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象§3.4滲透破壞與控制2、管涌滲透變形的判別第47頁/共56頁3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象§3.4滲透破壞與控制3、管涌的防治措施第48頁/共56頁潛蝕－為了與人類工程活動所引起的管涌相區(qū)別，把自然界中的管涌現(xiàn)象稱為潛蝕潛蝕作用分為機械的、化學的兩種（1）機械潛蝕－滲流作用下將土體中的細粒土帶走，形成洞穴（2）化學潛蝕－土中的易溶鹽、膠結物在水流中溶解，使土體變松散，細粒土被水沖走而形成洞穴。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、延長滲透路徑3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象§3.4滲透破壞與控制3、管涌的防治措施（1）反濾倒?jié)B第49頁/共56頁3.4.3管涌和潛蝕現(xiàn)象§3.4滲透破壞與控制

3、管涌的防治措施（3）蓄水反壓（2）反濾圍井（2）反濾圍井第50頁/共56頁流土表層土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生懸浮、移動管涌只發(fā)生在滲流逸出處，不發(fā)生在土體內部滲透力足夠大，可在黏性土、均勻砂（Cu<5）中局部發(fā)生流土破壞過程很短，時間短暫導致下游坡面產生局部滑動、突然上抬等現(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→孔隙增加→較粗顆粒被帶走可發(fā)生于土體內部和滲流逸出處一般發(fā)生在Cu>5的不均勻砂土，或者分散性黏土破壞過程相對較長，是漸進性的破壞導致土工建筑物發(fā)生塌陷或潰口§3.4滲透破壞與控制3.4.3流土與管涌的比較第51頁/共56頁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的測定及影響因素層狀地基的等效滲透系數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，防治第3章土的滲透性及滲流總結不作要求第52頁/共56頁第3章作業(yè)3－83－93－10第53頁/共56頁1、黏性土的塑限和