土中水的運(yùn)動規(guī)律詳解演示文稿

土中水的運(yùn)動規(guī)律詳解演示文稿當(dāng)前第1頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)（優(yōu)選）土中水的運(yùn)動規(guī)律當(dāng)前第2頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)§2.1土中毛細(xì)水及其對工程的影響

土是具有連續(xù)孔隙的介質(zhì)，水在重力作用下可以穿過土的孔隙而發(fā)生流動。下面討論毛細(xì)作用和土中水的滲流問題。2.1.1土層中的毛細(xì)水分布土層中的毛細(xì)水所浸潤的范圍稱為毛細(xì)水帶，毛細(xì)水帶分成3種。

1.正常毛細(xì)水帶。位于毛細(xì)帶下部。2.毛細(xì)網(wǎng)狀水帶。位于毛細(xì)帶中部。3.毛細(xì)懸掛水帶。位于毛細(xì)帶上部。地下水位毛細(xì)上升高度(hc)毛細(xì)帶當(dāng)前第3頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)2.1.2毛細(xì)水上升原理毛細(xì)水的上升是由于液體的“表面張力”和毛細(xì)管的“濕潤現(xiàn)象”產(chǎn)生的。當(dāng)前第4頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)2.1.3土的毛細(xì)現(xiàn)象對工程的影響

1.引起建筑物地基凍害.2.使建筑物的防潮要求更高.3.浸蝕混凝土及鋼筋.4.使土層沼澤化.

當(dāng)前第5頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)浸潤線流線等勢線下游上游土壩蓄水后水透過壩身流向下游H隧道開挖時(shí)，地下水向隧道內(nèi)流動

在水位差作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象稱為滲透

§2.2土的滲透性2.2.1土的層流滲透定律當(dāng)前第6頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)一、達(dá)西定律1856年法國學(xué)者Darcy對砂土的滲透性進(jìn)行研究結(jié)論：水在土中的滲流量與過水?dāng)嗝婧退^成正比，與滲流路徑成正反比。速度與試樣的水力梯度成正比v=Q/A=ki達(dá)西定律水力梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失

Q=（kAh）/L當(dāng)前第7頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)二、達(dá)西定律適用范圍與起始水力坡降達(dá)西定律討論：砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關(guān)系

密實(shí)的粘土，需要克服結(jié)合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透;同時(shí)滲透系數(shù)與水力坡降的規(guī)律還偏離達(dá)西定律而呈非線性關(guān)系

ib起始水力坡降虛直線簡化達(dá)西定律適用于層流，不適用于紊流v=kiivO砂土0iv密實(shí)粘土當(dāng)前第8頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)2.2.2滲透系數(shù)及其確定方法一、實(shí)驗(yàn)室測定法時(shí)間t內(nèi)流出的水量1.常水頭試驗(yàn)————整個(gè)試驗(yàn)過程中水頭保持不變適用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。

hAtQLk=當(dāng)前第9頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)2.變水頭試驗(yàn)————整個(gè)試驗(yàn)過程水頭隨時(shí)間變化

截面面積a任一時(shí)刻t的水頭差為h，經(jīng)時(shí)段dt后，細(xì)玻璃管中水位降落dh，在時(shí)段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量

dV=－adh

在時(shí)段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量

dV=kiAdt=kAh/Ldt

管內(nèi)減少水量＝流經(jīng)試樣水量

－adh=kAh/Ldt

分離變量積分

適用于透水性差，滲透系數(shù)小的粘性土

當(dāng)前第10頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)二、現(xiàn)場測定法現(xiàn)場測定法滲透系數(shù)的方法有野外注水試驗(yàn)和野外抽水試驗(yàn)1.抽水試驗(yàn)井點(diǎn)布置根據(jù)實(shí)驗(yàn)地的水文地質(zhì)特征,在典型地點(diǎn)布置一抽水井及若干個(gè)觀測井,組成實(shí)驗(yàn)網(wǎng).2.滲透系數(shù)計(jì)算三、經(jīng)驗(yàn)估算法1.哈森有效粒徑公式:2.太沙基公式:22102edK×=210dK=當(dāng)前第11頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)四、影響滲透系數(shù)的因數(shù)1.土粒大小與級配

細(xì)粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時(shí)，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。2.土的密實(shí)度

3.水的動力粘滯系數(shù)

同種土在不同的密實(shí)狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實(shí)度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。

動力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動力粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。4.土中封閉氣體含量

土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多，土的滲透性愈小。T、20分別為T℃和20℃時(shí)水的動力粘滯系數(shù)，可查表

當(dāng)前第12頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)四、例題分析【例】

設(shè)做變水頭滲透試驗(yàn)的粘土試樣的截面積為30cm2，厚度為4cm，滲透儀細(xì)玻璃管的內(nèi)徑為0.4cm，試驗(yàn)開始時(shí)的水位差為160cm，經(jīng)時(shí)段15分鐘后，觀察得水位差為52cm，試驗(yàn)時(shí)的水溫為30℃，試求試樣的滲透系數(shù)

【解答】已知試樣截面積A=30cm，滲徑長度L=4cm，細(xì)玻璃管的內(nèi)截面積h1=160cm，h2=52cm，△t=900s

試樣在30℃時(shí)的滲透系數(shù)

當(dāng)前第13頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)§2.3動水壓力和流沙現(xiàn)象2.3.1動水力的計(jì)算公式1.滲透力——滲透水流施加于單位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置兩個(gè)測壓管，測壓管水面高差h水流流經(jīng)這段土體，受到土顆粒的阻力，阻力引起的水頭損失為h土粒對水流的阻力應(yīng)為

土樣面積根據(jù)牛頓第三定律，試樣的總滲流力J和土粒對水流的阻力F大小相等，方向相反

當(dāng)前第14頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)作用于單位土體的動水壓力說明：滲透力j是滲流對單位土體的作用力，是一種體積力，其大小與水力坡降成正比，作用方向與滲流方向一致，單位為kN/m3

滲透力的存在，將使土體內(nèi)部受力發(fā)生變化，這種變化對土體穩(wěn)定性有顯著的影響abc滲透力方向與重力一致，促使土體壓密、強(qiáng)度提高，有利于土體穩(wěn)定滲流方向近乎水平，使土粒產(chǎn)生向下游移動的趨勢，對穩(wěn)定不利滲流力與重力方向相反，當(dāng)滲透力大于土體的有效重度，土粒將被水流沖出wDiTGg==當(dāng)前第15頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)2.3.2流砂、管涌和臨界水利梯度滲透水流將土體的細(xì)顆粒沖走、帶走或局部土體產(chǎn)生移動，導(dǎo)致土體變形—————滲透變形問題（流砂和管涌）

1.流砂——在滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土粒群同時(shí)發(fā)生移動的現(xiàn)象

流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處，不發(fā)生于土體內(nèi)部。開挖基坑或渠道時(shí)常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。當(dāng)前第16頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)2.管涌——在滲流作用下，無粘性土中的細(xì)小顆粒通過較大顆粒的孔隙，發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象

土體在滲透水流作用下，細(xì)小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成能穿越地基的細(xì)管狀滲流通道，掏空地基或壩體，使其變形或失穩(wěn)。管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處，發(fā)展一般有個(gè)時(shí)間過程，是一種漸進(jìn)性的破壞當(dāng)前第17頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)3.流土與管涌的判別——滲透變形的形式與土的類別、顆粒級配以及水力條件等因素有關(guān)

粘性土由于粒間具有粘聚力，粘結(jié)較緊，一般不出現(xiàn)管涌而只發(fā)生流土破壞；一般認(rèn)為不均勻系數(shù)Cu>10的勻粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地區(qū)較易發(fā)生流土破壞

對Cu>10的砂和礫石、卵石，分兩種情況:1.當(dāng)孔隙中細(xì)粒含量較少（小于30%）時(shí)，由于阻力較小，只要較小的水力坡降，就易發(fā)生管涌2.如孔隙中細(xì)粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時(shí)細(xì)料含量約為30%－35%），此時(shí)的阻力最大，一般不出現(xiàn)管涌而會發(fā)生流土現(xiàn)象當(dāng)前第18頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)４.臨界水力坡度———使土體開始發(fā)生滲透變形的水力坡度

GJ當(dāng)土顆粒的重力與滲透力相等時(shí)，土顆粒不受任何力作用，好像處于懸浮狀態(tài)，這時(shí)的水力坡降即為臨界水力坡降或

在工程計(jì)算中，將土的臨界水力坡降除以某一安全系數(shù)Fs(2～3)，作為允許水力坡降[i]。設(shè)計(jì)時(shí)，為保證建筑物的安全，將滲流逸出處的水力坡降控制在允許坡降[i]內(nèi)當(dāng)前第19頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)

２．４流網(wǎng)及其應(yīng)用

對單維滲流，只要知道土體兩端的水頭或水頭差及滲透系數(shù)，則土體內(nèi)的水力梯度、滲流速度及滲透力就可由達(dá)西定律求出。但實(shí)際工程中的滲流問題，如土坡、壩基、閘基等，經(jīng)常是邊界條件比較復(fù)雜的二維滲流，有時(shí)是三維滲流問題。下面對二維滲流問題進(jìn)行討論。當(dāng)前第20頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)當(dāng)前第21頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)2.４.１二維滲流的基本微分方程如果取壩基中任一點(diǎn)A作為微元體，由于壩體的長度很長，所以其滲流是二維的，即滲流屬于平面問題。對于平面滲流問題?？捎孟旅娴睦绽刮⒎址匠糖蠼猓?/p>

當(dāng)前第22頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)2.４.２流網(wǎng)及其性質(zhì)

可用解析法、數(shù)值法等，求解拉普拉斯方程，并將其結(jié)果可繪成流網(wǎng)。

流網(wǎng)——由流線等勢線組成的網(wǎng)格。

流網(wǎng)的性質(zhì)：①流線與等勢線互相正交；②每個(gè)網(wǎng)格的長寬比為常數(shù)，即li/bi=C，當(dāng)C=1.0時(shí)，網(wǎng)格為曲線正方形；③任意兩相鄰流線間的滲流量相等；④任意兩相鄰等勢線間的水頭損失相等。當(dāng)前第23頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)2.４.３流網(wǎng)的繪制當(dāng)前第24頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)

當(dāng)前第25頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)

2.４.４流網(wǎng)的應(yīng)用

按流網(wǎng)繪制的要求繪出流網(wǎng)圖，然后即可求出流網(wǎng)中各點(diǎn)的水力梯度、滲透速度、滲流量。

當(dāng)前第26頁\共有28頁\編于星期二\4點(diǎn)1．水力梯度計(jì)算

如上圖，上、下游的水位差為h，根據(jù)流網(wǎng)的性質(zhì)，每相鄰兩等勢線間的水頭差為