第三章土的滲透性及滲透穩(wěn)定§

3.1概述§

3.2土的滲透性§

3.3土中二維滲流及流網(wǎng)簡介§

3.4滲透破壞與控制■滲透系數(shù):Permeability,hydraulicconductivity(k)■水力梯度:hydraulicgradient

(i)■達西定律：Darcy’sLaw■平均流速：Realaveragevelocity,Darcyvelocity(v,va)（假想平均流速）■實際平均流速：seepagevelocity(vr,vs)

（孔隙水平均流速)■滲透力：seepageforce■臨界水力梯度：criticalhydraulicgradient(icr)重要術(shù)語中英文對照3.1概述1.滲流：水在重力作用下，透過土體發(fā)生運動，這一現(xiàn)象稱為滲流2.土的滲透性：土體被水透過的性質(zhì)

3.巖土工程實踐中的滲流問題見下頁水在地圈中的循環(huán)示意圖511：50左右洞口擴大加速，泥水對壩基的沖蝕更加劇烈。Teton壩由于滲透造成的構(gòu)筑物破壞大壩下游趾部流土大壩上游入滲處管涌造成空洞大壩上游入滲處管涌基坑降水示意圖井點降水示意圖固體廢棄物填埋場對地下水的污染示意圖堤壩中防止?jié)B流破壞采取的工程措施堆石壩滲透性與工程緊密相關(guān)的有：1.滲流量問題：基坑開挖或施工(P61圖3-1(a))。2.滲透破壞問題：堆石壩下游趾部管涌及上游填土流土。3.滲流控制問題：基坑、大壩。4.水體污染問題：廢棄物填埋場。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土石壩壩基壩身滲流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板樁圍護下的基坑滲流滲流量透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q滲流量原地下水位滲流時地下水位渠道滲流滲流量滲透變形滲流滑坡土的滲透性及滲透規(guī)律滲透力與滲透變形土坡穩(wěn)定分析擋水建筑物集水建筑物引水結(jié)構(gòu)物基坑等地下施工多雨地區(qū)邊坡位置水頭：到基準面的豎直距離，代表單位重量的液體從基準面算起所具有的位置勢能壓力水頭：水壓力所能引起的自由水面的升高，表示單位重量液體所具有的壓力勢能測管水頭：測管水面到基準面的垂直距離，等于位置水頭和壓力水頭之和，表示單位重量液體的總勢能在靜止液體中各點的測管水頭相等3.2土的滲流性一位置、壓力和測管水頭zA00ABu0

pazB基準面靜水水往低處流水往高處“跑”速度v壓力u位置：使水流從位置勢能高處流向位置勢能低處流速：水具有的動能壓力：水所具有的壓力勢能也可使水流發(fā)生流動水流動的驅(qū)動力

位置勢能：mgz壓力勢能：00基準面質(zhì)量m壓力u流速vz動能：總能量：稱為總水頭，是水流動的驅(qū)動力單位重量水流的能量：二滲流中的水頭與水力梯度透水層不透水層基坑板樁墻滲流為水體的流動，應滿足液體流動的三大基本方程：連續(xù)性方程、能量方程、動量方程LABABLhAzA基準面總水頭：單位重量水體所具有的能量位置水頭Z：水體的位置勢能（任選基準面）壓力水頭u/

w：水體的壓力勢能（u孔隙水壓力）流速水頭v2/(2g)：水體的動能（對滲流多處于層流≈0）滲流的總水頭：1滲流問題的水頭也稱測管水頭，是滲流的總驅(qū)動能，滲流總是從總水頭高處流向水頭低處伯努力Bernowlli方程2水力梯度

B點總水頭：二點總水頭差：反映了兩點間水流由于摩阻力造成的能量損失水力梯度i：單位滲流長度上的水頭損失

A點總水頭：hAB不透水層

A點的總水頭hA=ZA+LA

B點的總水頭hB=ZB+LB

兩點總水頭差hA-hB=(ZA-ZB)+(LA-LB)=DL+LA-LB=L-LB=hLALBDLL三滲透試驗與滲透系數(shù)1856年達西(Darcy)在研究城市供水問題時進行的滲流試驗或：其中，A是試樣的斷面積A1達西定律達西定律：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(zhì)有關(guān)滲透系數(shù)k:反映土的透水性能的比例系數(shù)，其物理意義為水力梯度(坡降)i＝1時的滲流速度，單位：m/s(SI單位)滲透速度v：土體試樣全斷面的平均滲流速度，也稱假想平均滲流速度其中，vs為實際平均流速，孔隙水中的平均流速2.2.2

Darcy'sLaw

平均流速(或達西流速Darcyvelocity)v(orva)真實流速(seepagevelocity)vr(orvs)=v/n

k反映了土滲透性的強弱礫砂、粗砂中砂細砂、粉砂粉土粉質(zhì)黏土黏土10-3~10-4m/s10-4~10-5m/s10-5~10-6m/s10-6~10-8m/s10-8~10-9m/s10-9~10-12m/s砂、礫的透水性強，可以起到排水作用；粘性土的透水性弱，可以起到截水的作用。礫砂、粗砂、中砂屬強透水材料，粉、細砂屬中透水性材料，粉土屬弱透水材料，粉質(zhì)粘土屬于基本不透水材料，粘土屬于不透水材料。各類土的滲透系數(shù)各種類性土的e-logk關(guān)系圖（Lamb&Whittman1969)2達西定律的適用范圍適用條件：層流（線性流動）巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問題，包括砂土或一般粘土，均屬層流范圍在粗粒土孔隙中，水流形態(tài)可能會隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達西定律。可用雷諾數(shù)進行判斷：2.01.51.00.50流速(m/h)0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5達西定律適用范圍水力梯度礫石粗砂中砂細砂極細砂h10dvRe

=Re＜5時層流

Re

＞200時紊流

200＞

Re

＞5時為過渡區(qū)

在純礫以上的很粗的粗粒土如堆石體中，在水力坡降較大時，達西定律不再適用，此時：兩種特例對致密的粘性土，存在起始水力坡降i0

？？i>ib,v=k

(i-ib)礫土：水頭梯度較大時，不適合達西定律，p643.滲透系數(shù)的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室內(nèi)試驗方法野外試驗方法經(jīng)驗估算法室內(nèi)試驗法確定滲透系數(shù)（常水頭法）常水頭法變水頭法僅僅適合細粒土？(教科書?)

L變水頭法現(xiàn)場抽水試驗（下臥土層為不透水層）§3土的滲透性和滲流問題

野外測定方法－抽水試驗和注水試驗法A=2πrhi=dh/dr(Dupuit假設(shè)）實驗方法：理論依據(jù)：§3土的滲透性和滲流問題

優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)地下水位≈測壓管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水層觀察井缺點：費用較高，耗時較長積分Figure3-9Pumpingtestfromawellpenetratingthefulldepthinaconfinedaquifer§3土的滲透性和滲流問題

4影響因素

粒度成分孔隙比、密實度

飽和度

土的結(jié)構(gòu)

土的構(gòu)造孔隙水粘滯性5固有滲透系數(shù)(Intrinsicpermeability)K2.2.2

Darcy'sLaw

建議者建議公式符號說明適用條件泰勒（Tayler,D.W(1948)k0:初始滲透系數(shù)e0:初始孔隙比黏性土e<2.5哈贊(Hazen1930)CH：哈贊常數(shù)，50～150；T：水溫，；d10：土的有效粒徑，mm。上式適用于中等密實砂，下式適于土的有效粒徑0.1~3mm，Cu<5時的松砂。太沙基(Tazaghi1948)d10：土的有效粒徑，mm；e：土的孔隙比。砂性土水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范GB50287-99d20：占總土重20%土粒粒徑，mmCu：不均勻系數(shù)。砂性土和粘性土Kozen-Carman公式

依據(jù)(a)Poiseuille定律(水平圓管流體，穩(wěn)定層流）

=粘滯系數(shù)；p=

液體重度；R=管半徑；ih=水力梯度

依據(jù)(b)達西定律v=ki

Kozen-Carman公式表達式k=滲透系數(shù);S0=單位體積顆粒的比表面積

S=飽和度；Cs=形狀系數(shù)；

=粘滯系數(shù)H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL層狀地基的等效滲透系數(shù)1122不透水層水平滲流條件:等效滲透系數(shù):qx=vxH=kxiHΣqmx=ΣkmimHm§3.2土的滲透性和滲流Fig3-13(a)成層地基豎向等效滲透系數(shù)

Equivalentpermeabilitydetermination-erticalflowinstratifiedsoil例題某滲透試驗裝置如圖所示，砂I的滲透系數(shù)k1=2

10-1cm/s,砂II的滲透系數(shù)k2=10-1cm/s，砂斷面積A=200cm2問：①在砂I與砂II分界面處安裝一測壓管，則測壓管中水面將升至右端水面以上多高？問：②滲透量Q多大？答案：①10cm②10cm/s3平面問題：滲流剖面和產(chǎn)生滲流的條件沿某一個方向不發(fā)生變化，則在垂直該方向的各個平面內(nèi)，滲流狀況完全一致。

對平面問題，常取dy=1m單位寬度的一片來進行分析h=h(x,z),v=v(x,z)與時間無關(guān)

穩(wěn)定滲流：流場不隨時間發(fā)生變化的滲流一平面穩(wěn)定滲流第三節(jié)二維滲流和流網(wǎng)Δh滲流的連續(xù)性方程

單位時間流入單元的水量:滲流的連續(xù)性方程：

單位時間內(nèi)流出單元的水量:

連續(xù)性條件:dxdzvxvzxz滲流的運動方程

達西定律：

滲流的連續(xù)性方程：滲流的運動方程：特例：各向同性均質(zhì)土體kx=kzLaplace方程，描述滲流場內(nèi)水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程數(shù)學解析法或近似解析法：求取滲流運動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)展電比擬試驗法：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流網(wǎng)法：簡便快捷，具有足夠的精度，可分析較復雜斷面的滲流問題滲流分析的方法解析法應用舉例：p75,圖3-15思路：簡化為一維，結(jié)合邊界條件求解任一深度處總水頭（注意：h是總水頭(測管水頭)，基準面選擇土層1和2分界面。流線與

等勢線相結(jié)合，形成流網(wǎng)流線與等勢線正交；流線與等勢線構(gòu)成的網(wǎng)格長寬比為常數(shù)；相鄰等勢線之間的水頭損失相等；各流槽的滲流量相等；流網(wǎng)密集部位，流速大，等勢線密集部位，水力梯度大。流網(wǎng)特點流網(wǎng)繪制P77滲流量計算1.相鄰等勢線的水頭損失2.單個流槽的滲流量3.總滲流量（b=L）P78TypicalflownetnetproblemsThequantityofflow:Nd=等勢線與流線形成的網(wǎng)格數(shù)（9）b/L=1,Nf=流線所形成的流槽個數(shù)(3)b/L=1一滲透力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(chǎn)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第四節(jié)土的滲透破壞與控制h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab土粒滲流滲透力j：體積力滲透力j：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab截面積

A=1h200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab

滲透力-受力分析WW=L

sat

＝L(

+

w)P1

=

whwP2

=

wh2R（濾網(wǎng)支持力）=?R+P2=W+P1R+

wh2=L(

+

w)+

whw

R=

L

土水整體受力分析-靜水截面積

A=1WW=L

sat

＝L(

+

w)P1

=

whwP2

=

wh1R=?R+P2=W+P1R+

wh1=L(

+

w)+

whw

R=

L-

wh

土水整體受力分析-滲流h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab向上滲流存在時，濾網(wǎng)支持力減少。當濾網(wǎng)支持力=0,水力梯度稱為臨界水力梯度icr，土體開始發(fā)生流土破壞時的水力梯度：R=

L-

wh=0

臨界水力梯度h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abicr=

h/L=

/

wicr取決于土的物理性質(zhì)由于臨界水力梯度icr隨不均勻系數(shù)Cu的變化臨界水力梯度icr隨細粒填料含量的變化補充說明資料細粒含量=

+

WW

Ww土水=土顆粒+孔隙水JRJ

P1P2P1P2R土水隔離受力分析R=

L-

wh

土顆粒受力分析：有效重量：W

=L

總滲透力：J=Lj濾網(wǎng)的反力：R

孔隙水受力分析：水壓力：P1=

whw

P2=

wh1總滲透力：J=J水重+浮力反力：

Ww=Vv

w+Vs

w=L

w孔隙水受力平衡j=

wi土顆粒受力平衡滲透力的性質(zhì)物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是一種體積力大小：j=

wi方向：與水力梯度方向一致作用對象：土骨架土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞稱為滲透變形或滲透破壞。滲透變形是土工建筑物發(fā)生破壞的常見類型基本類型：管涌流土接觸流土接觸沖刷二土的滲透破壞形式單一土層滲透變形的兩種基本型式流土：在向上的滲透作用下，表層局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象。任何類型的土，只要水力梯度達到一定的大小，都可發(fā)生流土破壞

原因：與土的密實度有關(guān)壩體粘性土k1<<k2砂性土k2滲流

原因內(nèi)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：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過程演示1.在滲透水流作用下，細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動流失2.孔隙不斷擴大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶走3.形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷壩體滲流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)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中破壞過程短導致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等現(xiàn)象位置土類歷時后果土體內(nèi)細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內(nèi)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(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口Fs:安全系數(shù)1.5~2.0[i]:允許梯度

i<icr:土體處于穩(wěn)定狀態(tài)

i=icr:土體處于臨界狀態(tài)

i>icr:土體發(fā)生流土破壞

工程設(shè)計：三滲透破壞的判別

1.流土可能性的判別在自下而上的滲流逸出處，任何土，包括粘性土和無粘性土，只要滿足滲透梯度大于臨界水力梯度這一水力條件，均要發(fā)生流土：土是否會發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)：粘性土（分散性土例外）屬于非管涌土無粘性土中發(fā)生管涌必須具備相應的幾何條件和水力條件2.管涌可能性的判別均勻土（Cu

10）

幾何條件

水力條件無粘性土管涌的判別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）級配不連續(xù)級配連續(xù)Cc=1-3(d0=0.25d20)細粒含量>35%細粒含量<25%細粒含量=25-35%d0<d3d0>d5d0=d3-d5管涌土過渡型土非管涌土(流土可能)非管涌土管涌土過渡型土P(%)lgd骨架充填料發(fā)生管涌的必要條件：粗顆粒所構(gòu)成的孔隙直徑大于細顆粒直徑①②53d5d3

幾何條件

水力條件無粘性土管涌的判別

滲透力能夠帶動細顆粒在孔隙間滾動或移動?？捎霉苡颗R界水力梯度表示051015202530351.51.00.50icrCu流土過渡管涌