土的渗透性和渗流问题《土质学与土力学》教学课件.ppt
土质学与土力学安徽理工大学资源与环境工程系,第四章 土的渗透性和渗流问题,概述 土的渗透性 二维渗流与流网 渗透力和渗透变形,孔隙水,在水头差作用下,渗透：水透过土体孔隙的现象,渗透性：土允许水透过的性能称为土的渗透性,造成水量损失，影响工程效益,引起土体内部应力状态的变化，从而改变水土建筑物或地基的稳定条件，甚者还会酿成破坏事故,本章将主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，以及渗透力、渗透变形等问题。,概述,渗流量,渗透变形,土石坝,防渗斜墙及铺盖,浸润线,透水层,不透水层,土石坝坝基坝身渗流,概述,渗水压力,渗流量,渗透变形,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,板桩围护下的基坑渗流,概述,渗流量,透水层,不透水层,天然水面,水井渗流,漏斗状潜水面,Q,概述,渗流量,原地下水位,渗流时地下水位,渠道渗流,概述,概述,Teton坝,概况：土坝，高90m，长1000m，建于1972-75年，1976年6月失事,损失：直接8000万美元，起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路,原因：渗透破坏水力劈裂,概述,Teton坝,1976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。,概述,Teton坝,11：00左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加,概述,Teton坝,11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。,11：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。,Teton坝,概述,概述,11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下,Teton坝,概述,12：00过后坍塌口加宽,Teton坝,概述,洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁,Teton坝,失事现场目前的状况,Teton坝,概述,土的渗透性,一、达西定律,1856年法国学者达西砂土的渗透性进行研究,结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比,水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失,土的渗透性,二、达西定律适用范围与起始水力坡降,达西定律,讨论：,砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系,密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系,起始水力坡降,虚直线简化,v=ki,土的渗透性,水头：单位重量的水所具有的能量。,水力梯度（坡降）,总水头线,总水头势水头压力水头动水头,土的渗透性,三、渗透系数及其确定方法,渗透试验（室内）,时间t内流出的水量,1.常水头试验整个试验过程中水头保持不变 适用于透水性大（k10-3cm/s）的土，例如砂土。,土的渗透性,2.变水头试验整个试验过程水头随时间变化,截面面积a,任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量,dV=adh,在时段dt内流经试样的水量,dV=kiAdt=kAh/Ldt,管内减少水量流经试样水量,adh=kAh/Ldt,分离变量 积分,适用于透水性差，渗透系数小的粘性土,土的渗透性,四、影响渗透系数的因素,1.土粒大小与级配,细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。,2.土的密实度,3.水的动力粘滞系数,同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。,动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。,4.土中封闭气体含量,土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。,T、20分别为T和20时水的动力粘滞系数，可查表,土的渗透性,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,q1x,q3x,q2x,L,五.层状地基的等效渗透系数,1,1,2,2,不透水层,水平渗流,条件:,等效渗透系数:,qx=vxH=kxiH,qix=kiiiHi,土的渗透性,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,五.层状地基的等效渗透系数,竖直渗流:,v,承压水,条件:,等效渗透系数:,vi=ki(hi/Hi),土的渗透性,水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,推定,五.层状地基的等效渗透系数,二维渗流与流网,一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程,与kx,kz无关满足它的是两个共轭调合函数 势函数和流函数,连续性条件,达西定律,假定,Laplace方程,特点,描述渗流场内部的测管水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程式,1.基本方程,土的渗透性,二维渗流与流网,2.求解方法,确定渗流场内各点的测管水头h的分布,基本方程,边界条件,定解条件,一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程,二维渗流与流网,二、流网的特征及应用,流 网渗流场中的两族相互正交曲线等势线和流线所形成的网络状曲线簇。流 线水质点运动的轨迹线。等势线测管水头相同的点之连线。流网法通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。,二维渗流与流网,二、流网的特征及应用,基本要求,1.正交性：流线与等势线必须正交,2.各个网格的长宽比c应为常数。取c=1，即为曲边正方形,5.在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。,3.相邻等势线的水头损失相等,4.各流糟的渗流量相等,二维渗流与流网,二、流网的特征及应用,测管水头 h,实际应用,确定孔压,确定流速,确定流量,水力坡降,M流道数,渗透力和渗透变形,1.试验观察,h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。渗透力 j 渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。,渗透变形,渗透力,h1,h,h2,0,0,hw,L,滤网,贮水器,a,b,一、渗透力,渗透力和渗透变形,P2,W,P1,R,静水中的土体,A=1,W=LsatL(+w),P1=whw,P2=wh2,R=?,R+P2=W+P1,R+wh2=L(+w)+whw,R=L,土水整体分析,一、渗透力,渗透力和渗透变形,一、渗透力,P2,W,P1,R,静水中的土体,A=1,W=LsatL(+w),P1=whw,P2=wh1,R=?,R+P2=W+P1,R+wh1=L(+w)+whw,R=L wh,R=L,渗流中的土体,P2,W,P1,R,静水中的土体,A=1,R=L wh,R=L,渗流中的土体,向上渗流存在时，滤网支持力减少,减少的部分由谁承担？,水与土之间的作用力渗流的拖曳力,总渗透力,J=wh,渗透力,j=J/V=wh/L=wi,j=wi,渗透力和渗透变形,一、渗透力,渗透力和渗透变形,一、渗透力,P2,W,P1,R,A=1,R=L wh,渗流中的土体所受滤网支持力,向上渗流存在时，滤网支持力减少,临界水力坡降,i=h/L=/w,icr=/w,L wh=0,渗透力和渗透变形,一、渗透力,P1+Ww+J=P2,水体的平衡条件,j=wi,whw+wL+jL=wh1,W,J,Ww,J,=,R,+,P2,P1,P1=whw,P2=wh1,Ww=Vvw+Vsw=Lw,土水隔离分析,一、渗透力,渗透力和渗透变形,渗流力的特征与计算,渗透力具有以下特征：(1)渗透力是一种体积力，量纲为KN/m3(2)渗透力与水力坡降成正比j=i(3)渗透力方向与渗流方向一致。当渗流场中各个网格的水力坡降ii求得后，应用式j i可确定单位渗透力ji=i；网格总的渗透力Ji=jiaili；其方向与流向一致。整个流场的总渗透力矢量J即为各网格渗透力的矢量和。,渗透力和渗透变形,二、渗透变形,基本类型,流土,管涌,土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏,形成条件,防治措施,渗透力和渗透变形,二、渗透变形,1.基本类型,流土,在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象,渗流,原因：,二、渗透变形,渗透力和渗透变形,管涌,原因：,内因 有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙,外因渗透力足够大,在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。,管涌,管涌破坏,二、渗透变形,渗透力和渗透变形,流土与管涌的比较,流土,土体局部范围的颗粒同时发生移动,管涌,只发生在水流渗出的表层,只要渗透力足够大，可发生在任何土中,破坏过程短,导致下游坡面产生局部滑动等,现象,位置,土类,历时,后果,土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动,可发生于土体内部和渗流溢出处,一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土,破坏过程相对较长,导致结构发生塌陷或溃口,渗透力和渗透变形,2.形成条件,Fs:安全系数1.52.0,i:允许坡降,i icr:,i=icr:,i icr:,土体处于稳定状态,土体发生流土破坏,土体处于临界状态,流土,经验判断：,二、渗透变形,渗透力和渗透变形,二、渗透变形,较均匀土（Cu10）,2.形成条件,管涌,几何条件,水力条件,一般发生在无粘性土中,级配,孔隙及细粒,判定,非管涌土,粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒,不均匀土（Cu10）,不连续,连续,d0=0.25d20,细粒含量35%,细粒含量25%,细粒含量=25-35%,d0 d3,d0 d5,d0=d3-d5,管涌土,过渡型土,非管涌土,非管涌土,管涌土,过渡型土,几何条件,骨架,充填料,P,5,3,d5,d3,水力条件：i icr,5 10 15 20 25 30 35 40,2.01.51.00.50,icr,Cu,流土,过渡,管涌,2.形成条件,Cu 20时,icr,前苏联：,中国：,渗透力和渗透变形,二、渗透变形,渗透力和渗透变形,三、渗流工程问题与处理措施,1.渗流工程问题,(1)地下水的浮托作用,地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建筑物基础产生浮托力,(2)地下水的潜蚀作用,在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层中,(3)流砂,流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。通常易在粉细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现,渗透力和渗透变形,三、渗流工程问题与处理措施,1.渗流工程问题,(4)基坑突涌,当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁基坑底板，这种现象称为基坑突涌,渗透力和渗透变形,三、渗流工程问题与处理措施,2.防渗处理措施,1)水工建筑物渗流处理措施,水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏”为原则，上游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形,垂直截渗,主要目的:延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗,渗透力和渗透变形,三、渗流工程问题与处理措施,2.防渗处理措施,设置水平铺盖,上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径,设置反滤层,设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层,渗透力和渗透变形,三、渗流工程问题与处理措施,2.防渗处理措施,排水减压,为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深挖排水槽,渗透力和渗透变形,三、渗流工程问题与处理措施,2.防渗处理措施,2)基坑开挖防渗措施,工程降水,采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位,在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出,要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位,渗透力和渗透变形,三、渗流工程问题与处理措施,2.防渗处理措施,设置板桩,沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降,水下挖掘,在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，并同时进行挖掘,
