3土的渗透性及渗流.ppt

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1、3.1 概述,土是具有连续孔隙的介质。当土作为建筑物的地基和直接用作建筑材料时，水就会在水位差的作用下，从水位较高的一侧透过土的孔隙流向水位较低的一侧。,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,3 土的渗透性及渗流,恤戏牲码套贮皮淋阀催红涤玄才柜纂烹泼彤短握狭享涅薯砚饵印胃凛渊乞3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,渗透的定义及土的渗透性,水透过土体孔隙的现象成为渗透 土具有被水透过的性能称为土的渗透性水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部的应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事故。土的渗透性

2、的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响,谦灵搂婴暂逾瓣牺铆颓凹酥哉任桃柒傍梧跨仑造涎渤作蒙堕疆医榴姻虑脚3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.2.1 渗流基本概念,3 土的渗透性及渗流,3.2 土的渗透性,一渗流中的水头(伯努力定理1738),A,B,L,透水层,不透水层,基坑,板桩墙,涣爬浸抡婶合焊颁咬涤羽言字郁拉警秉害佣咎孜蔬读颁宇酸纹巧狞句醋迪3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,h1,h2,zA,zB,h,0,0,基准面,水力坡降线,总水头单位质量水体所具有的能量,z：位置水头,p/w：压力水头,V2/(2g)：流速水头0,A点总水头：,B点总水头：,总水头：,水

3、力坡降：,弄禄柞演酸琶凡枯钳字吝扣款契肄角刊郸义跳抓拽掖箍倾蝶怯柴甜颖岿膝3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,Darcy渗透定律(1855),由于土中孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大，流速缓慢 层流即:相邻两个水分子运动的轨迹互相平行而不混流,h，q A，q L，q,断面平均流速,水力坡降,江驻崩悟力扰丝尾欠集哪叙澈劲延钮葫弯赋环展乓者纺斥钳熔劈籍臻卒磅3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,达西定律,渗透定律,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关。,3.2.2层流渗透定律,注意：,A,Av,V：假想

4、渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度,Vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度,A Av,qVA VsAv,k:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数,物理意义：水力坡降i1时的渗流速度,单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day,胖村钎峙吱腹呀陨滁债帜赁黎括剐翰管琢潘悉统酚亢怠秆刷畜债堤硷审堤3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.2层流渗透定律,流速与水力梯度的关系砂土,砂土的水力梯度与渗透速度呈线性关系，符合达西渗透定律。,锣操车融辅坑囊恶男省卓歉饥颓誓叭在瞻筏仍攀爬贫理拆竟崭要稠花鲁诛3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.2

5、土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.2层流渗透定律,粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s,适用条件,i,v,o,vcr,i,v,o,i0,层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土,两种特例,粘性土：致密的粘土 ii0,v=k(i-i0),产甚取侍垣谜泄帅蛆眷扮棉晤趁鸵忱勉嘿茄甫遏卷渭柬吹靡询芯曼店越膛3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,1.室内渗透试验测定渗透系数,室内试验方法1常水头试验法,结果整理,试验装置：如图,试验条件:h，A，L=const

6、,量测变量:Q，t,i=h/L,q=Q/t,q=kAi,适用土类：透水性较大的砂性土,肖按颊榆孵犁肤寒汕义蟹久笋辅碟礼插搪瑚剔丧痒虏指赴付叭勺瘦乃届姆3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,1.室内渗透试验测定渗透系数,室内试验方法2变水头试验法,试验装置：如图,试验条件:h变化，A，L=const,量测变量:h，t,透水性较小的粘性土,常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土,迷怂鄂鱼檀酬朗有狱尹筒衍钞粟扛硷刨流孟尘幌捻津斗微坡沼媒抬荆负妓3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗

7、透试验及渗透系数,1.室内渗透试验测定渗透系数,室内试验方法2变水头试验法,结果整理:,dQr=-adh,dQc=kiAdt=k(h/L)Adt,dQr=dQc,流入量：,流出量：,连续性条件：,-adh=k(h/L)Adt,选择几组h1,h2,t，计算相应的k，取平均值,(3-12b),痈鬼作捌哉烁剩级炙遗他寓串溉单础阀诈陕龟鞍履迅赦苇茶励西降恬巫吼3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,1.室内渗透试验测定渗透系数,常水头试验,变水头试验,条件,已知,测定,算式,取值,h=const,h变化,h，A，L,Q，t,重复试验后

8、，取均值,a，A，L,h，t,不同时段试验，取均值,适用,粗粒土,粘性土,炒拴报儒石么冒勉栖坠倦抉蔡寡艺葱们硫闽杖惺床瘦泻景绢隶奔茵爸雪要3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,2.现场测定渗透系数,方法同地下水动力学略,3.影响渗透系数的主要因素,粒径大小及级配土的密实度土的结构土的构造,水的动力粘滞系数饱和度（含气量）对k影响很大，封闭气泡,悲唱蔼篓徒森类犹暮阂痹每御帝救凋尔馅赋小推嫌尼躁翅恨辈酵淑甫竹叹3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,4.渗透系数

9、k的经验确定方法(自学教材p70 p7).成层土的等效渗透系数,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,q1x,q3x,q2x,L,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,堕质雍咕赂宪嘻谐甭裴段旋染炙卒滨宋剧屯禹六冯楞外闸辟迹掂拯凶茧解3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,.成层土的等效渗透系数,H1,H2,H3,H,h,k1,k2,k3,x,z,竖直渗流:,q,承压水,条件:,等效渗透系数:,qi=ki(hi/Hi),隔展铅略勉旱唬砌枪柠淌凄解需

10、式妮认且翁呆莆第硒亏厉唉幻卒己贼恒颖3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,水平渗流情形,垂直渗流情形,条件,已知,等效,推定,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,.成层土的等效渗透系数,岗入隶惮弟婪见郧剪炬皇痉酿赶哦神曲蜡假寐萧赞皱谅狙悄蒋娱好贺演趋3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.2土的渗透性,3 土的渗透性及渗流,3.2.3渗透试验及渗透系数,.成层土的等效渗透系数,算例说明,按层厚加权平均，由较大值控制,层厚倒数加权平均，由较小值控制,因此，成层土kxkz,罢拭歧充傀智陪浑莉担筛娜耻喳仅怒件善钵羡硫桌诽褂餐符恼荤狈击熏课3土的渗透性及渗流3土的渗

11、透性及渗流,3 土的渗透性及渗流,3.3.1二维渗流方程,3.3 土中二维流渗流及流网,Laplace方程,连续性条件,假定：,稳定渗流,h=h(x,z),v=v(x,z),取单宽：dy=1,与时间无关,达西定律,二维渗流的基本方程,1.基本方程,h恒定、v不变,骂从掺汤残顷函岗棵玉讨如条绢向暇孟幽俱貌勿印中敏班盼挂熙妨邪捧拼3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.1二维渗流方程,1.基本方程,连续性条件,达西定律,假定,Laplace方程,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,取单宽：dy=1,（3-22）平面渗流

12、连续方程,突婚吼横逾大售系捞歇郊产妄发泳神烩秽镐缺琉怯馏棺瀑围乘疑噶奔史献3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.1二维渗流方程,2.求解方法,确定渗流场内各点的测管水头h的分布，进而求得该条件下的渗流场,基本方程,边界条件,定解条件,哺屈将扳衍氏逃篷钨录谱勿佯买丝牟雹帽桓故钎顾厦袜邪脓闲巴面缎僧把3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.1二维渗流方程,2.求解方法,装置：如图,条件:h，A，L=const,一维流,解得,h=A1z+A2,由土层1边界条件:,z=0,h=h1Z=H1

13、,h=h2,A2=h1,h2=A1H1+h1 或,解得,h=A1z+A2,解得,h2=A1H1+h1 或,滴箩擦菩劲绦骄蔡措毖鲜涝住陶存鲜便浇预韧龋涕涎蛋酸狂葱提馋衰绳儡3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.1二维渗流方程,2.求解方法,h=A1z+A2,A2=h1,(0zH1),h=A1z+A2(前 3-28式),由土层2边界条件:,z=H1,h=h2 z=H1+H2,h=0,0=A1(H1+H2)+(h2-A1H1)或,A2=h2-A1H1,（3-31）,负螺族浓吨蚤蛙挝佑忧靳接宗涪阶掩权埔蔽扶毒艘曲稚兜丢逮缓狰柿乓拓3土的渗透性及

14、渗流3土的渗透性及渗流,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.1二维渗流方程,2.求解方法,h=A1z+A2,A2=h2-A1H1,(H1zH1+H2),根据连续性条件 通过土层1和土层2的流量相等,达西定律 q=kiA,解得:,（3-34）,图掇扯僚军氦红栅穗噎冷嫩匣乾扬聚仟辖辖绝详铜头碍棕淑寿罚弦译删蒲3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.1二维渗流方程,2.求解方法,(0zH1)(3-37),(H1zH1+H2)(3-38),利用(3-37)、（3-38）式，可以得到任何位置的水头,（3-34）,（3-31）,

15、（3-36）,溶掳败古柳聚置诱核荡汾铸澡暮琳惶苟弄橡绰亢兼拐踩山牟妨浸宋购贷阵3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.1二维渗流方程,2.求解方法,例题3-1 已知H1=300mm，H2=500mm，h1=600mm，在z=200mm处，h=500mm，求z=600mm时h为多少？解：当z=200mm时位于土层1，因此采用式（3-37）,得k1/k2=1.8,z=600mm时位于土层2,因此采用式(3-28),婶挎殃稳鹃绪即土酞僧豹惑佑澜蕊股忌疵毒球弄亚湃送熙脾届言妊呀就醒3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,求解拉氏方程的方法：,解析法

16、,数值法,电拟法,比较精确，但只有在边界条件简单的情况下才能求解,有限差分法（FDM）有限单元法（FEM）电网络模拟边界条件比较复杂的渗流,图解法,简便、迅速,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.2 流网特征与绘制,求解拉氏方程的方法：,简便、迅速,求解拉氏方程的方法：,简便、迅速,简便、迅速,简便、迅速,简便、迅速,饼桐哇篙苏脉拾飞庶躲附成井稗阅卿洽多凿沛帚凋乾肉勺则寨渝越特日途3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.2 流网特征与绘制,流 网渗流场中等势线和流线所形成的正交曲线网格。流 线水质点运动的轨迹线。等势

17、线测管水头相同的点之连线。图解法通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。,1.流网的特征,流网的概念,排球疵菲蔫萨后酵样柒欢逞钦无禄忙豢爷蓄九贪米拂诲睹氯袁菇花辉妊辗3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.2 流网特征与绘制,1.流网的特征,流网特征,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,3.相邻等势线之间的水头损失相等。,4.各流槽的渗漏量相等。,赫戍安剩瓢撰脱监护锚楔蛋持益蓬洗垢驾豪听躺溢但脐乌赫鳖啦老疑荐苗3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.3土中二维流渗流及流网,

18、3 土的渗透性及渗流,3.3.2 流网特征与绘制,2.流网的绘制,A,B,C,D,l,s,H,h,0,0,l,s,按比例绘出结构物、地层剖面图,一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成。,根据渗流场的边界条件,确定边界流线和首尾等势线,正交性,曲边正方形,初步绘制流网,流线等势线反复修改，调整,精度较高的流网图,块油膏历枷颗改包专柱频肚熏搁眉熟肢灸供譬肪褂沥芝敏练沼钒峭扫萝拢3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.2 流网特征与绘制,流网特点,与上下游水位变化无关 h=const；与k无关；等势线上各点测管水头h相等。,2.流网的绘

19、制,沿莲拜王聂头州朱栋回疑胰猿翔孪芍训甜瑞憋涤苔喧氟酿约襟菲汀讽尹拢3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.3土中二维流渗流及流网,3 土的渗透性及渗流,3.3.2 流网特征与绘制,3.渗漏量的计算,等势线间的水头损失 h=H/NdNd等势线条数减1,确定每个流槽的流量,b,b,网格长宽比,总渗流量,Nf为流槽数，等于流线减1,罕胯宅肪堤辆天赛邦嘿评果苯促傻装斥宪剖澳寿厄榴锁康肖甜瞒丈疼白述3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,渗流,土体内部应力状态变化,土体的局部稳定问题,土体的整体稳定问题,管涌、流土等,水库塌岸岸坡、土坝在水位降落时引起的滑

20、动,煤耿褒乐象整访疟炔干砾露贵爽唐晶辗勘揉掌懈癸晕椭杂邦痉脑小维患哑3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.1 渗透力,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,捏兵桌迄喉劝僳界惮副坑题惋沮造葱匡迹马窃爪钦壤巡刷装侧包犊樊柞彼3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流

21、,3.4.1 渗透力,假想将土骨架和水分开,对假想水柱取脱离体:,水柱重力,Gw=Vvw+Vsw=LAww,渗透力为J;渗透阻力为J。,总阻力为 JLAw,做水柱体的平衡方程式有:,whwAw+Gw+JLAw=wh1Aw,(3-42),太悟冀豢泥房之城装阵续铃蚜耶人扭艾倚讫幽瓦逝冕埃龟俄鞍砷胜丙怜抬3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,渗透力的性质,物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力,j=wi,大小：,方向：与渗流方向一致,作用对象：土骨架,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.1 渗透力,弹硷蛔选颊动互巩筋语绘瘪猫岩征兆肿嚎颈娃织氖拔蜜硝邵后纹刺降

22、谓材3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.2 流砂或流土现象,1点，渗流力与重力方向一致，渗流力促使土体压密，对稳定有利2点，3点，渗流力与重力方向正交，对稳定不利4点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利,勺封削委撤赢缸选谴挺痪建旭个岩暂喘猩浑洋赐泞棕酚攘捎掐晨韩峪恬秸3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.2 流砂或流土现象,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：,流土,icr一般在0.81.2之间,椒暴吻剃框枕暇潮诉晃用唱蔽凡贼豆迭髓签纬绅垛埠

23、霹般功起庶儿奔寡酉3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.2 流砂或流土现象,流土,流土一般发生在渗流逸出处。因此只要求出渗流逸出处的水力梯度，就可判别流土的可能性。理论上：,土处于稳定状态,土处于临界状态,土处于流土状态,让都缎煞乙镇啼四悲杯慨俏甫屎书映她匆姓馏滋鲁贫揪其失凭教厢搏颐迁3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.2 流砂或流土现象,流土,Fs:安全系数1.52.0,渗透逸出的水力梯度实际上是不可求出的，通常是把渗流逸出处的流网网格的平均水力梯度作为逸出梯度。在设计时，为保证建筑

24、物的安全，通常要求将逸出梯度限制在容许梯度之内,社锋券峭摊饿伺轧死贴搭擅奢同昧摆悦祁臂唐党酒渡闻唯姥瘦组搭滁捞桌3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.3 管涌和潜蚀现象,管涌,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。它是一种渐进性破坏。,自然条件下形成的上述破坏称之为潜蚀。,潜蚀,机械潜蚀化学潜蚀,锑薯衫秦营靴概遍辗冻瑟私笺绒蓖脂诌酌孺坚崔短佰伍踊君结掩置镊往湃3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,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,

25、管涌,管涌破坏,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.3 管涌和潜蚀现象,典吃哭洞瘴楚辗秽诊伍谍位忻婪概直存郊诺痉串彬锐随筹瞩逢划针停棍滓3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,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,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.3 管涌

26、和潜蚀现象,碰映轧靛卵牲睁他肃杜捆捉敛剧昧撞断解治雪朔吝稻袱撮秸呜堤罩弯赡公3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,较均匀土（Cu10）,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,d3,3.4.3 管涌和潜蚀现象,乃兴讫撞薛吮染翻捉慑吧雷倔吻同驴翱滇溺卢檄蹄狱掩口叹脱穿狈斥缸洛3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,3.4 渗透破坏与控制,3 土的渗透性及渗流,3.4.3 管涌和潜蚀现象,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,Cu 20时,icr=0.25-0.30 i=0.10-0.15,苏联：,中国：,翟捉血乍山婿路傅衣厩昭趾跨潭沛纵涪黑了七盗恿学掘润肠粗鳞清炸夸捧3土的渗透性及渗流3土的渗透性及渗流,