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1、第二章土的渗透性及水的渗流第二章土的渗透性及水的渗流第1页，本讲稿共42页水透过土体孔隙的现象称为水透过土体孔隙的现象称为渗透。渗透。渗透结果：渗透结果：水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损水在土体中的渗透，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。还会酿成破坏事故。意义：意义：土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响程施工都有非常
2、重要的影响.第2页，本讲稿共42页水的问题水的问题水的问题水的问题指在工程中由于水本身引起的工程问题，如基坑、指在工程中由于水本身引起的工程问题，如基坑、隧道等开挖工程中普遍存在地下水渗出而出现需要隧道等开挖工程中普遍存在地下水渗出而出现需要排水的排水的问题；问题；相反在以蓄水为目的的土坝中会由于渗透造成水量损相反在以蓄水为目的的土坝中会由于渗透造成水量损失而出现需要失而出现需要挡水的问题挡水的问题；另外还有一些像污水的渗透引起；另外还有一些像污水的渗透引起地地下水污染下水污染，地下水开采引起大面积，地下水开采引起大面积地面沉降地面沉降及及沼泽枯竭沼泽枯竭等地等地下水环境的问题。下水环境的问题
3、。也就是说，水自身的量（涌水量，渗水量）、质（水质）、也就是说，水自身的量（涌水量，渗水量）、质（水质）、赋存位置（地下水位）的变化引起的问题。赋存位置（地下水位）的变化引起的问题。第3页，本讲稿共42页土的问题土的问题土的问题土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响建建筑物或地基稳定性筑物或地基稳定性或产生有害或产生有害变形变形的影响，在的影响，在坡面、挡土坡面、挡土墙墙等结构物中常常会由于水的渗透而造成内部应力状态的变化等结构物中常常会由于
4、水的渗透而造成内部应力状态的变化而失稳；而失稳；土坝、堤防、基坑土坝、堤防、基坑等结构物会由于管涌逐渐改变等结构物会由于管涌逐渐改变地基土内的结构而酿成破坏事故；非饱和的坡面会由于地基土内的结构而酿成破坏事故；非饱和的坡面会由于水分的渗透而造成土的强度的降低而引起滑坡。水分的渗透而造成土的强度的降低而引起滑坡。第4页，本讲稿共42页2.1 土的渗透定律土的渗透定律 一、土中渗流的总水头与水力一、土中渗流的总水头与水力梯度梯度 土中一点的总水头由三项组成：势水头z、静水头hw和动水头hv，即：由于水在土中渗流的速度一般很小，由于水在土中渗流的速度一般很小，hvhv00，因此，因此 式中式中 u
5、u为该点的静水压力为该点的静水压力第5页，本讲稿共42页2023/1/19A A、B B两点的总水头分别表示为：两点的总水头分别表示为：A A、B B两点间的总水头差：两点间的总水头差：h h代表单位重量液体从代表单位重量液体从A A点向点向B B点点流动时，为克服阻力而损失的能量。流动时，为克服阻力而损失的能量。水力梯度水力梯度:水力坡降水力坡降i i 的物理意义为单位渗流长度上的水力损失。的物理意义为单位渗流长度上的水力损失。L L为为A A、B B两点间的渗流途径。两点间的渗流途径。第6页，本讲稿共42页例例2-1 2-1 如图，求如图，求 1.a-a1.a-a、b-bb-b、c-cc-
6、c静水静水头和总水头。头和总水头。2.a-a2.a-a至至c-c,a-ac-c,a-a至至b-b,b-b-b,b-b b至至c-cc-c的水头损失；的水头损失；3.3.水在土样中渗流水在土样中渗流的水力梯度。的水力梯度。第7页，本讲稿共42页 解解 取取c-cc-c为为基准面基准面1.z1.za a=15+5=20cm =15+5=20cm h hwawa=10cm=10cm h ha a=z=za a+h+hwawa=30cm=30cm z zc c=0 =0 h hwcwc=5cm=5cm h hc c=z=zc c+h+hwcwc=5cm=5cm a-a a-a至至c-cc-c水头损失水
7、头损失 h hacac=h=ha a-h-hc c=25cm=25cm h hb b=h=hc c+5+5h hacac/(15+5)=11.25cm/(15+5)=11.25cm Z Zb b=5 =5 h hwbwb=h=hb b-z-zb b=6.25cm=6.25cm第8页，本讲稿共42页2.a-a2.a-a至至c-cc-c水头损失水头损失 h hacac=h=ha a-h-hc c=25cm=25cm a-a a-a至至b-bb-b水头损失水头损失 h habab=h=ha a-h-hb b=18.75cm=18.75cm b-b b-b至至c-cc-c水头损失水头损失 h hbcb
8、c=h=hb b-h-hc c=6.25cm=6.25cm 3.i=3.i=h hacac/(15+5)=25/20=1.25/(15+5)=25/20=1.25第9页，本讲稿共42页二、达西定律二、达西定律(Darcys law)(Darcys law)水在土中渗流的速度水在土中渗流的速度v与与水力梯度水力梯度i成正比：成正比：或：水在土中的渗透速度和试样两端水面间的水位差或：水在土中的渗透速度和试样两端水面间的水位差成正比，而与渗径长度成反比成正比，而与渗径长度成反比。v v断面平均渗透速度，断面平均渗透速度，单位单位m/sm/s或或m/dm/d；k k土的渗透系数土的渗透系数 单位同单位
9、同v.第10页，本讲稿共42页砂土的水力梯度与渗透速度砂土的水力梯度与渗透速度呈线性关系，符合达西渗透呈线性关系，符合达西渗透定律。定律。流速与水力梯度的关系流速与水力梯度的关系砂土砂土适用范围：适用于层流范围，如砂土和一般的粘性土，适用范围：适用于层流范围，如砂土和一般的粘性土，很粗的土或粘性很强的致密粘土不适合。很粗的土或粘性很强的致密粘土不适合。单位时间流过土截面单位时间流过土截面A A的水量的水量q q第11页，本讲稿共42页流速与水力梯度的关系流速与水力梯度的关系粘土粘土对于密实的粘土，由于吸对于密实的粘土，由于吸着水具有较大的粘滞阻力，着水具有较大的粘滞阻力，因此，只有当水力梯度达
10、因此，只有当水力梯度达到某一数值后，克服了吸到某一数值后，克服了吸着水的粘滞阻力以后，才着水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。我们将这一能发生渗透。我们将这一开始发生渗透时的水力梯开始发生渗透时的水力梯度成为粘性土的起始水力度成为粘性土的起始水力梯度梯度ib第12页，本讲稿共42页粘性土不但存在起始水力梯度，而且当水力梯度超过起粘性土不但存在起始水力梯度，而且当水力梯度超过起始水力梯度后，渗透速度与水力梯度的规律还偏离达西渗始水力梯度后，渗透速度与水力梯度的规律还偏离达西渗透定律而呈非线性关系。透定律而呈非线性关系。为方便，用虚直线来描述密实粘土地渗透速度与水力梯度为方便，用虚直线来描述密实粘土地
11、渗透速度与水力梯度的关系，用以下形式表示。的关系，用以下形式表示。第13页，本讲稿共42页流速与水力梯度的关系流速与水力梯度的关系砾土砾土在粗粒土中（砾、卵石等）在粗粒土中（砾、卵石等），只有在小的水力梯度下，只有在小的水力梯度下，渗透速度与水力梯度才呈渗透速度与水力梯度才呈非线性关系，而在较大的非线性关系，而在较大的水力梯度下，水在土中流水力梯度下，水在土中流动进入紊流状态，渗透速动进入紊流状态，渗透速度与水力梯度呈非线性关度与水力梯度呈非线性关系，此时达西定律同样不系，此时达西定律同样不能适用能适用第14页，本讲稿共42页例例2-2 2-2 如图，如图，已知：土样面积已知：土样面积A=30
12、0cmA=300cm2 2,k,k1 1=0.025cm/s,k=0.025cm/s,k2 2=0.15cm/s,=0.15cm/s,求求:i:i1 1和和i i2 2和和q q 解：解：总水头损失总水头损失 h=h=h1+h240cm 又又v1=v2v1=v2k k1 1hh1 1/L/L1 1=k=k2 2h2/L2h1=30cm,h210cmi1=1.5,i20.25q=kAi=11.25cm3/s第15页，本讲稿共42页2023/1/192.2渗透系数及测定渗透系数及测定一、渗透系数的意义及影响因素一、渗透系数的意义及影响因素渗透系数渗透系数k k可用着评价土渗透性大小的指标：可用着评
13、价土渗透性大小的指标：k k值大，说明土的渗透性强，即易透水；值大，说明土的渗透性强，即易透水；k k值小，说明土的渗透性弱，即不易透水。值小，说明土的渗透性弱，即不易透水。各种土的渗透系数经验值见各种土的渗透系数经验值见P42P42表表2-12-1。第16页，本讲稿共42页2023/1/19渗透系数的影响因素：渗透系数的影响因素：（1 1）土的性质对）土的性质对k k值的影响值的影响 粒径大小与级配：影响最大。粒径大小与级配：影响最大。孔隙比或孔隙率：影响最大。孔隙比或孔隙率：影响最大。矿物成分：可交换的矿物成分：可交换的Na+Na+越多，渗透系数越大。越多，渗透系数越大。结构：凝聚结构比分
14、散结构有更大的透水性。结构：凝聚结构比分散结构有更大的透水性。饱和度：随饱和度的增加而增大。饱和度：随饱和度的增加而增大。（2 2）渗透水的性质对）渗透水的性质对k k的影响的影响 温度高，水的粘滞性降低，温度高，水的粘滞性降低，k k变大，故规定变大，故规定k k值以值以2020为标为标准准。第17页，本讲稿共42页2023/1/19二、成层土的平均渗透系数二、成层土的平均渗透系数 天然沉积土往往由渗透性不天然沉积土往往由渗透性不同的土层组成。对于与土层层面同的土层组成。对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当平行和垂直的简单渗流情况，当各层的渗透系数和厚度已知时，各层的渗透系数和厚度已知
15、时，我们可以求出整个土层与层面平我们可以求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数，作为行和垂直的平均渗透系数，作为进行渗透计算的依据。进行渗透计算的依据。第18页，本讲稿共42页与土层层面平行的与土层层面平行的X方向方向kx由总流量等于各土层流量之和由总流量等于各土层流量之和求得：求得：与土层层面垂直的与土层层面垂直的y方向方向ky由流经各土层流速相等求得：由流经各土层流速相等求得：与层向平行的平均渗透系数将取决于最透水土层的厚度和渗透性与层向垂直的平均渗透系数将取决于最不透水土层的厚度和渗透性第19页，本讲稿共42页三、渗透系数的室内测定三、渗透系数的室内测定渗透系数不能用理论方法求得，只
16、能通过试验确定。渗透系数不能用理论方法求得，只能通过试验确定。测定测定k k值室内方法：定水头法、变水头法。值室内方法：定水头法、变水头法。（1 1）定水头法）定水头法 保持总水头差保持总水头差 h h不变，在不变，在t t时间内，量得透过土样的水量为时间内，量得透过土样的水量为Q Q，求，求k k：根据达西定律根据达西定律 适用于粗颗粒土，如中砂、粗砂适用于粗颗粒土，如中砂、粗砂 Lh注水第20页，本讲稿共42页dhhh1h2L（2 2）变水头渗透试验：）变水头渗透试验：在时间在时间dt dt内，细管中的水面下降内，细管中的水面下降dh,dh,则流经则流经土样的水量土样的水量Q=adhQ=a
17、dh据达西定律，流经土样的水量据达西定律，流经土样的水量Q=Avdt=AK(h/L)dtQ=Avdt=AK(h/L)dt -adh=AK(h/L)dt -adh=AK(h/L)dt经时间经时间tt后，水头由后，水头由h1h1下降为下降为h2h2，则积分，则积分后可得：后可得：k=aL/k=aL/（AtAt）（h h1 1/h/h2 2）(2-17)(2-17)适用于适用于:渗透性较差的粘砂土、细砂、粉砂渗透性较差的粘砂土、细砂、粉砂等。等。第21页，本讲稿共42页四、渗透系数的原位测定方法四、渗透系数的原位测定方法-现场抽水试验现场抽水试验 对于粗颗粒土层，要取出原状土样是很困难的，这时可对于
18、粗颗粒土层，要取出原状土样是很困难的，这时可采用现场抽水试验测定渗透系数。采用现场抽水试验测定渗透系数。试验步骤：试验步骤：在现场打一口试验井，在现场打一口试验井，并安装好抽水机具；并安装好抽水机具；距井中心距井中心r r1 1、r r2 2处打两个处打两个 观测水位的观测孔；观测水位的观测孔；在井内不断抽水，并观测在井内不断抽水，并观测 两个观测孔水位高度两个观测孔水位高度h h1 1、h h2 2，同时记录单位时间内的排水量同时记录单位时间内的排水量q q。则则渗透系数渗透系数k k:第22页，本讲稿共42页2.3 渗透力及临界水力梯度渗透力及临界水力梯度一一、渗透力、渗透力 渗透力渗透力
19、：水是具有一定黏滞度的液体，当其在土中渗流：水是具有一定黏滞度的液体，当其在土中渗流时，对土颗粒有推动、摩擦和拖曳作用，综合形成的作用时，对土颗粒有推动、摩擦和拖曳作用，综合形成的作用于土骨架的力，即渗透力。于土骨架的力，即渗透力。在水头差在水头差 h h作用下，水自上向下渗流，若水力梯度为作用下，水自上向下渗流，若水力梯度为i i，单位土体积所受的渗透力为：，单位土体积所受的渗透力为：渗透力的作用方向与渗流方向一致！渗透力的作用方向与渗流方向一致！第23页，本讲稿共42页水在土中流动能量消耗力图拖曳土粒水头损失渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为渗流力渗透力、动水压渗流力渗透力、动水压力
20、力第24页，本讲稿共42页1点，渗流力与重力点，渗流力与重力方向一致，渗流力促方向一致，渗流力促使土体压密，对稳定使土体压密，对稳定有利有利2点，点，3点，渗流力点，渗流力与重力方向正交，对与重力方向正交，对稳定不利稳定不利4点，渗流力与重力点，渗流力与重力方向相反，对稳定特方向相反，对稳定特别不利别不利第25页，本讲稿共42页2023/1/19二、临界水力梯度二、临界水力梯度l土体抵抗渗透破坏的能力，通常以濒临渗透破坏时的水土体抵抗渗透破坏的能力，通常以濒临渗透破坏时的水力梯度表示，一般称为力梯度表示，一般称为临界水力梯度临界水力梯度或或抗渗梯度抗渗梯度.当土中水向上渗流时，渗透力垂直向上而
21、与土样重力方向当土中水向上渗流时，渗透力垂直向上而与土样重力方向相反，若渗透力等于土样浮度，即相反，若渗透力等于土样浮度，即因此，若土中水向上渗流：因此，若土中水向上渗流：若若iicr，会发生流土破坏，即，会发生流土破坏，即“管涌管涌”；若若i=icr，流土处于临界状态，即，流土处于临界状态，即“悬浮悬浮”；若若iicr，不会发生流土破坏。，不会发生流土破坏。第26页，本讲稿共42页粘土层粘土层细砂层细砂层例题：某基坑在细砂层中开挖，经施工抽水，待水位稳定后，例题：某基坑在细砂层中开挖，经施工抽水，待水位稳定后，例题：某基坑在细砂层中开挖，经施工抽水，待水位稳定后，例题：某基坑在细砂层中开挖，
22、经施工抽水，待水位稳定后，实测水位情况如图所示。据场地勘察报告提供；细砂层有关实测水位情况如图所示。据场地勘察报告提供；细砂层有关实测水位情况如图所示。据场地勘察报告提供；细砂层有关实测水位情况如图所示。据场地勘察报告提供；细砂层有关物理力学性质指标如下：物理力学性质指标如下：物理力学性质指标如下：物理力学性质指标如下：试求渗透水流的平均速度和试求渗透水流的平均速度和试求渗透水流的平均速度和试求渗透水流的平均速度和动水力动水力动水力动水力(渗透力渗透力渗透力渗透力)，并判断是，并判断是，并判断是，并判断是否会产生流砂现象？否会产生流砂现象？否会产生流砂现象？否会产生流砂现象？分析：分析：分析：
23、分析：1 1 23 3 将动水力与细砂层的浮重度比较将动水力与细砂层的浮重度比较将动水力与细砂层的浮重度比较将动水力与细砂层的浮重度比较进行判断进行判断进行判断进行判断例例例例2 25 5第27页，本讲稿共42页三、土的渗透破坏三、土的渗透破坏土土由于受渗流作用而发生的破坏。由于受渗流作用而发生的破坏。其主要形式有流砂（流土）和管涌两种。其主要形式有流砂（流土）和管涌两种。（1）流砂（或流土）：）流砂（或流土）：当实际渗流的水力梯度大于或等于当实际渗流的水力梯度大于或等于土的临界水力梯度时，土粒间的压力消失，土粒呈悬浮状态向土的临界水力梯度时，土粒间的压力消失，土粒呈悬浮状态向上涌出的现象。上
24、涌出的现象。发生在渗流出口处，各种土中均可出现。具突发性。发生在渗流出口处，各种土中均可出现。具突发性。（2）管涌（或潜蚀）：）管涌（或潜蚀）：土在渗透水流的作用下，水流把土在渗透水流的作用下，水流把充填在粗颗粒间的细粒土带走的现象。充填在粗颗粒间的细粒土带走的现象。它可发生在渗流出口处，也可出现在土层内部。主要出它可发生在渗流出口处，也可出现在土层内部。主要出现在无粘性土中。有一个发展的过程。现在无粘性土中。有一个发展的过程。第28页，本讲稿共42页流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土土体局部范围的颗粒同时发生移动或局土体局部范围的颗粒同时发生移动或局部土体表面隆起部土体表面隆起管涌管
25、涌 只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层.只要渗透力足够大，可发只要渗透力足够大，可发生在任何土中生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象 位置位置 土类土类 历时历时后果后果 土体内细颗粒通过粗粒形成的土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处主要发生在砂砾土中。主要发生在砂砾土中。破坏过程相对较长破坏过程相对较长.导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口.基坑或渠道开挖时所出现的流砂基坑或渠道开挖时所出现的流砂现象是流土的一种常见形式现象是流土的一种常见形式.第2
26、9页，本讲稿共42页粘性土粘性土无粘性土无粘性土过渡型土过渡型土只有流土而无管涌只有流土而无管涌与土的颗粒组成、级配和密度土的颗粒组成、级配和密度等因素有关等因素有关与密度有关，大密度流土，与密度有关，大密度流土，小密度管涌小密度管涌第30页，本讲稿共42页流土流土第31页，本讲稿共42页第32页，本讲稿共42页管涌管涌第33页，本讲稿共42页管涌管涌第34页，本讲稿共42页第35页，本讲稿共42页渗透变形的防治措施渗透变形的防治措施减小水力梯度（降水头，增加渗径）水平防渗减小水力梯度（降水头，增加渗径）水平防渗在渗流逸出处加盖压重或设置反滤层垂直防渗在渗流逸出处加盖压重或设置反滤层垂直防渗思
27、路与方法思路与方法防治措施防治措施第36页，本讲稿共42页1、建筑物深挖基坑及地下巷道施工时流砂破坏的防、建筑物深挖基坑及地下巷道施工时流砂破坏的防治治采用人工降低地下水位的方法，使地下水位或水头低于采用人工降低地下水位的方法，使地下水位或水头低于基坑底板。其目的是在防治流砂的同时，又防止了地下水涌基坑底板。其目的是在防治流砂的同时，又防止了地下水涌入基坑。也可采用板桩防护墙施工。入基坑。也可采用板桩防护墙施工。水平坑道、竖井开挖遇流砂时，前者可采用盾构法施工，水平坑道、竖井开挖遇流砂时，前者可采用盾构法施工，后者采用沉井式支护掘井。后者采用沉井式支护掘井。目前工程中也可采用冻结法或电动硅化法
28、改善砂土性质，目前工程中也可采用冻结法或电动硅化法改善砂土性质，使施工顺利进行。使施工顺利进行。第37页，本讲稿共42页2、抽水井防止管涌的措施、抽水井防止管涌的措施通过在过滤管与井壁间充填反滤料，以保护渗流出口。通过在过滤管与井壁间充填反滤料，以保护渗流出口。反滤料的粒径选择必须考虑到被保护的含水层中潜蚀反滤料的粒径选择必须考虑到被保护的含水层中潜蚀颗粒的大小，以细颗粒不能穿过反滤料孔隙为原则。颗粒的大小，以细颗粒不能穿过反滤料孔隙为原则。第38页，本讲稿共42页管涌的治理管涌的治理反滤倒渗反滤倒渗第39页，本讲稿共42页反滤围井反滤围井管涌的治理管涌的治理第40页，本讲稿共42页蓄水反压蓄水反压管涌的治理管涌的治理第41页，本讲稿共42页作业题：作业题：P54：2-6，2-9补题补题1：什么是渗透力、临界水力梯度？：什么是渗透力、临界水力梯度？第42页，本讲稿共42页