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1、靳静靳静123主要内容主要内容4概述概述渗透理论渗透理论流网及其工程应用流网及其工程应用土中渗流的作用力及渗透变形土中渗流的作用力及渗透变形2-1概概述述渗透渗透渗透渗透：在水位差的作用下，水透过土体孔隙的现象。在水位差的作用下，水透过土体孔隙的现象。在水位差的作用下，水透过土体孔隙的现象。在水位差的作用下，水透过土体孔隙的现象。土的渗透性土的渗透性土的渗透性土的渗透性：一般是指水流通过土中孔隙难易程度一般是指水流通过土中孔隙难易程度一般是指水流通过土中孔隙难易程度一般是指水流通过土中孔隙难易程度 的性质，或称透水性。的性质，或称透水性。的性质，或称透水性。的性质，或称透水性。三相系三相系多孔
2、介质多孔介质多孔介质多孔介质孔隙流体孔隙流体孔隙流体流动孔隙流体流动能量差能量差浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流2-1概概述述水水坝坝蓄蓄水水后后，水水透透过坝身流向下游过坝身流向下游闸基闸基2-1概概述述在在上上游游水水位位压压力力差差的的作作用用下下，水水将将从从上上游游河河底底进进入入闸闸基基的的地基，沿地基土中的孔隙渗向下游，再从下游河床逸出。地基，沿地基土中的孔隙渗向下游，再从下游河床逸出。透水层透水层不透水层不透水层板桩墙板桩墙基坑基坑板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流2-1概概述述基基坑坑开开挖挖过过程程中中，通通常常是是基基外外
3、土土层层中中的的地地下下水水位位高高于于基基坑坑内内水水位位而而形形成成水水头头差差，地地下下水水将将通通过过坑坑外外土土层层绕绕过过板板桩桩渗渗入坑内。入坑内。典型事故典型事故l2003年年7月月1日日凌凌晨晨发发生生的的上上海海轨轨道道交交通通4号号线线塌塌方方事事故故，直直接接经经济济损损失失1.5亿亿元元左左右右，3栋栋建建筑筑物物严严重重倾倾斜斜，黄黄埔埔江江防防汛汛墙墙局局部塌陷并引发管涌。部塌陷并引发管涌。事事故故发发生生段段为为地地铁铁董董家家渡渡段段的的两两条条隧隧道道之之间间的的一一条条狭狭小小连连接接通道，即旁通道，靠黄浦江通道，即旁通道，靠黄浦江260米处。米处。l事故
4、发生原因：事故发生原因：（1）竖井与旁通道的开挖顺序错误；）竖井与旁通道的开挖顺序错误；（2）冷冻设备出现故障导致温度回升；）冷冻设备出现故障导致温度回升；（3）地下承压水导致喷砂。）地下承压水导致喷砂。三方面不利因素遇在一起，最终导致了事故的发生。三方面不利因素遇在一起，最终导致了事故的发生。渗透所引起的问题：渗透所引起的问题：渗透所引起的问题：渗透所引起的问题：一、一、一、一、水水水水的问题的问题的问题的问题二、二、二、二、土土土土的问题的问题的问题的问题水的问题水水的的问问题题指指在在工工程程中中由由于于水水本本身身引引起起的的工工程程问问题题，比比如如基基坑坑、隧隧道道等等开开挖挖工工
5、程程中中普普遍遍存存在在地地下下水水渗渗出出而而出出现现需需要要排排水水的的问问题题；相相反反在在以以蓄蓄水水为为目目的的的的土土坝坝中中会会由由于于渗渗透透造造成成水水量量损损失失而而出出现现需需要要挡挡水水的的问问题题；另另外外还还有有一一些些像像污污水水的的渗渗透透引引起起地地下下水水污污染染，地地下下水水开开采采引引起起大大面面积积地地面面沉沉降降及及沼沼泽泽枯枯竭竭等等地地下下水水环环境境的的问问题题。也也就就是是说说，说说自自身身的的量量(涌涌水水量量、渗渗水水量量)、质质(水水质质)、赋赋存存位位置置(地地下下水水位位)的的变变化化所所引引起起的的问题。问题。土的问题土土的的问问
6、题题是是指指由由于于水水的的渗渗透透引引起起土土体体内内部部应应力力状状态态的的变变化化或或土土体体、地地基基本本身身的的结结构构、强强度度等等状状态态的的变变化化，从从而而影影响响建建筑筑物物或或地地基基地地稳稳定定性性或或产产生生有有害害变变形形的的影影响响，在在坡坡面面、挡挡土土墙墙等等结结构构物物中中常常常常会会由由于于水水的的渗渗透透而而造造成成内内部部应应力力状状态态的的变变化化而而失失稳稳；土土坝坝、堤堤防防、基基坑坑等等结结构构物物会会由由于于管管涌涌逐逐渐渐改改变变地地基基土土内内的的结结构构而而酿酿成成破破坏坏事事故故；非非饱饱和和的的坡坡面面会会由由于于水水分分的的渗渗透
7、透而而造造成成土土的的强强度度的的降降低低而而引引起起滑滑坡坡。由由于于渗渗透透而而引引起起的的代代表表性性例例子子就就是是地地下下水水开开采采造造成成的的地地面面下沉问题。下沉问题。一、渗流模型一、渗流模型实际土体中的渗流实际土体中的渗流2.2渗透理论渗透理论l一一是是不不考考虑虑渗渗流流路路径径的的迂迂回回曲曲折折，只分析它的主要流向；只分析它的主要流向；l二二是是不不考考虑虑土土体体中中颗颗粒粒的的影影响响，认认为为空空隙隙和和土土粒粒所所占占的的空空间间之之总总和和均为渗流所充满。均为渗流所充满。对渗流作以下两方面的简化：对渗流作以下两方面的简化：渗流模型渗流模型 为了使渗流模型在渗流
8、特性上与真实的渗流相一致，它还应符为了使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致，它还应符合以下要求：合以下要求：vv (1)(1)(1)(1)流量相等流量相等流量相等流量相等：在同一过水断面，：在同一过水断面，：在同一过水断面，：在同一过水断面，渗流渗流渗流渗流模型的模型的模型的模型的流量流量流量流量等于真实等于真实等于真实等于真实渗流渗流渗流渗流的流量；的流量；的流量；的流量；vv (2)(2)(2)(2)压力相等压力相等压力相等压力相等：在任意截面上，在任意截面上，在任意截面上，在任意截面上，渗流渗流渗流渗流模型的模型的模型的模型的压力与压力与压力与压力与真实真实真实真实渗流渗流渗流渗流的
9、压力相等；的压力相等；的压力相等；的压力相等；vv (3)(3)(3)(3)阻力相等阻力相等阻力相等阻力相等：在相同体积内，在相同体积内，在相同体积内，在相同体积内，渗流渗流渗流渗流模型所受到的模型所受到的模型所受到的模型所受到的阻力阻力阻力阻力与真与真与真与真实渗流所受到的阻力相等。实渗流所受到的阻力相等。实渗流所受到的阻力相等。实渗流所受到的阻力相等。l 建建立立渗渗流流模模型型后后，即即可可采采用用液液体体运运动动的的有有关关概概念念和和理理论论对对土土体体渗流问题进行分析。渗流问题进行分析。渗流模型：渗流模型：真实渗流：真实渗流：工程中对于渗透速度，用工程中对于渗透速度，用渗流模型的渗
10、流模型的平均渗透速度平均渗透速度v来代来代替真实速度。替真实速度。q：渗流流量，单位时间内流过截面积：渗流流量，单位时间内流过截面积A的水量，的水量，m3/s。v：渗流流速，单位时间内流过土截面水量，：渗流流速，单位时间内流过土截面水量，m/s。真实渗流与渗流模型中平均流速的关系真实渗流与渗流模型中平均流速的关系真实渗流与渗流模型中平均流速的关系真实渗流与渗流模型中平均流速的关系模型的平均流速模型的平均流速小于真实流速。小于真实流速。式中：式中：1、达西渗透实验与达西定律、达西渗透实验与达西定律达西达西(1856年年)分析了大量实验资料，发现土中渗透的渗流量分析了大量实验资料，发现土中渗透的渗
11、流量q与圆筒断与圆筒断面积面积A和及水头损失和及水头损失h成正，与断面间距成正，与断面间距l成反比，即成反比，即二、达西（二、达西（Darcy）渗透定律）渗透定律或或式中：式中：称为称为水力坡度水力坡度，也称，也称水力坡降水力坡降；k为为渗透系数渗透系数，其值等于坡度为，其值等于坡度为1时水的渗透速度，时水的渗透速度，cm/s。上式所表示的关系称为达西定律，它是渗透的基本定律。上式所表示的关系称为达西定律，它是渗透的基本定律。达西实验的装置达西实验的装置达西实验的装置达西实验的装置达西渗透实验装置达西渗透实验装置达西渗透实验装置达西渗透实验装置:直直立立圆圆筒筒。横横截截面面积积为为A，上上端
12、端开开口口。在侧壁装有两支相距为在侧壁装有两支相距为l 的侧压管。的侧压管。滤板：滤板：滤板上填放颗粒均匀的砂土。滤板上填放颗粒均匀的砂土。溢溢水水管管：水水由由上上端端注注入入圆圆筒筒，多多余余的的水水从此溢出，使筒内的水位维持恒定。从此溢出，使筒内的水位维持恒定。短水管：短水管：渗透过滤板的水从此流入渗透过滤板的水从此流入。量杯：量杯：计算渗流量计算渗流量q。同同时时读读取取断断面面1-1和和断断面面2-2处处的的测测压压管管水水头头值值h1、h2，得得到到两两断断面面之之间间的的水水头损失头损失h=(l+h1)-h2。1122lvh1h2z1z2h（1）当当渗渗流流速速度度较较小小时时，
13、渗渗透透的的沿沿程程水水头头损损失失与与流流速速的的一一次次方方成成正正比比。在在一一般般情情况况下下，砂砂土土、粘粘土土中中的的渗渗透透速速度度很很小小，其其渗渗流流可可以以看看作作是是一一种种水水流流流流线线相相互互平平行行的的流流动动层层流流，渗渗流流运运动动规规律律符符合合达达西西定定律律，渗渗流流速速度度v和和水水力力梯度梯度i的关系可在的关系可在v-i坐标系中成一条直线，如图坐标系中成一条直线，如图(a)所示。所示。细粒土的细粒土的细粒土的细粒土的v v-i i关系关系关系关系粗粒土的粗粒土的粗粒土的粗粒土的v v-i i关系关系关系关系砂土、一般粘土砂土、一般粘土砂土、一般粘土砂
14、土、一般粘土颗粒极细的粘土颗粒极细的粘土颗粒极细的粘土颗粒极细的粘土达西定律是由达西定律是由砂质土砂质土体体(中砂、细砂、粉砂等中砂、细砂、粉砂等)实验得到的，后来实验得到的，后来推广应用于其他土体如粘土和具有细裂隙的岩石等。推广应用于其他土体如粘土和具有细裂隙的岩石等。达西渗透实验达西渗透实验(a)(b)（2）粗粒土）粗粒土(如砾石、卵石等如砾石、卵石等)的试验结果见图的试验结果见图(b)所示。所示。由由于于其其孔孔隙隙很很大大，当当水水力力坡坡度度较较小小时时，流流速速不不大大，渗渗流流可可以以认认为为是是层层流流，速速度较小度较小时，渗透可以认为是层流，时，渗透可以认为是层流，v-i关系
15、成线性变化，达西定律仍然适用。关系成线性变化，达西定律仍然适用。当当水水力力坡坡度度较较大大时时，流流速速增增大大，渗渗流流将将过过渡渡为为不不规规则则的的相相互互混混杂杂的的形形式式紊紊流，流，v-i关系成非线性变化，达西定律不再适用。关系成非线性变化，达西定律不再适用。细粒土的细粒土的细粒土的细粒土的v v-i i关系关系关系关系粗粒土的粗粒土的粗粒土的粗粒土的v v-i i关系关系关系关系砂土、一般粘土砂土、一般粘土砂土、一般粘土砂土、一般粘土颗粒极细的粘土颗粒极细的粘土颗粒极细的粘土颗粒极细的粘土注注：对对颗颗粒粒极极细细的的粘粘土土，由由于于土土粒粒周周围围存存在在结结合合水水，结结
16、合合水水因因受受分分子子引引力力作作用用而而呈呈现现粘粘滞滞性性，需需克克服服这这种种结结合合水水的的粘粘滞滞阻阻力力才才能能发发生生渗渗流流。常常把把克克服服此此粘粘滞滞阻阻力力所所需需要的水头梯度，称为起始水力坡度要的水头梯度，称为起始水力坡度ib，只有在达到起始水力坡度时才能发生渗流。，只有在达到起始水力坡度时才能发生渗流。由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大、由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流层流。当流速较小时，各流层质点互不混杂，这种型态的流动叫当流速较小时，各
17、流层质点互不混杂，这种型态的流动叫层流层流。当流速较大时，各流层质点形成涡体互相混掺，这种型态当流速较大时，各流层质点形成涡体互相混掺，这种型态的流动叫做的流动叫做紊流紊流。达西定律的讨论达西定律的讨论：1.达西定律通过砂质土实验得到，其适用条件是水流为层流，达西定律通过砂质土实验得到，其适用条件是水流为层流，渗透可自由发生。渗透可自由发生。2.密实粘土的渗透需要一个起始水力梯度，渗透不能自由发生，密实粘土的渗透需要一个起始水力梯度，渗透不能自由发生，这时不符合达西定律，如图这时不符合达西定律，如图b。3.颗粒较大的土，如卵石，其流速大至紊流，不符合达西定律，颗粒较大的土，如卵石，其流速大至紊
18、流，不符合达西定律，如图如图c通常可通过通常可通过通常可通过通常可通过试验方法试验方法试验方法试验方法实验室测定法实验室测定法实验室测定法实验室测定法现场测定法现场测定法现场测定法现场测定法或或或或经验估算法经验估算法经验估算法经验估算法来确定来确定来确定来确定k k值。值。值。值。三、渗透系数的确定三、渗透系数的确定渗透系数的测定渗透系数的测定渗透系数的测定渗透系数的测定渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的一个重要力学性质指标。渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的一个重要力学性质指标。渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的一个重要力学性质指标。渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱
19、的一个重要力学性质指标。（一）实验室内测定渗透系数（一）实验室内测定渗透系数（一）实验室内测定渗透系数（一）实验室内测定渗透系数就原理而言，可分为常水头试验和变水头试验。就原理而言，可分为常水头试验和变水头试验。就原理而言，可分为常水头试验和变水头试验。就原理而言，可分为常水头试验和变水头试验。(1)(1)(1)(1)常水头法常水头法常水头法常水头法是在整个试验过程中，水头保持不变。是在整个试验过程中，水头保持不变。是在整个试验过程中，水头保持不变。是在整个试验过程中，水头保持不变。常水头法适用于透水性强的无粘性土常水头法适用于透水性强的无粘性土常水头法适用于透水性强的无粘性土常水头法适用于透
20、水性强的无粘性土。k k 1010-3-3 为细砂到中等卵石。为细砂到中等卵石。为细砂到中等卵石。为细砂到中等卵石。土的渗透系数：土的渗透系数：土的渗透系数：土的渗透系数：下页所示为下页所示为下页所示为下页所示为基马式渗透仪基马式渗透仪基马式渗透仪基马式渗透仪基马式渗透仪基马式渗透仪基马式渗透仪基马式渗透仪(2)(2)(2)(2)变水头法变水头法变水头法变水头法在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的。在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的。在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的。在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的。变水头法适用于透水性弱的粘性土变水头法适用于透水性弱的粘性土变水头法
21、适用于透水性弱的粘性土变水头法适用于透水性弱的粘性土。透水性较小透水性较小透水性较小透水性较小(10(10-7-7k k1010-3-3)粘性土粘性土粘性土粘性土根根据据连连续续性性原原理理，流流经经土土样样的的渗渗流流水水量量取取决决于于玻玻璃璃管管的的水水位位下下降降，dt时时间间下下降降dh,流速为流速为v=-dh/dt，有，有在土样内，由达西定律有：在土样内，由达西定律有：所以：所以：积分得：积分得：为起始水头高度。为起始水头高度。把把两两个个时时间间及及对对应应的的水水头头高高度度带带入入上上式式，并并做做差差，可得渗流系数为：可得渗流系数为：AAh 现场测定法的试验条件比实验室测定
22、法更符合实际土层的渗透情现场测定法的试验条件比实验室测定法更符合实际土层的渗透情现场测定法的试验条件比实验室测定法更符合实际土层的渗透情现场测定法的试验条件比实验室测定法更符合实际土层的渗透情况，测得的渗透系数况，测得的渗透系数况，测得的渗透系数况，测得的渗透系数k k k k值为整个渗流区较大范围内土体渗透系数的平值为整个渗流区较大范围内土体渗透系数的平值为整个渗流区较大范围内土体渗透系数的平值为整个渗流区较大范围内土体渗透系数的平均值，是比较可靠的试验方法，但试验规模较大，所需人力物力较多。均值，是比较可靠的试验方法，但试验规模较大，所需人力物力较多。均值，是比较可靠的试验方法，但试验规模
23、较大，所需人力物力较多。均值，是比较可靠的试验方法，但试验规模较大，所需人力物力较多。常用的是常用的是常用的是常用的是野外抽水试验。野外抽水试验。野外抽水试验。野外抽水试验。试验开始前先在现场钻一中心抽水井，根据井底土层情况可分为试验开始前先在现场钻一中心抽水井，根据井底土层情况可分为试验开始前先在现场钻一中心抽水井，根据井底土层情况可分为试验开始前先在现场钻一中心抽水井，根据井底土层情况可分为两种类型：两种类型：两种类型：两种类型：完整井和非完整井。完整井和非完整井。完整井和非完整井。完整井和非完整井。（二）现场测定渗透系数（二）现场测定渗透系数抽水法抽水法 地下水位地下水位测压管水面测压管
24、水面抽水量抽水量q qdhdrrhh1h2r1r2观察井观察井优点：可获得现场较为可靠优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长不透水层不透水层透水层透水层井井在半径在半径r r处的过水断面面积为处的过水断面面积为由达西定律：由达西定律：现场抽水试验公式（裘布依公式）推导：现场抽水试验公式（裘布依公式）推导：1991年哈森提出用有效粒径d10计算较均匀砂土的公式:1955年，太沙基提出考虑土体孔隙比e的经验公式:（三）经验估算法（三）经验估算法 土的渗透系数参考值土的渗透系数参考值2.3流网及其工程应用流网及其工程应用闸基的渗流闸基的
25、渗流一、平面稳定渗流基本微分方程一、平面稳定渗流基本微分方程在渗流场中的（在渗流场中的（x，z）处取一个单元体，）处取一个单元体，那么对于该单元体的水量变化为：那么对于该单元体的水量变化为：假定渗流为稳定流，土骨架不变形，假定渗流为稳定流，土骨架不变形，流体不可压缩，有：流体不可压缩，有：dQ=0即：即：平面渗流连续条件微分方程平面渗流连续条件微分方程平面渗流连续条件微分方程平面渗流连续条件微分方程oxzdxdz对于对于kxkz的的各向异性土各向异性土，达西定律写成：，达西定律写成：代入，得代入，得 ：对于对于各向同性土各向同性土 ：平面稳定渗流问题基本微分方程平面稳定渗流问题基本微分方程平面
26、稳定渗流问题基本微分方程平面稳定渗流问题基本微分方程为求解方便，作变换，令为求解方便，作变换，令 ，得到，得到n渗渗流流场场内内任任一一点点的的水水头头是是其其坐坐标标的的函函数数，因因此此求求解解渗渗流流问问题题的的第第一一步步就就是是先先确确定定渗渗流流场场中中各各点点的的水水头头（势势能能），即即求求解解渗渗流流基基本本微分方程。微分方程。n众众所所周周知知，满满足足拉拉普普拉拉斯斯方方程程的的解解是是两两组组彼彼此此正正交交的的曲曲线线。就就渗渗流流而而言言，一一组组为为等等势势线线（各各水水头头相相等等），另另一一组组为为流流线线（代代表表渗渗流方向），等势线和流网交织在一起形成的网
27、格叫流网。流方向），等势线和流网交织在一起形成的网格叫流网。n只只有有满满足足边边界界条条件件的的那那一一种种流流线线和和等等势势线线的的组组合合形形式式才才是是Laplace方程式的正确解答。方程式的正确解答。拉普拉斯方程平面稳定渗流问题基本微分方程平面稳定渗流问题基本微分方程平面稳定渗流问题基本微分方程平面稳定渗流问题基本微分方程n 求解求解方法方法解析法解析法数值法数值法电拟法电拟法比比较较精精确确，但但只只有有在在边边界界条条件件简简单单情情况况下下才才能能求求解解有限单元法有限单元法(FEM)有限差分法有限差分法(FDM)电网络模拟电网络模拟边界条件比较复杂的渗流边界条件比较复杂的渗
28、流图解法图解法流网解法流网解法三、平面稳定渗流的流网解法三、平面稳定渗流的流网解法（一）流网及其性质（一）流网及其性质（一）流网及其性质（一）流网及其性质 平面稳定渗流基本微分方程平面稳定渗流基本微分方程的解可以用渗流区平面内两簇相的解可以用渗流区平面内两簇相互正交的曲线来表示。其中一簇互正交的曲线来表示。其中一簇为为流线流线，它代表水流的流动路径；，它代表水流的流动路径；另一簇为另一簇为等势线等势线，在任一条等势，在任一条等势线上的各水头相等。工程上把这线上的各水头相等。工程上把这种等势线簇和流线簇交织成的网种等势线簇和流线簇交织成的网格图形称为格图形称为流网流网。闸基的渗流流网闸基的渗流流
29、网对于各向同性的渗透介质，流网具有下列性质：对于各向同性的渗透介质，流网具有下列性质：对于各向同性的渗透介质，流网具有下列性质：对于各向同性的渗透介质，流网具有下列性质：流网是相互正交的网格流网是相互正交的网格流网是相互正交的网格流网是相互正交的网格;流网为曲边正方形；流网为曲边正方形；流网为曲边正方形；流网为曲边正方形；网格的长度网格的长度网格的长度网格的长度ll与宽度与宽度与宽度与宽度bb之比通常取为定值，一般取之比通常取为定值，一般取之比通常取为定值，一般取之比通常取为定值，一般取1.01.0。任意两相邻等势线间的水头损失相等；任意两相邻等势线间的水头损失相等；任意两相邻等势线间的水头损
30、失相等；任意两相邻等势线间的水头损失相等；渗流区内水头依等势线等量变化，相邻渗流区内水头依等势线等量变化，相邻渗流区内水头依等势线等量变化，相邻渗流区内水头依等势线等量变化，相邻等势线的水头差相同。等势线的水头差相同。等势线的水头差相同。等势线的水头差相同。任意两相邻流线间的单位渗流量相等。任意两相邻流线间的单位渗流量相等。任意两相邻流线间的单位渗流量相等。任意两相邻流线间的单位渗流量相等。相邻流线间的渗流区域称为流槽，每一流相邻流线间的渗流区域称为流槽，每一流相邻流线间的渗流区域称为流槽，每一流相邻流线间的渗流区域称为流槽，每一流槽的单位渗流量与总水头槽的单位渗流量与总水头槽的单位渗流量与总
31、水头槽的单位渗流量与总水头hh、渗透系数、渗透系数、渗透系数、渗透系数kk及及及及等势线间隔数有关，与流槽位置无关。等势线间隔数有关，与流槽位置无关。等势线间隔数有关，与流槽位置无关。等势线间隔数有关，与流槽位置无关。接接近近坝坝底底，流流线线密密集集，水水力梯度大，渗流速度大力梯度大，渗流速度大远远离离坝坝底底，流流线线稀稀疏疏，水水力力坡坡度度小小，渗渗流流速速度度小小（二）流网的绘制（二）流网的绘制（二）流网的绘制（二）流网的绘制流网的绘制方法大致有三种：流网的绘制方法大致有三种：第一种是解析法；第一种是解析法；第二种方法是实验法，常用的有水电比拟法；第二种方法是实验法，常用的有水电比拟
32、法；第三种方法是第三种方法是近似作图法近似作图法也称也称手描法手描法，系根据流网性质和确，系根据流网性质和确定的边界条件，用作图方法逐步近似画出流线和等势线。定的边界条件，用作图方法逐步近似画出流线和等势线。近似作图法的步骤大致为：近似作图法的步骤大致为：先按流动趋势画出流线，然后根据流网正交性画出等势线，先按流动趋势画出流线，然后根据流网正交性画出等势线，形成流网。如发现所画的流网不成曲边正方形时，需反复形成流网。如发现所画的流网不成曲边正方形时，需反复修改等势线和流线直至满足要求修改等势线和流线直至满足要求 右图为一带板桩的溢流坝，其流网右图为一带板桩的溢流坝，其流网可按如下步骤绘出：可按
33、如下步骤绘出：1）首先将建筑物及土层剖面按一定的比例绘出，并根据渗流区的边界，确定边界线及边界等势线。图图2-11溢流坝的渗流流网溢流坝的渗流流网2）根据流网特性，初步绘出流网形态。3）逐步修改流网。ABCDlsHh h00ls绘制方法绘制方法根据渗流场根据渗流场的边界条件的边界条件确定边界流线确定边界流线和首尾等势线和首尾等势线正交性正交性曲边正方形曲边正方形流线流线等势线等势线反复修改，调整反复修改，调整精度较高的流网图精度较高的流网图初步绘制流网初步绘制流网（三）流网的工程应用（三）流网的工程应用（三）流网的工程应用（三）流网的工程应用要求：能对流网进行分析，能根据流网求渗流速度，渗流量
34、要求：能对流网进行分析，能根据流网求渗流速度，渗流量 和孔隙水压力。和孔隙水压力。1.渗流速度渗流速度lh/n-1vb2.渗流量渗流量3.孔压的计算孔压的计算一一点点的的孔孔隙隙水水压压力力u等等于于该该点点测测压压管管水水柱柱高高度度H与与水水的的重重度度乘乘积积，即即任意点的水柱任意点的水柱高度高度Hi可由该点所在的可由该点所在的等势线的水头等势线的水头确定。确定。E点的总水头点的总水头hE应为入渗边界上的总水头减去这段流程的水头损失，即应为入渗边界上的总水头减去这段流程的水头损失，即水头损失水头损失hf为为E点测压管点测压管水柱高度水柱高度HE为为E点总水头与其点总水头与其位置坐标值位置
35、坐标值ZE之差，即之差，即【例题例题2-1】板桩支挡结构如图板桩支挡结构如图2-12所示，由所示，由于基坑内外土层存在水位差而发生渗流，渗于基坑内外土层存在水位差而发生渗流，渗流流网如图中所示。已知土层渗透系数流流网如图中所示。已知土层渗透系数k2.510-3cm/s，A点、点、B点分别位于基坑底点分别位于基坑底面以下面以下1.2m和和2.6m。试求。试求:图2-12（1）整个渗流区的单位宽度流量）整个渗流区的单位宽度流量q；（2）AB段的平均渗透速度段的平均渗透速度vAB。（3）图中）图中A点和点和B点的孔隙水压力点的孔隙水压力uA与与uB。【解解】(1)基坑内外的总水头差：基坑内外的总水头
36、差：流网图中共有流网图中共有4条流线，条流线，9条等势线，即条等势线，即n=9,m=4。在流网中选取一网格，如。在流网中选取一网格，如A，B点所在的网格，其长度与宽度为点所在的网格，其长度与宽度为lb1.5m，则整个渗流区的单宽流量，则整个渗流区的单宽流量q为：为：ab段的平均渗透速度：段的平均渗透速度：(2)(2)任意两等势线间的水头差：任意两等势线间的水头差：(3)A点和点和B点的测压水柱高度分别为：点的测压水柱高度分别为：而而A点和点和B点的孔隙水压力分别为：点的孔隙水压力分别为：水在土中流动水在土中流动能量消耗能量消耗力图拖曳土粒力图拖曳土粒水头损失水头损失2.4土中渗流的作用力及渗透
37、变形土中渗流的作用力及渗透变形一、渗透力的概念一、渗透力的概念一、渗透力的概念一、渗透力的概念 渗透水流对土骨架产生的渗透水流对土骨架产生的拖曳力称为拖曳力称为渗透力、渗流渗透力、渗流渗透力、渗流渗透力、渗流力、动水压力力、动水压力力、动水压力力、动水压力土粒对水流的总阻力土粒对水流的总阻力土粒对水流的总阻力土粒对水流的总阻力J Jssh2h0h1h0 hGwGwJsJsABCDABCDFHFNABCDl lbGwJsFHU2渗透力如何计算渗透力如何计算渗透力如何计算渗透力如何计算 以网格中的孔隙水以网格中的孔隙水以网格中的孔隙水以网格中的孔隙水 为研究对象为研究对象为研究对象为研究对象 FN
38、GwJsABCDFHFN 在平行水流方向，用力的平衡条件：在平行水流方向，用力的平衡条件：在平行水流方向，用力的平衡条件：在平行水流方向，用力的平衡条件：设阻力设阻力Js在水流方向和垂直水流方向的分量分别为在水流方向和垂直水流方向的分量分别为Jst、Jsn，在垂直水流方向的平衡：在垂直水流方向的平衡：可见阻力可见阻力Js在垂直水流方向的分量为零，在垂直水流方向的分量为零，因此因此Js=Jst，其方向与水流方向一致。，其方向与水流方向一致。渗流力的大小与水力梯度成正比，其渗流力的大小与水力梯度成正比，其渗流力的大小与水力梯度成正比，其渗流力的大小与水力梯度成正比，其作用方向与渗流（或流向）方向一
39、致，是作用方向与渗流（或流向）方向一致，是作用方向与渗流（或流向）方向一致，是作用方向与渗流（或流向）方向一致，是一种体积力，常以一种体积力，常以一种体积力，常以一种体积力，常以kNkN/mm33计。计。计。计。h2h0h1h0 hABCDl lb水流对土粒的渗透力水流对土粒的渗透力J是阻力是阻力Js 的反作用力，的反作用力，故单元体中的渗透力为故单元体中的渗透力为单位体积内土粒受到的单位渗透力为：单位体积内土粒受到的单位渗透力为：GwJsABCDFHFNl1 1点点，渗渗流流力力与与重重力力方方向向一一致致，渗渗流流力力促促使使土土体体压压密密，对稳定有利。对稳定有利。l2 2点点、3 3点
40、点，渗渗流流力力与与重重力力方方向向正正交交，对稳定不利。对稳定不利。l3 3点点，渗渗流流力力与与重重力力方方向向相相反反，对对稳稳定特别不利。定特别不利。二二二二、渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏）渗渗透透变变形形：当当水水力力梯梯度度超超过过一一定定的的界界限限值值后后，土土中中的的渗渗流流水水流流会会把把部部分分土土体体或或土土颗颗粒粒冲冲出出、带带走走，导导致致局局部部土土体体发发生生位位移移，位位移移达达到到一一定定程程度度，土土体体将将发发生生失失稳稳破破坏坏，这这种种现现象象称称为渗透变形。为渗透变形。渗透变形主要有两种形式：渗透变
41、形主要有两种形式：(1)流土流土(流砂流砂)：渗流水流将：渗流水流将整个土体整个土体带走的现象带走的现象(2)管涌管涌：渗流：渗流中土体大颗粒之间的小颗粒被冲出中土体大颗粒之间的小颗粒被冲出的现象。的现象。1.流土流土(砂砂)若若水水的的渗渗流流方方向向自自上上而而下下，在在土土体体表表面面取取一一单单元元体体进进行行分分析析。已已知知土土的的有有效效重重度度为为，当当向向上上的的渗渗透透力力J与与土土的的有有效重度相等时，即效重度相等时，即这这时时，土土颗颗粒粒间间的的压压力力就就等等于于零零，土土颗颗粒粒将将处处于于悬悬浮浮状状态态而而失失去去稳稳定定，这这种种现现象象就就称称为为流流砂砂
42、。这这时时的的水水力力梯梯度度称称为为临临界水力梯度界水力梯度icr为：为：(和土的密实程度有关和土的密实程度有关)流砂形成条件：流砂形成条件：K:安全系数安全系数2.02.5i:允许水力坡度；允许水力坡度；i icr:土体处于稳定状态土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体发生流土破坏土体处于临界状态土体处于临界状态工程经验判断：工程经验判断：粘粘性性土土中中，渗渗透透力力的的作作用用往往往往使使渗渗流流逸逸出出处处某某一一范范围围内内的的土土体体出现表面隆起变形出现表面隆起变形；粉粉砂砂细细砂砂及及粉粉土土等等粘粘聚聚性性差差的的细细粒粒土土中中，水水力力梯梯度度达达到到一一定定值值后后，渗渗
43、流流逸逸出出处处出出现现表表面面隆隆起起变变形形的的同同时时，还还可可能能出出现现渗渗流流水水流流夹带泥土向外涌出的砂沸现象。夹带泥土向外涌出的砂沸现象。2.管涌管涌水水在在砂砂土土中中渗渗流流时时，土土中中的的一一些些细细小小颗颗粒粒在在渗渗透透力力作作用用下下，可可能能通通过过粗粗颗颗粒粒的的孔孔隙隙被被水水流流带带走走，这这种种现现象象称称为为管管涌涌。管管涌涌可可能能于于局部范围，但也可能逐步扩大，最后导致土体失稳破坏。局部范围，但也可能逐步扩大，最后导致土体失稳破坏。管涌试验确定临界水力梯度：管涌试验确定临界水力梯度：图图2-14(a)管涌试验装置图管涌试验装置图图图2-14(b)管
44、涌试验管涌试验v-i关系曲线关系曲线发发生生管管涌涌的的临临界界水水力力梯梯度度与与土土的的颗颗粒粒大大小小及及其级配情况有关。其级配情况有关。不均匀系数越大，管涌现象越容易发生。不均匀系数越大，管涌现象越容易发生。【例例题题2-2】某某工工程程开开挖挖深深度度为为6.0m的的基基坑坑时时采采用用板板桩桩围围护护结结构构，基基坑坑在在排排水水后后的的稳稳定定渗渗流流流流网网如如图图2-16所所示示。地地基基土土的的饱饱和和重重度度rsat=19.8kN/m3，地地下下水水位位距距离离地地表表1.5m。判判断断基基坑坑中中的的ab渗渗流流逸出处是否发生流土？逸出处是否发生流土？【解解】由由流流网
45、网图图可可知知，地地基基中中流流网网的的等等势势线线数数量量为为n=10，总总水水头头差差为为h=6.0m1.5m=4.5m，则则相相邻邻两两等等势势线线的的水水头头损损失失为为：ab渗流逸出处的水力梯度渗流逸出处的水力梯度iab可用流网网格可用流网网格abcd的平均水力梯度近似表示，的平均水力梯度近似表示，从流网图中可量得网格长度从流网图中可量得网格长度l=1.6m，则，则可见可见iabic，在，在ab渗流逸出处不会发生流土现象。渗流逸出处不会发生流土现象。而流土的临界水力梯度为：而流土的临界水力梯度为：粉细沙随地下水流入基粉细沙随地下水流入基坑，产生流砂坑，产生流砂 在基坑开挖和地下结构施
46、工中，必须防止流砂，以免在基坑开挖和地下结构施工中，必须防止流砂，以免发生重大基坑坍塌事故。发生重大基坑坍塌事故。流砂流砂 枯水期施工法枯水期施工法 设止水帷幕设止水帷幕(如连续板桩、深层搅拌桩、密排灌如连续板桩、深层搅拌桩、密排灌 注桩等注桩等)法。法。冻结法冻结法 人工降低地下水位人工降低地下水位 (井点降水法井点降水法)法。法。流砂的防治措施：流砂的防治措施：管涌管涌管涌管涌管涌管涌管涌的治理反滤导渗反滤导渗管涌的治理反滤围井反滤围井管涌的治理蓄水反压蓄水反压:通过抬高管涌区内的水位来减小堤内外的水头差，从而通过抬高管涌区内的水位来减小堤内外的水头差，从而降低渗透压力，减小出逸水力坡度，
47、达到制止管涌破坏和稳定管涌险情降低渗透压力，减小出逸水力坡度，达到制止管涌破坏和稳定管涌险情的目的。的目的。渗透理论的建立渗透理论的建立渗透模型渗透模型达西渗透定律达西渗透定律实验室测定法实验室测定法实验室测定法实验室测定法现场测定法现场测定法现场测定法现场测定法经验估算法经验估算法经验估算法经验估算法渗透系数渗透系数k k的确定的确定平面稳定渗流问题基本微分方程平面稳定渗流问题基本微分方程流网解法流网解法根据流网求渗流速度，渗流量和孔隙水压力根据流网求渗流速度，渗流量和孔隙水压力流网性质流网性质单位渗透力单位渗透力渗透力渗透力渗透变形形式渗透变形形式流土流土(流砂流砂)管涌管涌流砂形成条件流砂形成条件i icr:土体处于稳定状态土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体发生流土破坏土体处于临界状态土体处于临界状态临界水力梯度用管涌试验确定临界水力梯度用管涌试验确定