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1、第3章土的渗透性及渗流第1页，本讲稿共37页渗流渗流水在土体孔隙中流动的现象水在土体孔隙中流动的现象渗透性渗透性土具有被水等液体透过的性质土具有被水等液体透过的性质第第3章章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流3.1 概述概述第2页，本讲稿共37页土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖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第3页，本讲稿共37页透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流第4页，本讲稿共37页透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q第5页，本讲稿共37
2、页渗流滑坡渗流滑坡第6页，本讲稿共37页 三个方面三个方面:渗流量问题：渗流量问题：基坑开挖排水基坑开挖排水量量计计算，算，坝坝身、身、坝坝基渗水量，基渗水量，水井供水量水井供水量等等 渗透破坏渗透破坏：产产生渗透生渗透变变形，甚至渗透破坏形，甚至渗透破坏，如，如边边坡破坏、堤坡破坏、堤坝坝失失稳稳、地面隆起等地面隆起等 渗流控制渗流控制问题问题：如渗透如渗透变变形不形不满满足足设计设计要求，需研要求，需研究工程措施究工程措施进进行渗流控制行渗流控制 第7页，本讲稿共37页3.2 土的渗透性土的渗透性ABLh1h2zAzBh h00基准面基准面水力坡降线水力坡降线总水头总水头:单位重量（容重）
3、水体所具有的能量单位重量（容重）水体所具有的能量 z：位置水头：位置水头 u/u/w w：压力水头：压力水头V2/(2g)：流速水头流速水头0 0A A点总水头：点总水头：B B点总水头：点总水头：总水头：总水头：水力坡降：水力坡降：3.2.1 基本概念基本概念第8页，本讲稿共37页3.2.2 土的土的土的土的层流层流渗透定律渗透定律达西定律达西定律1856年，法国学者达西（年，法国学者达西（Darcy,H.）根据砂土）根据砂土渗透实验，发现水的渗透速度与水力坡降成正比渗透实验，发现水的渗透速度与水力坡降成正比 即达西定律：即达西定律：v v 平均渗透速度（平均渗透速度（平均渗透速度（平均渗透
4、速度（cm/scm/s或或或或m/sm/s）k k 渗透系数（渗透系数（渗透系数（渗透系数（cm/scm/s或或或或m/s,m/dm/s,m/d）h h 试样两端的水位差，即水头损失试样两端的水位差，即水头损失试样两端的水位差，即水头损失试样两端的水位差，即水头损失 L L 渗径长度渗径长度渗径长度渗径长度k:k:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数第9页，本讲稿共37页试验前提：试验前提：层流层流h，q A，q L，q断面平均流速断面平均流速水力坡降水力坡降 渗透试验渗透试验试验条件试验条件:h1，A，L量测变量量测变量:h2，Q，th=h1-h2
5、达西渗透定律达西渗透定律达西渗透定律达西渗透定律 Darcy s lawDarcy s law第10页，本讲稿共37页注：达西定律适用条件注：达西定律适用条件层流（线性流）层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土粘土及砂性较重的粘性土砂土的水力梯度与渗透速度呈线性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。关系，符合达西渗透定律。第11页，本讲稿共37页粗粒土：粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律砾石类土中的渗流不符合达西定律 两种特例两种特例粘性土：粘性土：clay致密的粘土致密的粘土 ivovcrivoi0v=k(i-i0)第12页，
6、本讲稿共37页 v v 平均渗透速度（平均渗透速度（平均渗透速度（平均渗透速度（cm/scm/s或或或或m/sm/s）k k 渗透系数（渗透系数（渗透系数（渗透系数（cm/scm/s或或或或m/s,m/dm/s,m/d）k:k:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数。它是反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数。它是反映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算时必须用到反映土的渗透能力的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。的一个基本参数。第13页，本讲稿共37页3.2.3 3.2.3 3.2.3 3.2.3 渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数室内试验测定方法室内试验测定方法野外试验
7、测定方法野外试验测定方法常水头试验常水头试验法法变水头试验变水头试验法法井孔抽水试验井孔抽水试验井孔注水试验井孔注水试验测定方法测定方法粗粒土粗粒土细粒土细粒土第14页，本讲稿共37页 室内试验方法室内试验方法1 1常水头试验法常水头试验法i=h/LQv=ki适用土类：适用土类：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土带入带入虑石虑石量筒量筒一、室内试验测定方法一、室内试验测定方法=vAt=qt第15页，本讲稿共37页 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法试验条件试验条件:h:h变化，变化，A A，L L透水性较小的粘性土透水性较小的粘性土第16页，本讲稿共37页tt+tdQ=-
8、adhdQ=vAdt流入量流入量：流出量：流出量：=kiAdt-adh第17页，本讲稿共37页二、现场抽水试验二、现场抽水试验室内试验时不易取得原状土样，或者室内试验时不易取得原状土样，或者土样不能反映天然土层的层次或土颗粒排列情况时土样不能反映天然土层的层次或土颗粒排列情况时图2-6 现场抽水试验非承压完整井第18页，本讲稿共37页三、影响渗透系数的主要因素 粒径大小及级配粒径大小及级配孔隙比孔隙比矿物成分矿物成分结构结构l水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数l饱和度（含气量）（饱和度低，渗透饱和度（含气量）（饱和度低，渗透性差性差)封闭气泡封闭气泡对对k k影响很大，影响很大，第19页，本讲稿
9、共37页（1）土的粒度成分或级配：）土的粒度成分或级配：颗粒越粗，大小越均匀颗粒越粗，大小越均匀,k?（2）土的密实度：越密实）土的密实度：越密实，k?（3）土的饱和度）土的饱和度:Sr，k?（4）土的结构：）土的结构：（5）水的温度：）水的温度：T，粘滞度，粘滞度，k k?（6 6）土的构造：）土的构造：水平方向与垂直方向的水平方向与垂直方向的K K第20页，本讲稿共37页四、四、层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的确立各层的k ki i，h hi i根据渗流方向确定等效渗流系数根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状天然土层多呈层状第21页，本讲稿共37页
10、 水平向渗流时水平向渗流时KX q=q1+q2 受渗透系数最大的土层控制受渗透系数最大的土层控制 竖直向渗流时竖直向渗流时 K Ky y q=q q=q1 1=q=q2 2受渗透系数最小的土层控制受渗透系数最小的土层控制h1h2qFk1k2k1k2q1q2h1h2qh1h2 成层土的渗透系数成层土的渗透系数第22页，本讲稿共37页算例说明算例说明 H1H2H3Hk1k2k3x第23页，本讲稿共37页3.3 3.3 渗透力与渗透破坏渗透力与渗透破坏 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔水在流动时，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。隙水对土骨架产
11、生一个摩擦、拖曳力。土粒土粒渗渗 流流G渗透力渗透力 G d渗透作用中，单位体积土颗渗透作用中，单位体积土颗粒所受到的渗流作用力。粒所受到的渗流作用力。注：渗透力是一种体积力，量纲与注：渗透力是一种体积力，量纲与w w相同。大小与水相同。大小与水力梯度成正比，力梯度成正比，方向与渗流方向一致。方向与渗流方向一致。第24页，本讲稿共37页4点，渗流力与重力方向相反，对点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利稳定特别不利1点，渗流力与重力方向一致，点，渗流力与重力方向一致，渗流力促使土体压密，对稳定有利渗流力促使土体压密，对稳定有利2点，点，3点，渗流力与重力方向点，渗流力与重力方向正交，对稳定不
12、利正交，对稳定不利第25页，本讲稿共37页流土（流砂）与管涌流土（流砂）与管涌基本类型基本类型 流土流土管涌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形成条件 防治措施防治措施 第26页，本讲稿共37页流土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粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体渗流渗流不发生流土不发生流土发生流土发生流土iicrGGDor第27页，本讲稿共37页流土第28页，本讲稿共37页管涌管涌原因：原因：内因内因 有足够多的粗颗粒形成有足
13、够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙大于细粒直径的孔隙外因外因渗透力足够大渗透力足够大 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。隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。管涌管涌破坏第29页，本讲稿共37页管涌第30页，本讲稿共37页管涌第31页，本讲稿共37页管涌第32页，本讲稿共37页管涌的治理v反滤倒渗反滤倒渗第33页，本讲稿共37页总结总结1、达西渗透定律、达西渗透定律根据砂土渗透，水的渗透速度与水力坡降成正比根据砂土渗透，水的渗透速度与水力坡降成
14、正比即达西定律：即达西定律：第34页，本讲稿共37页2 达西定律适用条件达西定律适用条件层流（线性流）：大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂层流（线性流）：大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土性较重的粘性土3、水平渗流、水平渗流等效渗透系数等效渗透系数:4、竖直渗流、竖直渗流:等效渗透系数等效渗透系数:第35页，本讲稿共37页5、渗透力、渗透力 J：渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方：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。向与渗流方向一致。不发生流土不发生流土发生流土发生流土6、临界水力梯度、临界水力梯度第36页，本讲稿共37页Exercises vIn a constant-head permeability test,a sample of sand 12 cm long and 8 cm in diameter discharged 1.510-3m3 of water in 10 minutes.The head difference is 100mm.Determine the coefficient of permeability of the sand.第37页，本讲稿共37页