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1、北华大学 土质学与土力学第二章第二章 土的渗透性与渗透问题土的渗透性与渗透问题n2.1达西定律n2.2渗透系数及其确定方法n2.3渗透力与渗透变形n2.4渗流工程问题与处理措施主要内容北华大学 土质学与土力学土的毛细性土的毛细性土的毛细性：土的毛细性：指能够产生毛细现象的性质。指能够产生毛细现象的性质。土的毛细现象：土的毛细现象：指土中水在表面张力的作用下，沿着细指土中水在表面张力的作用下，沿着细的孔隙向上及向其它方向移动的现象。的孔隙向上及向其它方向移动的现象。土的毛细水带土的毛细水带 正常毛细水带正常毛细水带 毛细网状水带毛细网状水带 毛细悬挂水带毛细悬挂水带北华大学 土质学与土力学土的渗
2、透问题概述土的渗透问题概述浸润线浸润线流线流线等势线等势线下游下游上游上游土坝蓄水后水透土坝蓄水后水透过坝身流向下游过坝身流向下游H隧道开挖时，地下隧道开挖时，地下水向隧道内流动水向隧道内流动 在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透渗透 北华大学 土质学与土力学2.1 达西定律n一、一、达西定律达西定律1856年法国学者年法国学者DarcyDarcy对对砂土砂土的渗的渗透性进行研究透性进行研究结论：结论：水在土中的渗透速度与试水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比样的水力梯度成正比渗透试验渗透试验播放播放v=ki达西定律达西定律水力梯度，即沿渗流
3、方向水力梯度，即沿渗流方向单单位距离的水头损失位距离的水头损失 北华大学 土质学与土力学n二、达西定律适用范围与起始水力坡降二、达西定律适用范围与起始水力坡降达西定律达西定律讨论：讨论：砂土的渗透速度与水砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系力梯度呈线性关系 密实的粘土，需要克密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透后才能发生渗透;同时同时渗透系数与水力坡降渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定的规律还偏离达西定律而呈非线性关系律而呈非线性关系 ib起始水起始水力坡降力坡降虚直线简化虚直线简化达西定律适用于层达西定律适用于层流，不适用于紊流流，不适用于紊流v=kiivO
4、O砂土砂土0iv密实粘土密实粘土北华大学 土质学与土力学2.2 渗透系数及其确定方法n一、渗透试验（室内）一、渗透试验（室内）时间时间t内流出的水量内流出的水量1.常水头试验常水头试验整个试验过整个试验过程中水头保持不变程中水头保持不变 适用于透水性大（适用于透水性大（k10-3cm/s）的土，例如砂土。的土，例如砂土。北华大学 土质学与土力学2.变水头试验变水头试验整个试验过程水头随时间变化整个试验过程水头随时间变化 截面面积截面面积a任一时刻任一时刻t的水头差为的水头差为h，经经时段时段dt后，细玻璃管中水位后，细玻璃管中水位降落降落dh，在时段在时段dt内流经试内流经试样的水量样的水量
5、dV=adh 在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dV=kiAdt=kAh/Ldt 管内减少水量流经试样水量管内减少水量流经试样水量 adh=kAh/Ldt 分离变量分离变量 积积分分 适用于透水性差，渗透系数适用于透水性差，渗透系数小的粘性土小的粘性土 北华大学 土质学与土力学n二、影响渗透系数的因数二、影响渗透系数的因数1.土粒大小与级配土粒大小与级配 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。愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。2.土的密实度土的密实度 3.水的动力粘滞系数
6、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。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。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。含量愈多，土的渗透性愈小。T、20分别为分别为T和和20时
7、水时水的动力粘滞系数，可查表的动力粘滞系数，可查表 北华大学 土质学与土力学n三、成层土的渗透系数三、成层土的渗透系数1.水平渗透系数水平渗透系数 H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和应为各土层渗流量之总和 达西定律达西定律整个土层与层面平整个土层与层面平行的等效渗透系数行的等效渗透系数 平均渗透系数平均渗透系数北华大学 土质学与土力学2.垂直渗透系数垂直渗透系数 H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理，通过根据水流连续定理，通过整个土层整个土层的渗流量等于通过的渗流量等于通过各土层各土层的渗流量的渗流量 垂
8、直渗垂直渗透系数透系数q3yq2yq1yqy各土层的相应的水力坡降为各土层的相应的水力坡降为i1、i2、in，总的水力坡降为总的水力坡降为i 总水头损失等于各层水总水头损失等于各层水头损失之和头损失之和 代入代入整个土层与层面垂直整个土层与层面垂直的等效渗透系数的等效渗透系数 北华大学 土质学与土力学四、例题分析四、例题分析n【例】设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为30cm2，厚度为厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm，试验开始时的水位差为试验开始时的水位差为160cm，经时段经时段15分钟后，分钟后，观察得水位差为观察
9、得水位差为52cm，试验时的水温为试验时的水温为30，试求，试求试样的渗透系数试样的渗透系数 【解答解答】已知试样截面积已知试样截面积A=30cm，渗径长度渗径长度L=4cm，细玻璃管的内截面积细玻璃管的内截面积 h1=160cm，h2=52cm，t=900s 试样在试样在30时的渗透系数时的渗透系数 北华大学 土质学与土力学2.3 渗透力与渗透变形n一、渗透力和临界水力坡降一、渗透力和临界水力坡降1.渗透力渗透力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差管，测压管水面高差h水流流经这段土体，受
10、水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为引起的水头损失为h土粒对水流土粒对水流的阻力应为的阻力应为 土样土样面积面积根据牛顿第三定律，试样的总根据牛顿第三定律，试样的总渗流力渗流力J和土粒对水流的阻力和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反大小相等，方向相反 北华大学 土质学与土力学渗流作用于单位土体的力渗流作用于单位土体的力说说明明：渗渗透透力力j是是渗渗流流对对单单位位土土体体的的作作用用力力，是是一一种种体体积积力力，其其大大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3 渗透力的存在，将使
11、土体内部受力发生变化，这种变化对渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响土体稳定性有显著的影响abc渗透力方向与渗透力方向与重力一致，促重力一致，促使土体压密、使土体压密、强度提高，有强度提高，有利于土体稳定利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，粒产生向下游移动的趋势，对稳定不利对稳定不利渗流力与重力方向相渗流力与重力方向相反，当渗透力大于土反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒体的有效重度，土粒将被水流冲出将被水流冲出北华大学 土质学与土力学2.临界水力坡降临界水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降使土体开始发生渗透变
12、形的水力坡降 GJ当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降临界水力坡降或或 在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(23)，作为允许水力坡降，作为允许水力坡降i。设计时，为保证建筑物的安全，设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降i内内北华大学 土质学与土力学n二、渗透变形二、渗透变形 渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体
13、产生移动，渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形导致土体变形渗透变形问题（流土，管涌）渗透变形问题（流土，管涌）1.流土流土在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土 粒群同时发生移动的现象粒群同时发生移动的现象 流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏淤泥等较易发生流土破坏 北华大学 土质学与土力学2.管涌管涌
14、在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象的孔隙，发生移动并被带出的现象 土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏 北华大学 土质学与土力学3.流土
15、与管涌的判别流土与管涌的判别渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关以及水力条件等因素有关 粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只发生流土破坏；一般认为不均匀系数发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu10的匀粒砂土，在一的匀粒砂土，在一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏 对对Cu10的砂和砾石、卵石，分两种情况的砂和砾石、卵石，分两种情况:1.当孔隙中细粒含量较少（小于当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只）时，由于
16、阻力较小，只要较小的水力坡降，就易发生管涌要较小的水力坡降，就易发生管涌2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量约为约为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象生流土现象北华大学 土质学与土力学三、例题分析三、例题分析n【例】某土坝地基土的比重某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比孔隙比e=0.82，下下游渗流出口处经计算水力坡降游渗流出口处经计算水力坡降i为为0.2，若取安全系数，若取安全系数Fs为为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏，试问该土坝
17、地基出口处土体是否会发生流土破坏 【解答解答】临界水力坡降临界水力坡降 由于实际水力坡降由于实际水力坡降i i，故土坝地基出口处土体不会发生故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏流土破坏 允许水力坡降允许水力坡降 北华大学 土质学与土力学2.4 渗流工程问题与处理措施 n一、渗流工程问题一、渗流工程问题1.地下水的浮托作用地下水的浮托作用 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筑物基础产生浮托力 2.地下水的潜蚀作用地下水的潜蚀作用 在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土在施工降水等活动过程中产
18、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。颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细通常产生于粉细砂、粉土地层中砂、粉土地层中 3.流砂流砂 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。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、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埋设地下管道、打井等工程活动中常出现 北华大
19、学 土质学与土力学4.基坑突涌基坑突涌 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，这种现象称为坑底板，这种现象称为基坑突涌基坑突涌北华大学 土质学与土力学n二、防渗处理措施二、防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施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水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏上堵下疏”为原则，上游为原则，上游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透截渗、延长渗
20、径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形变形 垂直截渗垂直截渗 主要目的主要目的: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均属于垂直截渗 北华大学 土质学与土力学设置水平铺盖设置水平铺盖 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 粘土铺盖粘土铺盖设置反滤层设置反滤层 砂垫层砂垫层水位水位加筋土工布加筋土工布回填中粗砂回填中粗砂抛石棱体抛石棱
21、体设置反滤层，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可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层 北华大学 土质学与土力学排水减压排水减压 粘性土粘性土含水层含水层减压井减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置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减压井或深挖排水槽 北华大学 土质学与土力学2.基坑开挖防渗措施基坑开挖防
22、渗措施工程降水工程降水 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）设置排在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟设备将地下水从排水沟或集水井排出或集水井排出原地下水位原地下水位明沟排水明沟排水原水位面原水位面一级抽水后水位一级抽水后水位二级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水多级井点降水要求地下水位降得较深，要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位从井中抽水降低水位 北华大学 土质学与土力学设置板桩设置板桩 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，减小水力坡降下水的渗流路径，减小水力坡降钢板桩钢板桩水下挖掘水下挖掘 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，砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，并同时进行挖掘并同时进行挖掘