第二章土的滲透性

1、第二章第二章 土的滲透性與土的滲透性與滲流分析滲流分析l第一節(jié) 概述l土中水在勢能作用下，在土中流動，稱為土的滲流；水流通過土孔隙難易程度的性質(zhì)稱為土的滲透性；由于水的滲流將會產(chǎn)生水的滲漏及土體的滲透破壞等工程問題，其中包括：土的滲透問題浸潤線浸潤線流線流線等勢線等勢線下游下游上游上游土壩蓄水后水透土壩蓄水后水透過壩身流向下游過壩身流向下游H隧道開挖時，地下隧道開挖時，地下水向隧道內(nèi)流動水向隧道內(nèi)流動 在水位差作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象稱為在水位差作用下，水透過土體孔隙的現(xiàn)象稱為滲透滲透 第二節(jié)第二節(jié) 土的滲透性土的滲透性l土的滲透性、土的變形特性、土的強度等，是土力學(xué)所研究的三個主要的力學(xué)

2、性質(zhì)。l 一、滲流的基本規(guī)律達西定律 l1、水力梯度的概念l總能量=位能+勢能+動能達西定律達西定律(darcys law)的內(nèi)容與適用條的內(nèi)容與適用條件件l1856年達西(darcy)對砂土的滲透性進行了研究，發(fā)現(xiàn)水在土中的滲透速度與試樣兩端面間的水頭差成正比，l而與流徑長度成反比，l于是，滲透速度表示 l ikAQv適用條件適用條件1l達西定律適用于流動狀態(tài)為層流的情況，對密實的粘土，由于吸著水具有較大的粘滯阻力，故只有當(dāng)水力坡降達到某一數(shù)值時，才能發(fā)生滲透，我們將開始發(fā)生滲透時的水力坡降，稱為粘性土的起始水力坡降，而且，對粘性土在水力坡降超過起始水力坡降后，滲透速度與水力坡降呈非線性關(guān)系

3、，但為了方便，常用如下表達式來描述密實粘土的滲透速度與水力坡降的關(guān)系 )(0iikv適用條件適用條件2l對于粗顆粒的礫、卵石土，只有在小的水力坡降下，滲透速度與水力坡降才呈直線關(guān)系，而在較大的水力坡降下，水在土中的流動進入紊流狀態(tài)，滲透速度與水力坡降呈非線性關(guān)系，此時達西定律同樣不能適應(yīng)，可用下式表示 （m=0.51) l用達西定律計算出的滲透速度不是水在土中的實際滲透速度，而是一個假想的平均速度，因為它假定水在土中的滲透是通過整個土體截面進行的，而實際上，滲透水不僅僅通過土體中的孔隙流動，因此，水在土中的實際平均流速要比用達西定律所求得的數(shù)值大得多 mikv二、滲透系數(shù)（二、滲透系數(shù)（coe

4、fficient of permeability）的測定與影響因素）的測定與影響因素l1測定方法 其測定方法是現(xiàn)場的抽水和注水試驗，及室內(nèi)的定水頭試驗（無粘性土）和變水頭試驗（粘性土）。l l影響滲透系數(shù)的因素影響滲透系數(shù)的因素1.土粒大小與級配土粒大小與級配 細粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量細粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。愈多時，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。 2.2.土的密實度土的密實度 3.3.水的動力粘滯系數(shù)水的動力粘滯系數(shù) 同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實度同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不

5、同的滲透系數(shù)，土的密實度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。 動力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動力粘動力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動力粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。4.4.土中封閉氣體含量土中封閉氣體含量 土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多，土的滲透性愈小。含量愈多，土的滲透性愈小。2020TTkkT、20分別為分別為T和和20時水時水的動力粘滯系數(shù)，可查表的動力粘滯系數(shù)，可查表 影響因素影響因素l5.5.土

6、的結(jié)構(gòu)土的結(jié)構(gòu) ，擾動土樣與擊實土樣的滲透系數(shù)通常均比同一密度的原狀土樣滲透系數(shù)??；l6.6.土的構(gòu)造土的構(gòu)造， 如粘性土層有很厚的砂土夾層的層理構(gòu)造，會使水平方向的滲透系數(shù)比豎直方向的滲透系數(shù)大許多倍。 l成層土的滲透系數(shù)成層土的滲透系數(shù)1.水平滲透系數(shù)水平滲透系數(shù) H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通過整個土層的總滲流量通過整個土層的總滲流量qx應(yīng)為各土層滲流量之總和應(yīng)為各土層滲流量之總和 niixnxxxxqqqqq121iHkqxx達西定律達西定律nnniixiHkiHkiHkq22111整個土層與層面平整個土層與層面平行的等效滲透系數(shù)行的等效滲透系數(shù) 平均滲透系數(shù)平均滲

7、透系數(shù)niiixHkHk112.垂直滲透系數(shù)垂直滲透系數(shù) H1H2H3k1k2k3H根據(jù)水流連續(xù)定理，通過根據(jù)水流連續(xù)定理，通過整個土層整個土層的滲流量等于通過的滲流量等于通過各土層各土層的滲流量的滲流量 nyyyyqqqq21垂直滲垂直滲透系數(shù)透系數(shù)q3yq2yq1yqy各土層的相應(yīng)的水力坡降為各土層的相應(yīng)的水力坡降為i1、i2、in，總的水力坡降為，總的水力坡降為i AikAikAikiAknny2211總水頭損失等于各層總水頭損失等于各層水頭損失之和水頭損失之和 nniHiHiHHi2211代入代入nnnnyikikikHiHiHiHk22112211)(1整個土層與層面垂直整個土層與層

8、面垂直的等效滲透系數(shù)的等效滲透系數(shù) nnykHkHkHHk2211第第三三節(jié)節(jié)、二維滲流與流網(wǎng)、二維滲流與流網(wǎng)l1工程實踐中常見的二維滲流問題-土坡、壩（路）基、閘基等l2穩(wěn)定滲流連續(xù)方程 l根據(jù)達西定律建立穩(wěn)l定滲流連續(xù)方程如下： l對于各向同性的土體，滲透系數(shù)kx=kz ，上式改為： 這就是地下水運動的拉普拉斯方程。解此方程（解析法、數(shù)值法等），即可求土體內(nèi)各點的水頭后，可計算相應(yīng)的滲流流速、流量、滲流力和孔隙水壓力流線與流網(wǎng)的概念流線與流網(wǎng)的概念l水在勢能作用下產(chǎn)生流動，水質(zhì)點形成流線流線，在滲流場內(nèi)相鄰流線之間形成流帶，沿流線方向，水流的勢能由高到低，將各條流線上勢能相同的點連成線即為

9、等勢線等勢線；l特點：一組等勢線表示勢能的變化過程；相鄰兩條等勢線之間均存在相同的水力梯度；l一組流線與一組等勢線交織成網(wǎng)即為流網(wǎng)流網(wǎng)。3流網(wǎng)的性質(zhì)流網(wǎng)的性質(zhì)a流線與等勢線相互正交b每個網(wǎng)格的長寬比為定值，網(wǎng)格為曲邊正方形，c任意兩相鄰等勢線間的水頭損失相等；d任意兩相鄰流線間的滲流量相等。 4流網(wǎng)的應(yīng)用流網(wǎng)的應(yīng)用l（1）如圖所示，水閘上下游的水位差為h。根據(jù)流網(wǎng)的性質(zhì)，若等勢線的間隔數(shù)為n，則閘基滲流范圍內(nèi)每相鄰兩等勢線間的水頭差為：hi=h/n l（2）在流網(wǎng)中取任意網(wǎng)格，沿流線長度為li，沿等勢線的長度為bi，則該網(wǎng)格上的水力坡降為：ii=hi/li，由達西定律可以求得通過該網(wǎng)格的滲透流

10、速：vi=k ii=kh/ li n （3）流過該網(wǎng)格兩流線間的流量qi=vibi= khbi/ li n l（4）若閘基滲流范圍內(nèi)，由流線分割的流線數(shù)為m，則閘基的總滲流量為q=qim 因為網(wǎng)格為曲邊正方形，bi=li，所以上式變?yōu)椋簈= khm/ n流網(wǎng)的應(yīng)用流網(wǎng)的應(yīng)用l（5）知道任一網(wǎng)格的水力坡降ii后，作用在網(wǎng)格上的滲流力為：j i=rwhibi其作用方向與流線方向相同，并假定作用在網(wǎng)格的形心上。l（6）作用在地基上的總滲流力，為所有流網(wǎng)網(wǎng)格上滲流力的矢量和：j = j i l（7）還可由流網(wǎng)求地基滲流范圍任一點的孔隙水壓力以及滲流對基礎(chǔ)底面的滲流壓力等。第四節(jié)、滲流力與滲流穩(wěn)定問題第

11、四節(jié)、滲流力與滲流穩(wěn)定問題l1滲透力(seepage force)：地下水滲流時，單位體積土骨架所受到的推力稱滲透力（體積力KN/m3），用符號j表示 j =rwi ，方向與滲流方向一致l受力分析：2、臨界水力梯度、臨界水力梯度l當(dāng)滲透的方向發(fā)生在與土體的重力方向相反的時候，達到j(luò)=iw=時，土顆粒出現(xiàn)臨界懸浮狀態(tài)，（流土或管涌），此時icr= / wlicr稱為臨界水力梯度滲透變形滲透變形流流土土(flowing sand)、管涌、管涌(piping)l流土(flowing sand)：當(dāng)滲透力大于或等于土的有效重度時，土粒間壓力被抵消，于是土粒處于懸浮狀態(tài)，土粒隨水流動，這種現(xiàn)象叫流砂或流

12、土。主要發(fā)生在細砂、粉砂和粉土等粘聚性差的細粒土中。l管涌(piping)：在滲流作用下，土體中的細顆粒在粗顆粒形成的孔隙孔道中發(fā)生移動，并被帶出的現(xiàn)象。主要發(fā)生在砂礫石中。 1.流土流土在滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土在滲流作用下，局部土體表面隆起，或某一范圍內(nèi)土 粒群同時發(fā)生移動的現(xiàn)象粒群同時發(fā)生移動的現(xiàn)象 流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處，不發(fā)生于土體內(nèi)部。開流土發(fā)生于地基或土壩下游滲流出逸處，不發(fā)生于土體內(nèi)部。開挖基坑或渠道時常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。細砂、粉砂、挖基坑或渠道時常遇到的流砂現(xiàn)象，屬于流土破壞。細砂、粉砂、淤泥等較易發(fā)生流土破壞淤泥等較易發(fā)生流土破壞

13、 2.管涌管涌在滲流作用下，無粘性土中的細小顆粒通過較大顆粒在滲流作用下，無粘性土中的細小顆粒通過較大顆粒的孔隙，發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象的孔隙，發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象 土體在滲透水流作用下，細小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成土體在滲透水流作用下，細小顆粒被帶出，孔隙逐漸增大，形成能穿越地基的細管狀滲流通道，掏空地基或壩體，使其變形或失能穿越地基的細管狀滲流通道，掏空地基或壩體，使其變形或失穩(wěn)。管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處，發(fā)穩(wěn)。管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處，發(fā)展一般有個時間過程，是一種漸進性的破壞展一般有個時間過程，是一種漸進性的破壞 3.流土與管涌的判

14、別流土與管涌的判別滲透變形的形式與土的類別、顆粒級配滲透變形的形式與土的類別、顆粒級配以及水力條件等因素有關(guān)以及水力條件等因素有關(guān) 粘性土由于粒間具有粘聚力，粘結(jié)較緊，一般不出現(xiàn)管涌而粘性土由于粒間具有粘聚力，粘結(jié)較緊，一般不出現(xiàn)管涌而只發(fā)生流土破壞；一般認為不均勻系數(shù)只發(fā)生流土破壞；一般認為不均勻系數(shù)Cu10的砂土，在一定的砂土，在一定的水力梯度下，局部地區(qū)較易發(fā)生流土破壞的水力梯度下，局部地區(qū)較易發(fā)生流土破壞 對對Cu10的砂和礫石、卵石，分兩種情況的砂和礫石、卵石，分兩種情況: :1.當(dāng)孔隙中細粒含量較少（小于當(dāng)孔隙中細粒含量較少（小于30%）時，由于阻力較小，只）時，由于阻力較小，只要

15、較小的水力坡降，就易發(fā)生管涌要較小的水力坡降，就易發(fā)生管涌2.如孔隙中細粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時細料含如孔隙中細粒含量較多，以至塞滿全部孔隙（此時細料含量約為量約為30%35%），此時的阻力最大，一般不出現(xiàn)管涌而），此時的阻力最大，一般不出現(xiàn)管涌而會發(fā)生流土現(xiàn)象會發(fā)生流土現(xiàn)象3 3 滲流工程問題與處理措施滲流工程問題與處理措施 l一、滲流工程問題一、滲流工程問題1.地下水的浮托作用地下水的浮托作用 地下水不僅對水位以下的土體產(chǎn)生靜水壓力和浮托力，并對地下水不僅對水位以下的土體產(chǎn)生靜水壓力和浮托力，并對建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力 2.2.地下水的潛蝕作用地下水的潛蝕作用

16、在施工降水等活動過程中產(chǎn)生水頭差，在滲透力作用下，土在施工降水等活動過程中產(chǎn)生水頭差，在滲透力作用下，土顆粒受到?jīng)_刷，將細顆粒沖走，破壞土的結(jié)構(gòu)。顆粒受到?jīng)_刷，將細顆粒沖走，破壞土的結(jié)構(gòu)。通常產(chǎn)生于粉細通常產(chǎn)生于粉細砂、粉土地層中砂、粉土地層中 3.3.流砂流砂 流砂在工程施工中能造成大量的土體流動，使地表塌陷或建流砂在工程施工中能造成大量的土體流動，使地表塌陷或建筑物的地基破壞，給施工帶來很大的困難，影響建筑工程的穩(wěn)定。筑物的地基破壞，給施工帶來很大的困難，影響建筑工程的穩(wěn)定。通常易在粉細砂和粉土地層中產(chǎn)生，在地下水位以下的基坑開挖、通常易在粉細砂和粉土地層中產(chǎn)生，在地下水位以下的基坑開挖、

17、埋設(shè)地下管道、打井等工程活動中常出現(xiàn)埋設(shè)地下管道、打井等工程活動中常出現(xiàn) 4.4.基坑突涌基坑突涌 當(dāng)基坑下部有承壓水層時，開挖基坑減小了底板隔水層的厚當(dāng)基坑下部有承壓水層時，開挖基坑減小了底板隔水層的厚度，當(dāng)隔水層較薄經(jīng)受不住承壓水頭壓力，承壓水頭壓力就會沖度，當(dāng)隔水層較薄經(jīng)受不住承壓水頭壓力，承壓水頭壓力就會沖毀基坑底板，這種現(xiàn)象稱為毀基坑底板，這種現(xiàn)象稱為基坑突涌基坑突涌hHwl二、防滲處理措施二、防滲處理措施1.水工建筑物滲流處理措施水工建筑物滲流處理措施 水工建筑物的防滲工程措施一般以水工建筑物的防滲工程措施一般以“上堵下疏上堵下疏”為原則，上為原則，上游截滲、延長滲徑，下游通暢滲透

18、水流，減小滲透壓力，防止?jié)B游截滲、延長滲徑，下游通暢滲透水流，減小滲透壓力，防止?jié)B透變形透變形 垂直截滲垂直截滲 主要目的主要目的: :延長滲徑，降低上、下游的水力坡度，若垂直截滲能延長滲徑，降低上、下游的水力坡度，若垂直截滲能完全截斷透水層，防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁完全截斷透水層，防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁等均屬于垂直截滲等均屬于垂直截滲 設(shè)置水平鋪蓋設(shè)置水平鋪蓋 上游設(shè)置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長了水流滲透路徑上游設(shè)置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長了水流滲透路徑 粘土鋪蓋粘土鋪蓋設(shè)置反濾層設(shè)置反濾層 砂墊層砂墊層水位水位加筋土工布加筋土工布回填中粗砂回填中粗砂拋石棱體拋石棱體設(shè)置反濾層，既可通暢水流，又起到保護土體、防止細粒流失而設(shè)置反濾層，既可通暢水流，又起到保護土體、防止細粒流失而產(chǎn)生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無粘性土組成，也產(chǎn)生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無粘性土組成，也可由土工布代替，上圖為某河堤基礎(chǔ)加筋土工布反濾層可由土工布代替，上圖為某河堤基礎(chǔ)加筋土工布反濾層 排水減壓排水減壓 粘性土粘性土含水層含水層減壓井減壓井為減小下游滲透