土力學教學課件第4章土的滲透性及滲透穩(wěn)定

土力學教學課件第4章土的滲透性及滲透穩(wěn)定土力學教學課件第4章土的滲透性及滲透穩(wěn)定1土體中的滲流土顆粒土中水滲流土是一種碎散的多孔介質(zhì)，其孔隙在空間互相連通。當飽和土中的兩點存在能量差時，水就在土的孔隙中從能量高的點向能量低的點流動水在土體孔隙中流動的現(xiàn)象稱為滲流土具有被水等液體透過的性質(zhì)稱為土的滲透性土體中的滲流土顆粒土中水滲流土是一種碎散的多孔介質(zhì)，其孔隙在22.滲流引起的問題(Problemsinducedbyseepage)（1）滲漏(Leakage)（2）滲透破壞(Seepagefailure)（3）影響土體的固結(jié)、強度、穩(wěn)定和工程施工

Impactconsolidation,strength,stabilityofsoilsandprojectconstruction透水層不透水層防滲體壩體浸潤線2.滲流引起的問題(Problemsinduced3滲流問題：1.滲流量Q？2.降水深度？透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q滲流問題：透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q4板樁圍護下的基坑滲流滲流問題：1.滲流量？2.滲透破壞？3.滲水壓力？透水層不透水層基坑板樁墻工程實例板樁圍護下的基坑滲流滲流問題：透水層不透水層基坑板樁墻工程實5滲流問題：1.滲流量？2.地下水影響

范圍？渠道、河流滲流原地下水位滲流時地下水位滲流問題：渠道、河流滲流原地下水位滲流時地下水位6降雨入滲引起的滑坡滲流問題：1.滲透力？2.入滲過程？事故實例降雨入滲引起的滑坡滲流問題：事故實例7滲流量揚壓力滲水壓力滲透破壞滲流速度滲水面位置擋水建筑物集水建筑物引水結(jié)構(gòu)物基礎工程地下工程邊坡工程滲透特性變形特性強度特性土的滲透特性滲流量擋水建筑物滲透特性土的滲透特性84.2土的滲透性

Section2Permeabilityofsoils4.2.1水頭與水力梯度Waterheadandhydraulicgradient1.水頭及其類型（Waterhead

anditstypes）(1)位置水頭Elevationheadz(2)壓力水頭Pressurehead(3)流速水頭velocityhead(4)總水頭Totalhead(4-1)4.2土的滲透性

Section2Permea92.水力梯度（Hydraulicgradient）4.2.2達西定律

Darcy'slaw1.達西定律的內(nèi)容

砂土中的滲透流量Q

與水頭差(h1-h2)成正比，與滲徑L

成反比

(4-5)

圖4-2達西砂土試驗裝置(4-6,a)LAh1h2QQ透水石2.水力梯度（Hydraulicgradient）(410引入水力坡降，則上式可改寫為：

Q=kiA上式還可寫為：式中，k稱為土的滲透系數(shù)

(Coefficientofpermeability)(cm/s)。(4-7)(4-6,b)2.達西定律的適用范圍(Applicablescope)（1）粗粒土——小于臨界流速(Criticalvelocity)Vcr（圖4-3）（2）密實粘土——大于起始水力坡降(Incepthydraulicgradient)

ib（圖4-4）引入水力坡降，則上式可改寫為：(4-7)(4-6,b)2.11達西定律：在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)滲透系數(shù)k:

反映土的透水性能的比例系數(shù)，其物理意義為水力坡降i＝1時的滲流速度，單位：cm/s,m/s,m/day滲透速度v：土體試樣全斷面的平均滲流速度，也稱假想滲流速度達西定律：在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方12達西定律的適用范圍適用條件：層流（線性流動）巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問題，包括砂土或一般粘土，均屬層流范圍在粗粒土孔隙中，水流形態(tài)可能會隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達西定律。可用雷諾數(shù)進行判斷：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5達西定律適用范圍2.01.51.00.50水力坡降流速(m/h)礫石粗砂中砂細砂極細砂h10dvRe=Re＜5時層流

Re

＞200時紊流

200＞

Re＞5時為過渡區(qū)

達西定律的適用范圍適用條件：層流（線性流動）巖土工程中的絕134.2.3土的滲透系數(shù)及其測定

Permeabilitycoefficientofsoilsanditsmeasurement1.滲透系數(shù)的物理意義(Physicalmeaning)2.壩基土層滲透性分類（1）強透水層(Strongpermeablelayer)

(k>10-1~10-2cm/s)（2）中等透水層(k＝10-2~10-4cm/s)Moderatepermeablelayer（3）相對不透水層(k<10-4~10-7cm/s)Relativeimpermeablelayer3.室內(nèi)滲透試驗(Permeabilitytestindoor)（1）常水頭—粗粒土Constanthead

permeabilitytestforcoarse-grainedsoil(4-9)4.2.3土的滲透系數(shù)及其測定(4-9)14土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭測管開關(guān)ahL土樣AVQ變水頭試驗儀常水頭試驗儀土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭開關(guān)ahL土樣A15變水頭試驗儀常水頭試驗儀變水頭試驗儀常水頭試驗儀變水頭試驗儀常水頭試驗儀變水頭試驗儀常水頭試驗儀16（2）變水頭——細粒土

Fallingheadpermeabilitytestforfine-grainedsoil兩邊積分，得(4-10)(4-11)（2）變水頭——細粒土(4-10)(4-11)17室內(nèi)試驗方法–小結(jié)常水頭試驗變水頭試驗條件已知測定公式取值Δh=constΔh變化Δh，A，LV，t重復試驗后，取均值a，A，LΔh，t不同時段試驗，取均值適用粗粒土粘性土室內(nèi)試驗方法–小結(jié)常水頭試驗變水頭試驗條件已知測定公式取值Δ18滲透系數(shù)的測定方法常水頭試驗法變水頭試驗法井孔抽水試驗井孔注水試驗室內(nèi)試驗方法野外試驗方法4.現(xiàn)場滲透試驗(Permeabilitytestinsite)（自學）（1）抽水法(Pumpingtest)（2）注水法(Waterinjectiontest)5.經(jīng)驗估算法(Empiricalestimateformula)常見的滲透系數(shù)的經(jīng)驗計算公式見P73表4－1。常見的各類土的滲透系數(shù)的變化范圍見P73表4－2。滲透系數(shù)的測定方法常水頭試驗法井孔抽水試驗室內(nèi)試驗方194.現(xiàn)場滲透試驗(Permeabilitytestinsite)（自學）（1）抽水法(Pumpingtest)（2）注水法(Waterinjectiontest)5.經(jīng)驗估算法(Empiricalestimateformula)常見的滲透系數(shù)的經(jīng)驗計算公式見P73表4－1。常見的各類土的滲透系數(shù)的變化范圍見P73表4－2。4.現(xiàn)場滲透試驗(Permeabilitytest20現(xiàn)場測定法－抽水試驗抽水量Qr1r2h1h2井不透水層試驗條件:Q=const量測變量:r=r1，h1=？

r=r2，h2=？

優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)缺點：費用較高，耗時較長觀察井現(xiàn)場測定法－抽水試驗抽水量Qr1r2h1h2井不透水層試驗214.3滲流作用下的應力狀態(tài)

Section3Stressstateunderseepage4.3.1靜水中土的有效應力和孔隙水壓力(圖4-8(a))

Effectivestressandporewaterpressureinstaticwater4.3.2穩(wěn)定滲流情況下的有效應力和孔隙水壓力

Effectivestressandporewaterpressureincaseofstableseepage1.向下滲流的情況(圖4-8(b))Caseofseepagedownwards4.3滲流作用下的應力狀態(tài)

Section3St22由試樣2—2截面的受力平衡(Staticequilibrium)得：(4-16)(4-17)由試樣2—2截面的受力平衡(Staticequilibr23由有效應力原理得：2.向上滲流的情況（圖4-5(c)）CaseofSeepageupwards由有效應力原理得：(4-17,a)(4-17,b)由有效應力原理得：(4-17,a)(4-17,b)243.結(jié)論

(Conclusions)（1）有效應力狀態(tài)可用試樣飽和重量與邊界上孔隙水壓力之和表示（2）有效應力狀態(tài)與滲流作用的方向有關(guān)3.結(jié)論(Conclusions)254.4.1滲透力(Seepageforce)

1.總滲透力(Totalseepageforce)2.滲透力

j3.有效應力狀態(tài)的兩種表示方法（1）試樣的浮重度γ′與土骨架所受的滲透力j表示(4-18)(4-17,c)4.4土的滲透穩(wěn)定

Section4Seepagestabilityofsoils滲透變形（Seepagefailure）4.4.1滲透力(Seepageforce)(4-126（2）試樣飽和重量與邊界上孔隙水壓力之和表示（式(4-17)）4.4.2滲透破壞的形式(Typesofseepagefailure)1.流土

(Heaving,Boiling)（圖4-9(b)）2.管涌

(Piping)（圖4-9(a)）3.接觸流失

(Contactlose)

4.接觸沖刷

(Contactscouring)

圖4-9（2）試樣飽和重量與邊界上孔隙水壓力之和表示（式(4-17)27滲透變形-流土流土：在向上的滲透作用下，表層局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象。任何類型的土，只要水力坡降達到一定的大小，都可發(fā)生流土破壞粘性土k1<<k2砂性土k2壩體滲流原因：與土的密實度有關(guān)滲透變形-流土流土：在向上的滲透作用下，表層局部范圍內(nèi)的28壩體滲透變形–管涌原因內(nèi)因：有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙外因：滲透力足夠大

在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道滲流過程演示1.在滲透水流作用下，細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動流失2.孔隙不斷擴大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶走3.形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷壩體滲透變形–管涌原因內(nèi)因：有足夠多的粗顆粒形成大于細294.4.3滲透破壞的判別(Judgement)1.粘性土和均勻砂—流土Cohesivesoilanduniformsand2.級配不連續(xù)的砂礫石Discontinuouslygradedsandygravel（1）填料含量(Fillingcontent)<25%——管涌（2）填料含量(Fillingcontent)>35%——流土（3）填料含量(Fillingcontent)＝25％～35%——過渡型(Transitiontype)3.級配連續(xù)的砂礫石

Continuouslygradedsandygravel4.4.3滲透破壞的判別(Judgement)30（1）平均孔隙直徑D0>可流動填料直徑d5——管涌

Meanvoiddiameter>Flowablefillingdiameterd5——Piping（2）平均孔隙直徑D0<可流動填料直徑d3——流土（3）平均孔隙直徑D0介于可流動填料直徑d3～d5之間——過渡型4.4.4滲透破壞的臨界坡降

Criticalhydraulicgradientofseepagefailure1.流土(Boiling)(圖4-10)

當

時，

代入式（4-17，b）得(4-19)(4-20)（1）平均孔隙直徑D0>可流動填料直徑d5——管涌(4-1931粘性土發(fā)生流土破壞的經(jīng)驗臨界坡降(Experientialvalues)0.8～1.2允許抗?jié)B坡降

[i]:一般砂土=0.4~0.5；細粒含量大于35%砂礫料0.5～0.8Allowableseepageresistantgradient實際允許坡降較大，粘性土可達4～6(4-21,a)(4-21,b)粘性土發(fā)生流土破壞的經(jīng)驗臨界坡降(Experiential32（1）icr是Cu的函數(shù)（圖4-11(a)）（2）icr決定于細粒填料的含量（圖4-11(b)）砂礫料的抗?jié)B坡降見P80表4-3。(4-23)2.管涌(Piping)（1）icr是Cu的函數(shù)（圖4-11(a)）(4-2333圖4-11圖4-1134Fs:安全系數(shù)1.5~2.0[i]:允許坡降i<icr:土體處于穩(wěn)定狀態(tài)i=

icr:土體處于臨界狀態(tài)i>icr:土體發(fā)生流土破壞工程設計：流土可能性的判別在自下而上的滲流逸出處，任何土，包括粘性土和無粘性土，只要滿足滲透坡降大于臨界水力坡降這一水力條件，均要發(fā)生流土：Fs:安全系數(shù)1.5~2.0[i]:允許坡降35土是否會發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)：粘性土（分散性土例外）屬于非管涌土無粘性土中發(fā)生管涌必須具備相應的幾何條件和水力條件管涌可能性的判別土是否會發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)：管涌可能性的判別36較均勻土（Cu10）幾何條件

水力條件無粘性土管涌的判別級配孔隙及細粒判定非管涌土粗顆粒形成的孔隙小于細顆粒不均勻土（Cu>10）不連續(xù)連續(xù)d0=0.25d20細粒含量>35%細粒含量<25%細粒含量=25-35%d0

<d3d0

>d5d0=d3-d5管涌土過渡型土非管涌土非管涌土管涌土過渡型土P(%)lgd骨架充填料發(fā)生管涌的必要條件：粗顆粒所構(gòu)成的孔隙直徑大于細顆粒直徑較均勻土幾何條件無粘性土管涌的判別級配孔隙及細粒判定非管涌37幾何條件

水力條件無粘性土管涌的判別滲透力能夠帶動細顆粒在孔隙間滾動或移動?？捎霉苡颗R界水力坡降表示051015202530351.51.00.50icrCu流土過渡管涌水力坡降級配連續(xù)土級配不連續(xù)土破壞坡降icr0.20-0.400.1-0.3允許坡降[i]0.15-0.250.1-0.2伊斯托敏娜（蘇）中國學者Cu>20時,icr=0.25-0.30，考慮安全系數(shù)后：

[i]=0.10-0.15幾何條件無粘性土管涌的判別滲透力能夠帶動細顆粒在孔隙間滾38流土與管涌的比較流土土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中破壞過程短導致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等現(xiàn)象位置土類歷時后果土體內(nèi)細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長導致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口流土與管涌的比較流土土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動管涌只發(fā)39透水層不透水層防滲體壩體浸潤線滲透變形的防治措施減小i：上游延長滲徑下游減小水壓增大[i]：下游增加透水

蓋重改善幾何條件：設反濾層等

改善水力條件：減小滲透坡降防治流土防治管涌透水層不透水層防滲體壩體浸潤線滲透變形的防治措施減小i：上40工程實例滲流問題土的滲透性及滲透規(guī)律二維滲流及流網(wǎng)滲透力與滲透變形滲流中的水頭與水力坡降滲透試驗與達西定律滲透系數(shù)的測定及影響因素層狀地基的等效滲透系數(shù)平面滲流的基本方程及求解流網(wǎng)的繪制

及應用

滲透力：概念與計算滲透變形：類型、條件、防治工程實例土的滲透性及滲透規(guī)律二維滲流及流網(wǎng)滲透力與滲透變形滲41平面問題：滲流剖面和產(chǎn)生滲流的條件沿某一個方向不發(fā)生變化，則在垂直該方向的各個平面內(nèi)，滲流狀況完全一致。

對平面問題，常取dy=1m單位寬度的一片來進行分析h=h(x,z),v=v(x,z)與時間無關(guān)穩(wěn)定滲流：流場不隨時間發(fā)生變化的滲流Δh平面穩(wěn)定滲流平面問題：滲流剖面和產(chǎn)生滲流的條件沿某一個方向不發(fā)生變化，則42滲流的連續(xù)性方程單位時間流入單元的水量:滲流的連續(xù)性方程：單位時間內(nèi)流出單元的水量:連續(xù)性條件:dxdzvxvzxz滲流的連續(xù)性方程單位時間流入單元的水量:滲流的連續(xù)性方程：43滲流的運動方程達西定律：滲流的連續(xù)性方程：滲流的運動方程：特例：各向同性均質(zhì)土體kx=kzLaplace方程，描述滲流場內(nèi)水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程滲流的運動方程達西定律：滲流的連續(xù)性方程：滲流的運動方44H1H2123{1水頭邊界條件在邊界1上給定水頭12流速邊界條件在邊界2上給定法向流速43滲出面在邊界3上H=z，vn>0自由水面*在邊界4上H=z，vn=0滲流的邊界條件4H1H2123{1水頭邊界條件在邊界1上給定水45平面穩(wěn)定滲流問題描述運動方程：邊界條件：水頭邊界條件在邊界1上給定水頭12流速邊界條件在邊界2上給定法向流速43滲出面在邊界3上h=z，vn>0自由水面*在邊界4上h=z，vn=0或：平面穩(wěn)定滲流問題描述運動方程：邊界條件：水頭邊界條件46數(shù)學解析法或近似解析法：求取滲流運動方程在特定邊界條件下的理論解，或者在一些假定條件下，求其近似解數(shù)值解法：有限元、有限差分、邊界元法等，近年來得到迅速地發(fā)展電比擬試驗法：利用電場來模擬滲流場，簡便、直觀，可以用于二維問題和三維問題流網(wǎng)法：簡便快捷，具有足夠的精度，可分析較復雜斷面的滲流問題滲流分析的方法數(shù)學解析法或近似解析法：求取滲流運動方程在特定邊界條件下的理471.平面穩(wěn)定滲流的基本方程BasicdifferentialequationofPlanesteadyseepage2.流網(wǎng)及其特性（圖4-13）Flownetanditsproperties3.水力要素的計算

Calculationofhydraulicparameters(4-23,c)4.5平面滲流和流網(wǎng)的應用

Section5Planeseepageandapplicationofflownet1.平面穩(wěn)定滲流的基本方程(4-23,c)4.5平48流網(wǎng)及其特性流線和等勢線正交流網(wǎng)中應使相鄰流線間的流函數(shù)差和相鄰等勢線間的勢函數(shù)（水頭）差不變流網(wǎng)中每一網(wǎng)格的邊長比為常數(shù)，通常取為1在流場中，流線和等勢線（等水頭線）組成的網(wǎng)格稱為流網(wǎng)+d+dvsl流網(wǎng)及其特性流線和等勢線正交在流場中，流線和等勢線（等水頭線49圖4-13圖4-1350（1）孔隙水壓力(Porewaterpressure)u（2）水力坡降(Hydraulicgradient)i（3）滲流量(Seepagedischarge)對各向同性土體(Forisotropicsoil)(4-26,a)(4-26,b)(4-25)(4-24)（1）孔隙水壓力(Porewaterpressure)51土力學教學課件第4章土的滲透性及滲透穩(wěn)定524.6有關(guān)土滲透性的幾個問題

Section6Severalproblemsofpermeabilityofsoils4.6.1影響土的滲透性的因素

Effectfactorsonsoilpermeability1.土粒大小和級配

(Particlesizeandgrading)（1）土粒大小——特征直徑(Characteristicdiameter)

d20（2）細顆粒含量(Fineparticlecontent)（圖4-14(a)）（3）含礫量(Gravelcontent)（圖4-14(b)）（4）粘土顆粒的礦物成份(Mineralogicalcomposition)(4-27)4.6有關(guān)土滲透性的幾個問題

Section653飽和曲線含水量wWop干容重dmax1含水量w滲透系數(shù)k絮狀結(jié)構(gòu)分散結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)的影響因素土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)飽和曲線含水量wWop干容重dmax1含水量w54滲透系數(shù)的影響因素水的動力粘滯系數(shù)：溫度，水粘滯性，k飽和度（含氣量）：封閉氣泡對k影響很大，可減少有效滲透面積，還可以堵塞孔隙的通道土的性質(zhì)水的性質(zhì)粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)的影響因素水的動力粘滯系數(shù)：土的性質(zhì)粒徑大小及級55圖4-11圖4-14圖4-11圖4-14562.土的密度（孔隙比或孔隙率）（圖4-15）

Soildensity(Voidratioorporosity)3.水的動力粘滯系數(shù)η

Coefficientofdynamicviscosity

Tηk4.土中封閉氣體含量(Occludeaircontent)4.6.2成層土體中的滲流

Seepageinstratifiedsoil(4-28)2.土的密度（孔隙比或孔隙率）（圖4-15）(4-28)57圖4-12圖4-15圖4-12圖4-1558層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層土的ki根據(jù)滲流方向確定等效滲流系數(shù)天然土層多呈層狀多個土層用假想單一土層置換，使得其總體的透水性不變層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層土的ki天然土層591.二向穩(wěn)定滲流的基本方程式Basicdifferentialequationoftwo-dimensionalsteadyseepage2.kx、ky的確定(Determination)（1）kx（圖4-16（a））(4-29)(4-30)1.二向穩(wěn)定滲流的基本方程式(4-29)(4-30)60（2）ky（圖4-16（b））(4-31,a)(4-31,b)（2）ky（圖4-16（b））(4-31,a)(4-31613.穩(wěn)定滲流基本方程式（4-16）的解答

Solutionof

basicdifferentialequationoftwo-dimensionalsteadyseepage4.6.3非飽和土的滲透規(guī)律（自學）

Seepagelawofunsaturatedsoils(4-32)3.穩(wěn)定滲流基本方程式（4-16）的解答(4-32)62hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水層等效滲透系數(shù):kx已知條件:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHi達西定律:等效條件:層狀地基的水平等效滲透系數(shù)hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x112263層狀地基的垂直等效滲透系數(shù)H1H2H3Hhk1k2k3xzv承壓水kzvi=ki(Δhi/Hi)已知條件:達西定律:等效條件:v=kz(Δh

/H

)等效滲透系數(shù):層狀地基的垂直等效滲透系數(shù)H1H2H3Hhk1k2k3xz64算例說明按層厚加權(quán)平均，由較大值控制層厚倒數(shù)加權(quán)平均，由較小值控制層狀地基的等效滲透系數(shù)H1H2H3Hk1k2k3xz算例說明按層厚加權(quán)平均，由較大值控制層厚倒數(shù)加權(quán)平均，由65層狀地基的等效滲透系數(shù)水平滲流情形垂直滲流情形條件已知等效公式層狀地基的等效滲透系數(shù)水平滲流情形垂直滲流情形條件已知等效公66土力學教學課件第4章土的滲透性及滲透穩(wěn)定土力學教學課件第4章土的滲透性及滲透穩(wěn)定67土體中的滲流土顆粒土中水滲流土是一種碎散的多孔介質(zhì)，其孔隙在空間互相連通。當飽和土中的兩點存在能量差時，水就在土的孔隙中從能量高的點向能量低的點流動水在土體孔隙中流動的現(xiàn)象稱為滲流土具有被水等液體透過的性質(zhì)稱為土的滲透性土體中的滲流土顆粒土中水滲流土是一種碎散的多孔介質(zhì)，其孔隙在682.滲流引起的問題(Problemsinducedbyseepage)（1）滲漏(Leakage)（2）滲透破壞(Seepagefailure)（3）影響土體的固結(jié)、強度、穩(wěn)定和工程施工

Impactconsolidation,strength,stabilityofsoilsandprojectconstruction透水層不透水層防滲體壩體浸潤線2.滲流引起的問題(Problemsinduced69滲流問題：1.滲流量Q？2.降水深度？透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q滲流問題：透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q70板樁圍護下的基坑滲流滲流問題：1.滲流量？2.滲透破壞？3.滲水壓力？透水層不透水層基坑板樁墻工程實例板樁圍護下的基坑滲流滲流問題：透水層不透水層基坑板樁墻工程實71滲流問題：1.滲流量？2.地下水影響

范圍？渠道、河流滲流原地下水位滲流時地下水位滲流問題：渠道、河流滲流原地下水位滲流時地下水位72降雨入滲引起的滑坡滲流問題：1.滲透力？2.入滲過程？事故實例降雨入滲引起的滑坡滲流問題：事故實例73滲流量揚壓力滲水壓力滲透破壞滲流速度滲水面位置擋水建筑物集水建筑物引水結(jié)構(gòu)物基礎工程地下工程邊坡工程滲透特性變形特性強度特性土的滲透特性滲流量擋水建筑物滲透特性土的滲透特性744.2土的滲透性

Section2Permeabilityofsoils4.2.1水頭與水力梯度Waterheadandhydraulicgradient1.水頭及其類型（Waterhead

anditstypes）(1)位置水頭Elevationheadz(2)壓力水頭Pressurehead(3)流速水頭velocityhead(4)總水頭Totalhead(4-1)4.2土的滲透性

Section2Permea752.水力梯度（Hydraulicgradient）4.2.2達西定律

Darcy'slaw1.達西定律的內(nèi)容

砂土中的滲透流量Q

與水頭差(h1-h2)成正比，與滲徑L

成反比

(4-5)

圖4-2達西砂土試驗裝置(4-6,a)LAh1h2QQ透水石2.水力梯度（Hydraulicgradient）(476引入水力坡降，則上式可改寫為：

Q=kiA上式還可寫為：式中，k稱為土的滲透系數(shù)

(Coefficientofpermeability)(cm/s)。(4-7)(4-6,b)2.達西定律的適用范圍(Applicablescope)（1）粗粒土——小于臨界流速(Criticalvelocity)Vcr（圖4-3）（2）密實粘土——大于起始水力坡降(Incepthydraulicgradient)

ib（圖4-4）引入水力坡降，則上式可改寫為：(4-7)(4-6,b)2.77達西定律：在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)滲透系數(shù)k:

反映土的透水性能的比例系數(shù)，其物理意義為水力坡降i＝1時的滲流速度，單位：cm/s,m/s,m/day滲透速度v：土體試樣全斷面的平均滲流速度，也稱假想滲流速度達西定律：在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方78達西定律的適用范圍適用條件：層流（線性流動）巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問題，包括砂土或一般粘土，均屬層流范圍在粗粒土孔隙中，水流形態(tài)可能會隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達西定律?？捎美字Z數(shù)進行判斷：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5達西定律適用范圍2.01.51.00.50水力坡降流速(m/h)礫石粗砂中砂細砂極細砂h10dvRe=Re＜5時層流

Re

＞200時紊流

200＞

Re＞5時為過渡區(qū)

達西定律的適用范圍適用條件：層流（線性流動）巖土工程中的絕794.2.3土的滲透系數(shù)及其測定

Permeabilitycoefficientofsoilsanditsmeasurement1.滲透系數(shù)的物理意義(Physicalmeaning)2.壩基土層滲透性分類（1）強透水層(Strongpermeablelayer)

(k>10-1~10-2cm/s)（2）中等透水層(k＝10-2~10-4cm/s)Moderatepermeablelayer（3）相對不透水層(k<10-4~10-7cm/s)Relativeimpermeablelayer3.室內(nèi)滲透試驗(Permeabilitytestindoor)（1）常水頭—粗粒土Constanthead

permeabilitytestforcoarse-grainedsoil(4-9)4.2.3土的滲透系數(shù)及其測定(4-9)80土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭測管開關(guān)ahL土樣AVQ變水頭試驗儀常水頭試驗儀土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭開關(guān)ahL土樣A81變水頭試驗儀常水頭試驗儀變水頭試驗儀常水頭試驗儀變水頭試驗儀常水頭試驗儀變水頭試驗儀常水頭試驗儀82（2）變水頭——細粒土

Fallingheadpermeabilitytestforfine-grainedsoil兩邊積分，得(4-10)(4-11)（2）變水頭——細粒土(4-10)(4-11)83室內(nèi)試驗方法–小結(jié)常水頭試驗變水頭試驗條件已知測定公式取值Δh=constΔh變化Δh，A，LV，t重復試驗后，取均值a，A，LΔh，t不同時段試驗，取均值適用粗粒土粘性土室內(nèi)試驗方法–小結(jié)常水頭試驗變水頭試驗條件已知測定公式取值Δ84滲透系數(shù)的測定方法常水頭試驗法變水頭試驗法井孔抽水試驗井孔注水試驗室內(nèi)試驗方法野外試驗方法4.現(xiàn)場滲透試驗(Permeabilitytestinsite)（自學）（1）抽水法(Pumpingtest)（2）注水法(Waterinjectiontest)5.經(jīng)驗估算法(Empiricalestimateformula)常見的滲透系數(shù)的經(jīng)驗計算公式見P73表4－1。常見的各類土的滲透系數(shù)的變化范圍見P73表4－2。滲透系數(shù)的測定方法常水頭試驗法井孔抽水試驗室內(nèi)試驗方854.現(xiàn)場滲透試驗(Permeabilitytestinsite)（自學）（1）抽水法(Pumpingtest)（2）注水法(Waterinjectiontest)5.經(jīng)驗估算法(Empiricalestimateformula)常見的滲透系數(shù)的經(jīng)驗計算公式見P73表4－1。常見的各類土的滲透系數(shù)的變化范圍見P73表4－2。4.現(xiàn)場滲透試驗(Permeabilitytest86現(xiàn)場測定法－抽水試驗抽水量Qr1r2h1h2井不透水層試驗條件:Q=const量測變量:r=r1，h1=？

r=r2，h2=？

優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)缺點：費用較高，耗時較長觀察井現(xiàn)場測定法－抽水試驗抽水量Qr1r2h1h2井不透水層試驗874.3滲流作用下的應力狀態(tài)

Section3Stressstateunderseepage4.3.1靜水中土的有效應力和孔隙水壓力(圖4-8(a))

Effectivestressandporewaterpressureinstaticwater4.3.2穩(wěn)定滲流情況下的有效應力和孔隙水壓力

Effectivestressandporewaterpressureincaseofstableseepage1.向下滲流的情況(圖4-8(b))Caseofseepagedownwards4.3滲流作用下的應力狀態(tài)

Section3St88由試樣2—2截面的受力平衡(Staticequilibrium)得：(4-16)(4-17)由試樣2—2截面的受力平衡(Staticequilibr89由有效應力原理得：2.向上滲流的情況（圖4-5(c)）CaseofSeepageupwards由有效應力原理得：(4-17,a)(4-17,b)由有效應力原理得：(4-17,a)(4-17,b)903.結(jié)論

(Conclusions)（1）有效應力狀態(tài)可用試樣飽和重量與邊界上孔隙水壓力之和表示（2）有效應力狀態(tài)與滲流作用的方向有關(guān)3.結(jié)論(Conclusions)914.4.1滲透力(Seepageforce)

1.總滲透力(Totalseepageforce)2.滲透力

j3.有效應力狀態(tài)的兩種表示方法（1）試樣的浮重度γ′與土骨架所受的滲透力j表示(4-18)(4-17,c)4.4土的滲透穩(wěn)定

Section4Seepagestabilityofsoils滲透變形（Seepagefailure）4.4.1滲透力(Seepageforce)(4-192（2）試樣飽和重量與邊界上孔隙水壓力之和表示（式(4-17)）4.4.2滲透破壞的形式(Typesofseepagefailure)1.流土

(Heaving,Boiling)（圖4-9(b)）2.管涌

(Piping)（圖4-9(a)）3.接觸流失

(Contactlose)

4.接觸沖刷

(Contactscouring)

圖4-9（2）試樣飽和重量與邊界上孔隙水壓力之和表示（式(4-17)93滲透變形-流土流土：在向上的滲透作用下，表層局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象。任何類型的土，只要水力坡降達到一定的大小，都可發(fā)生流土破壞粘性土k1<<k2砂性土k2壩體滲流原因：與土的密實度有關(guān)滲透變形-流土流土：在向上的滲透作用下，表層局部范圍內(nèi)的94壩體滲透變形–管涌原因內(nèi)因：有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙外因：滲透力足夠大

在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道滲流過程演示1.在滲透水流作用下，細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動流失2.孔隙不斷擴大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶走3.形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷壩體滲透變形–管涌原因內(nèi)因：有足夠多的粗顆粒形成大于細954.4.3滲透破壞的判別(Judgement)1.粘性土和均勻砂—流土Cohesivesoilanduniformsand2.級配不連續(xù)的砂礫石Discontinuouslygradedsandygravel（1）填料含量(Fillingcontent)<25%——管涌（2）填料含量(Fillingcontent)>35%——流土（3）填料含量(Fillingcontent)＝25％～35%——過渡型(Transitiontype)3.級配連續(xù)的砂礫石

Continuouslygradedsandygravel4.4.3滲透破壞的判別(Judgement)96（1）平均孔隙直徑D0>可流動填料直徑d5——管涌

Meanvoiddiameter>Flowablefillingdiameterd5——Piping（2）平均孔隙直徑D0<可流動填料直徑d3——流土（3）平均孔隙直徑D0介于可流動填料直徑d3～d5之間——過渡型4.4.4滲透破壞的臨界坡降

Criticalhydraulicgradientofseepagefailure1.流土(Boiling)(圖4-10)

當

時，

代入式（4-17，b）得(4-19)(4-20)（1）平均孔隙直徑D0>可流動填料直徑d5——管涌(4-1997粘性土發(fā)生流土破壞的經(jīng)驗臨界坡降(Experientialvalues)0.8～1.2允許抗?jié)B坡降

[i]:一般砂土=0.4~0.5；細粒含量大于35%砂礫料0.5～0.8Allowableseepageresistantgradient實際允許坡降較大，粘性土可達4～6(4-21,a)(4-21,b)粘性土發(fā)生流土破壞的經(jīng)驗臨界坡降(Experiential98（1）icr是Cu的函數(shù)（圖4-11(a)）（2）icr決定于細粒填料的含量（圖4-11(b)）砂礫料的抗?jié)B坡降見P80表4-3。(4-23)2.管涌(Piping)（1）icr是Cu的函數(shù)（圖4-11(a)）(4-2399圖4-11圖4-11100Fs:安全系數(shù)1.5~2.0[i]:允許坡降i<icr:土體處于穩(wěn)定狀態(tài)i=

icr:土體處于臨界狀態(tài)i>icr:土體發(fā)生流土破壞工程設計：流土可能性的判別在自下而上的滲流逸出處，任何土，包括粘性土和無粘性土，只要滿足滲透坡降大于臨界水力坡降這一水力條件，均要發(fā)生流土：Fs:安全系數(shù)1.5~2.0[i]:允許坡降101土是否會發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)：粘性土（分散性土例外）屬于非管涌土無粘性土中發(fā)生管涌必須具備相應的幾何條件和水力條件管涌可能性的判別土是否會發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)：管涌可能性的判別102較均勻土（Cu10）幾何條件

水力條件無粘性土管涌的判別級配孔隙及細粒判定非管涌土粗顆粒形成的孔隙小于細顆粒不均勻土（Cu>10）不連續(xù)連續(xù)d0=0.25d20細粒含量>35%細粒含量<25%細粒含量=25-35%d0

<d3d0

>d5d0=d3-d5管涌土過渡型土非管涌土非管涌土管涌土過渡型土P(%)lgd骨架充填料發(fā)生管涌的必要條件：粗顆粒所構(gòu)成的孔隙直徑大于細顆粒直徑較均勻土幾何條件無粘性土管涌的判別級配孔隙及細粒判定非管涌103幾何條件

水力條件無粘性土管涌的判別滲透力能夠帶動細顆粒在孔隙間滾動或移動。可用管涌臨界水力坡降表示051015202530351.51.00.50icrCu流土過渡管涌水力坡降級配連續(xù)土級配不連續(xù)土破壞坡降icr0.20-0.400.1-0.3允許坡降[i]0.15-0.250.1-0.2伊斯托敏娜（蘇）中國學者Cu>20時,icr=0.25-0.30，考慮安全系數(shù)后：

[i]=0.10-0.15幾何條件無粘性土管涌的判別滲透力能夠帶動細顆粒在孔隙間滾104流土與管涌的比較流土土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中破壞過程短導致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等現(xiàn)象位置土類歷時后果土體內(nèi)細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長導致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口流土與管涌的比較流土土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動管涌只發(fā)105透水層不透水層防滲體壩體浸潤線滲透變形的防治措施減小i：上游延長滲徑下游減小水壓增大[i]：下游增加透水

蓋重改善幾何條件：設反濾層等

改善水力條件：減小滲透坡降防治流土防治管涌透水層不透水層防滲體壩體浸潤線滲透變形的防治措施減小i：上106工程實例滲流問題土的滲透性及滲透規(guī)律二維滲流及流網(wǎng)滲透力與滲透變形滲流中的水頭與水力坡降滲透試驗與達西定律滲透系數(shù)的測定及影響因素層狀地基的等效滲透系數(shù)平面滲流的基本方程及求解流網(wǎng)的繪制

及應用

滲透力：概念與計算滲透變形：類型、條件、防治工程實例土的滲透性及滲透規(guī)律二維滲流及流網(wǎng)滲透力與滲透變形滲107平面問題：滲流剖面和產(chǎn)生滲流的條件沿某一個方向不發(fā)生變化，則在垂直該方向的各個平面內(nèi)，滲流狀況完全一致。

對平面問題，常取dy=1m單位寬度的一片來進行分析h=h(x,z),v=v(x,z)與時間無關(guān)穩(wěn)定滲流：流場不隨時間發(fā)生變化的滲流Δh平面穩(wěn)定滲流平面問題：滲流剖面和產(chǎn)生滲流的條件沿某一個方向不發(fā)生變化，則108滲流的連續(xù)性方程單位時間流入單元的水量:滲流的連續(xù)性方程：單位時間內(nèi)流出單元的水量:連續(xù)性條件:dxdzvxvzxz滲流的連續(xù)性方程單位時間流入單元的水量:滲流的連續(xù)性方程：109滲流的運動方程達西定律：滲流的連續(xù)性方程：滲流的運動方程：特例：各向同性均質(zhì)土體kx=kzLaplace方程，描述滲流場內(nèi)水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程滲流的運動方程達西定律：滲流的連續(xù)性方程：滲流的運動方110H1H2123{1水頭邊界條件在邊界1上給定水頭12流速邊界條件在邊界2上給定法向流速43滲出面在邊界3上H=z，vn>0自由水面*在邊界4上H=z，vn=0滲流的邊界條件4H1H2123{1水頭邊界條件在邊界1上給定水111平面穩(wěn)定滲流問題描述運動方程：邊界條件：水頭邊界條件在邊界1上給定水頭12流速邊界條件在邊界2上給定法向流速43滲出面在邊界3上h=z，vn>0自由水面*在邊界4上h=z，vn=0或：平面穩(wěn)定滲流問題描述運動方程：邊界條件：水頭邊界條件112數(shù)學解析法或近似解析法：求取滲流運動方程在特定邊界條件下的理論解，或者在一些假定條件下，求其近似解數(shù)值解法：有限元、有限差分、邊界元法等，近年來得到迅速地發(fā)展電比擬試驗法：利用電場來模擬滲流場，簡便、直觀，可以用于二維問題和三維問題流網(wǎng)法：簡便快捷，具有足夠的精度，可分析較復雜斷面的滲流問題滲流分析的方法數(shù)學解析法或近似解析法：求取滲流運動方程在特定邊界條件下的理1131.平面穩(wěn)定滲流的基本方程BasicdifferentialequationofPlanesteadyseepage2.流網(wǎng)及其特性（圖4-13）Flownetanditsproperties3.水力要素的計算

Calculationofhydraulicparameters(4-23,c)4.5平面滲流和流網(wǎng)的應用

Section5Planeseepageandapplicationofflownet1.平面穩(wěn)定滲流的基本方程(4-23,c)4.5平114流網(wǎng)及其特性流線和等勢線正交流網(wǎng)中應使相鄰流線間的流函數(shù)差和相鄰等勢線間的勢函數(shù)（水頭）差不變流網(wǎng)中每一網(wǎng)格的邊長比為常數(shù)，通常取為1在流場中，流線和等勢線（等水頭線）組成的網(wǎng)格稱為流網(wǎng)+d+dvsl流網(wǎng)及其特性流線和等勢線正交在流場中，流線和等勢線（等水頭線115圖4-13圖4-13116（1）孔隙水壓力(Porewaterpress