第二章-土的滲透性及水的滲流優(yōu)質(zhì)課件

第二章土的滲透性及水的滲流第二章土的滲透性及水的滲流1土的滲透性及水的滲流

第二章土的滲透性及水的滲流第二章2本章特點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)主要難點(diǎn)有較嚴(yán)格的理論（水流的一般規(guī)律）有經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律（散粒體多孔介質(zhì)特性）注重對物理概念和意義的深入理解注意土是散粒體（多孔介質(zhì)）這一特點(diǎn)水頭及水力坡降二維流網(wǎng)及其應(yīng)用滲透力及其分析方法§2土的滲透性及水的滲流

3本章特點(diǎn)有較嚴(yán)格的理論（水流的一般規(guī)律）§2土的滲透性及水碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動(dòng)滲流水、氣等在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象滲透性土具有被水、氣等流體透過的性質(zhì)滲透特性強(qiáng)度特性變形特性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性概述能量差土顆粒土中水滲流§2土的滲透性及水的滲流

碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動(dòng)滲流水、氣等在土體孔隙中流4水在土體中的滲透，一方面會(huì)造成水量的損失，影響工程效益；另一方面將引起土體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而改變水工建筑物或地基的穩(wěn)定條件，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)釀成破壞事故。土的滲透性的強(qiáng)弱，對土體的固結(jié)、強(qiáng)度以及工程施工都有非常重要的影響。

§2土的滲透性及水的滲流

5水在土體中的滲透，一方面會(huì)造成水量的損失，影響工程效益；另一水的問題水的問題指在工程中由于水本身引起的工程問題，比如基坑、隧道等開挖工程中普遍存在地下水滲出而出現(xiàn)需要排水的問題；相反在以蓄水為目的的土壩中會(huì)由于滲透造成水量損失而出現(xiàn)需要擋水的問題；另外還有一些像污水的滲透引起地下水污染，地下水開采引起大面積地面沉降及沼澤枯竭等地下水環(huán)境的問題。也就是說，水自身的量（涌水量，滲水量）、質(zhì)（水質(zhì)）、賦存位置（地下水位）的變化所引起的問題?！?土的滲透性及水的滲流

6水的問題水的問題指在工程中由于水本身引起的工程問題，比如基坑土的問題土的問題是指由于水的滲透引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化或土體、地基本身的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等狀態(tài)的變化，從而影響建筑物或地基的穩(wěn)定性或產(chǎn)生有害變形的影響，在坡面、擋土墻等結(jié)構(gòu)物中常常會(huì)由于水的滲透而造成內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化而失穩(wěn)；土壩、堤防、基坑等結(jié)構(gòu)物會(huì)由于管涌逐漸改變地基土內(nèi)的結(jié)構(gòu)而釀成破壞事故；非飽和的坡面會(huì)由于水分的滲透而造成土的強(qiáng)度的降低而引起滑坡。由于滲透而引起的代表性例子就是地下水開采造成的地面下沉問題?！?土的滲透性及水的滲流

7土的問題土的問題是指由于水的滲透引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化或概述滲流量滲透變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流§2土的滲透性及水的滲流

概述滲流量滲透變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層土8滲流作用造成大壩塌方§2土的滲透性及水的滲流

9滲流作用造成大壩塌方§2土的滲透性及水的滲流9滲水壓力揚(yáng)壓力滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流概述§2土的滲透性及水的滲流

10滲水壓力揚(yáng)壓力滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護(hù)滲流量透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q概述§2土的滲透性及水的滲流

11滲流量透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q概述§2滲流量原地下水位滲流時(shí)地下水位渠道滲流概述§2土的滲透性及水的滲流

12滲流量原地下水位滲流時(shí)地下水位渠道滲流概述§2土的滲透性及滲流滑坡滲流滑坡概述§2土的滲透性及水的滲流

13滲流滑坡滲流滑坡概述§2土的滲透性及水的滲流13滲流量滲透變形滲水壓力滲流滑坡土的滲透性及滲流穩(wěn)定二維滲流及流網(wǎng)滲透力與滲透變形揚(yáng)壓力土坡穩(wěn)定分析擋水建筑物集水建筑物引水結(jié)構(gòu)物基坑等地下施工多雨地區(qū)邊坡概述§2土的滲透性及水的滲流

14滲流量滲透變形滲水壓力滲流滑坡土的滲透性及滲流穩(wěn)定二維滲流及第二章

土的滲透性及水的滲流

§2.3滲透力與滲透變形§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2.2平面滲流與流網(wǎng)15第二章土的滲透性及水的滲流§2.3滲透力與滲透變形層狀地基的等效滲透系數(shù)野外測定方法－抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法一．滲流中的水頭與水力坡降3滲透力與滲透變形增大[i]：下游增加透水蓋重一個(gè)高精度的流網(wǎng)圖，需經(jīng)過多次的修改后才能完成。通解：兩個(gè)共軛調(diào)和函數(shù)與上下游水位變化無關(guān)Δh=const；利用滲流場和電場均服從Laplace方程這一特點(diǎn)，按一定比例制作模型，用電場中的等勢線和流線來模擬滲流場中的等勢線和流線，以達(dá)到確定滲流場中滲流要素的目的。相反在以蓄水為目的的土壩中會(huì)由于滲透造成水量損失而出現(xiàn)需要擋水的問題；一．滲流中的水頭與水力坡降其它邊界條件：滲出面、自由水面層狀地基的等效滲透系數(shù)§2土的滲透性及水的滲流量測變量:V，t第二章土的滲透性及水的滲流Ww=Vvγw+Vsγw=Lγw物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力管涌指在滲流作用下土體的細(xì)土粒在粗土粒形成的孔隙通道中發(fā)生移動(dòng)并被帶出的現(xiàn)象。另外還有一些像污水的滲透引起地下水污染，地下水開采引起大面積地面沉降及沼澤枯竭等地下水環(huán)境的問題?！?.1土的滲透性與滲透規(guī)律一．滲流中的水頭與水力坡降二．滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律三．滲透系數(shù)的測定及影響因素四．層狀地基的等效滲透系數(shù)16層狀地基的等效滲透系數(shù)§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律一．滲ABL§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律透水層不透水層基坑板樁墻一．滲流中的水頭與水力坡降§2土的滲透性及水的滲流

17ABL§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律透水層不透水層基坑板樁墻ABL一．滲流中的水頭與水力坡降h1h2zAzBΔh00基準(zhǔn)面水力坡降線總水頭－單位重量水體所具有的能量z：位置水頭u/γw：壓力水頭V2/(2g)：流速水頭≈0A點(diǎn)總水頭：B點(diǎn)總水頭：總水頭：水力坡降：§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律水頭差：測管水頭§2土的滲透性及水的滲流

18ABL一．滲流中的水頭與水力坡降h1h2zAzBΔh00基準(zhǔn)二.滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律試驗(yàn)前提：層流Δh↑，Q↑A↑，Q↑

L↑，Q↓斷面平均流速水力坡降1.滲透試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:h1，A，L=const量測變量:h2，V，TΔh=h1-h2Q=V/T§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流

二.滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律試驗(yàn)前提：層流Δh↑，Q↑斷面平均流192.達(dá)西定律滲透定律在層流狀態(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)。二.滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律注意：AAvv：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度vs：實(shí)際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度A>AvQ＝vA

＝vsAvk:反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)物理意義：水力坡降i＝1時(shí)的滲流速度單位：mm/s,cm/s,m/s,m/day§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流

2.達(dá)西定律滲透定律在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡202.達(dá)西定律

適用條件：層流（線性流）§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律二.滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律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(huì)隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達(dá)西定律。可用雷諾數(shù)Re進(jìn)行判斷：Re＜5時(shí)層流

Re

＞200時(shí)紊流

200＞

Re＞5時(shí)為過渡區(qū)

§2土的滲透性及水的滲流

212.達(dá)西定律適用條件：層流（線性流）§2.1土的滲透性層流紊流層流紊流§2土的滲透性及水的滲流

22層流紊流層流紊流§2土的滲透性及水的滲流222.達(dá)西定律（1）粗粒土：①礫石類土中的滲流常不符合達(dá)西定律②砂土中滲透速度vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0

兩種特例：（2）粘性土：致密的粘土i>i0,v=k(i-i0)§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律二.滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律§2土的滲透性及水的滲流

232.達(dá)西定律（1）粗粒土：ivovcrivoi0兩種特三.滲透系數(shù)的測定及影響因素室內(nèi)試驗(yàn)測定方法野外試驗(yàn)測定方法常水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法井孔抽水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)1.測定方法§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流

三.滲透系數(shù)的測定及影響因素室內(nèi)試驗(yàn)測定方法常水頭試驗(yàn)法24室內(nèi)試驗(yàn)方法1—常水頭試驗(yàn)法三.滲透系數(shù)的測定及影響因素1.測定方法結(jié)果整理試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

Δh，A，L=const量測變量:V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=ki適用土類：透水性較大的砂性土§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律hL土樣AVQ室內(nèi)試驗(yàn)方法2—變水頭試驗(yàn)法透水性較小的粘性土?§2土的滲透性及水的滲流

第七次課至此詹25室內(nèi)試驗(yàn)方法1—常水頭試驗(yàn)法三.滲透系數(shù)的測定及影響因素三.滲透系數(shù)的測定及影響因素1.測定方法室內(nèi)試驗(yàn)方法2—變水頭試驗(yàn)法試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

Δh變化，A，L=const量測變量:

Δh，t§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭測管開關(guān)a§2土的滲透性及水的滲流

26三.滲透系數(shù)的測定及影響因素1.測定方法室內(nèi)試驗(yàn)方法三.滲透系數(shù)的測定及影響因素1.測定方法室內(nèi)試驗(yàn)方法2—變水頭試驗(yàn)法結(jié)果整理:理論依據(jù):t時(shí)刻：

ΔhdtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：連續(xù)性條件：-adh=k(Δh/L)Adt選擇幾組Δh1,

Δh2,t，計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭測管開關(guān)ahdhtt+dt§2土的滲透性及水的滲流

第七次課至此鐵27三.滲透系數(shù)的測定及影響因素1.測定方法室內(nèi)試驗(yàn)方法野外測定方法－抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)1.測定方法三.滲透系數(shù)的測定及影響因素地下水位≈測壓管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水層觀察井A=2πrhi=dh/dr缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長實(shí)驗(yàn)方法：理論依據(jù)：§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律積分§2土的滲透性及水的滲流

第七次課至此城野外測定方法－抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場較為可靠28§2土的滲透性及水的滲流土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流3滲透力與滲透變形§2土的滲透性及水的滲流方向：與i方向一致（均質(zhì)土與滲流方向一致）導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力水的問題指在工程中由于水本身引起的工程問題，比如基坑、隧道等開挖工程中普遍存在地下水滲出而出現(xiàn)需要排水的問題；描述滲流場內(nèi)部的測管水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程式之一流速邊界條件：邊界流線1土的滲透性與滲透規(guī)律壓力水頭：水壓力所能引起的自由水面的升高，表示單位重量液體所具有的壓力勢能i>i0,v=k(i-i0)可用雷諾數(shù)進(jìn)行判斷：3滲透力與滲透變形孔隙比：是單位土體中孔隙體積的直接度量；Fs:安全系數(shù)1.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流2.影響因素粒徑大小及級(jí)配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)三.滲透系數(shù)的測定及影響因素飽和度（含氣量）水的動(dòng)力粘滯系數(shù)§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流

§2土的滲透性及水的滲流2.影響因素粒徑大小及級(jí)配三.292.影響因素三.滲透系數(shù)的測定及影響因素§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律粒徑大小及級(jí)配：是土中孔隙直徑大小的主要影響因素；因由粗顆粒形成的大孔隙可被細(xì)顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細(xì)顆粒所控制。（1）土粒特性的影響孔隙比：是單位土體中孔隙體積的直接度量；對于砂性土，滲透系數(shù)k一般隨孔隙比e增大而增大。礦物成分：對粘性土，影響顆粒的表面力；不同粘土礦物之間滲透系數(shù)相差極大，其滲透性大小的次序?yàn)楦邘X石>伊里石>蒙脫石；塑性指數(shù)Ip綜合反映土的顆粒大小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的參數(shù)。結(jié)構(gòu)：影響孔隙的構(gòu)成和方向性，對粘性土影響更大；在宏觀構(gòu)造上，天然沉積層狀粘性土層，常使得k水平﹥k垂直；在微觀結(jié)構(gòu)上，當(dāng)孔隙比相同時(shí)，凝聚結(jié)構(gòu)將比分散結(jié)構(gòu)具有更大的透水性。§2土的滲透性及水的滲流

302.影響因素三.滲透系數(shù)的測定及影響因素§2.1土的滲飽和度sr(%)滲透系數(shù)k(10-3cm/s)87654328090100飽和度的影響流體粘滯性的影響溫度高粘滯性低滲透系數(shù)大封閉氣泡對k影響很大，可減少有效滲透面積，還可以堵塞孔隙的通道2.影響因素三.滲透系數(shù)的測定及影響因素§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律（2）流體特性的影響§2土的滲透性及水的滲流

31飽和度sr(%)滲透系數(shù)k(10-3cm/s)880四.層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層的km考慮滲流方向天然土層多呈層狀§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流

四.層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層的km天然土層32H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL四.層狀地基的等效滲透系數(shù)1122不透水層水平滲流條件:等效滲透系數(shù):qx=vxH=kxiHΣqmx=ΣkmimHm§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流

33H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL四.層H1H2H3HΔhk1k2k3xz四.層狀地基的等效滲透系數(shù)豎直滲流:v承壓水條件:等效滲透系數(shù):§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流

34H1H2H3HΔhk1k2k3xz四.層狀地基的等效滲透系數(shù)算例

按層厚加權(quán)平均，由較大值控制倒數(shù)按層厚加權(quán)平均，由較小值控制四.層狀地基的等效滲透系數(shù)§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流

算例按層厚加權(quán)平均，由較大值控制倒數(shù)按層厚加權(quán)平均，由較小35§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律第二章

土的滲透性及水的滲流

§2.2平面滲流與流網(wǎng)§2.3滲透力與滲透變形36§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律第二章土的滲透性及水的滲§2.2平面滲流與流網(wǎng)ΔhΔh恒定穩(wěn)定滲流h=h(x,z),v=v(x,z)對單寬dy=1，取一微小單元dx,dz與時(shí)間無關(guān)xz§2土的滲透性及水的滲流

37§2.2平面滲流與流網(wǎng)ΔhΔh恒定穩(wěn)定滲流h=h(x,zLaplace方程（基本方程）連續(xù)性條件達(dá)西定律流線方程假定kx=kz§2.2

平面滲流與流網(wǎng)流線描述水頭描述勢函數(shù)的基本方程流函數(shù)的基本方程勢函數(shù)流函數(shù)共軛調(diào)和，等值線正交求解（流網(wǎng)）邊界條件基本要求繪制方法主要特點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用§2土的滲透性及水的滲流

38Laplace方程連續(xù)性條件§2.2平面滲流與流網(wǎng)流線描§2.2

平面滲流與流網(wǎng)連續(xù)性條件一.平面滲流的基本方程及求解1.基本方程水頭描述§2土的滲透性及水的滲流

39§2.2平面滲流與流網(wǎng)連續(xù)性條件一.平面滲流的基本§2土的滲透性及水的滲流有經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律（散粒體多孔介質(zhì)特性）§2土的滲透性及水的滲流室內(nèi)試驗(yàn)方法2—變水頭試驗(yàn)法土壩、堤防、基坑等結(jié)構(gòu)物會(huì)由于管涌逐漸改變地基土內(nèi)的結(jié)構(gòu)而釀成破壞事故；水頭邊界條件：首尾等水頭線室內(nèi)試驗(yàn)方法2—變水頭試驗(yàn)法平面滲流的基本方程及求解§2土的滲透性及水的滲流孔隙比：是單位土體中孔隙體積的直接度量；第二章土的滲透性及水的滲流3滲透力與滲透變形與級(jí)配有關(guān)（不連續(xù)級(jí)配）1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流層狀地基的等效滲透系數(shù)ΔH=Δh/N:相鄰等勢線間的水頭損失土的滲透性及水的滲流§2.2

平面滲流與流網(wǎng)連續(xù)性條件達(dá)西定律Laplace方程描述滲流場內(nèi)部的測管水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程式之一

假定

kx=kz

水頭描述φ∝

h：勢函數(shù)與滲透系數(shù)無關(guān)等價(jià)于水頭一.平面滲流的基本方程及求解1.基本方程

§2土的滲透性及水的滲流

40§2土的滲透性及水的滲流§2.2平面滲流與流網(wǎng)連續(xù)性§2.2

平面滲流與流網(wǎng)1.基本方程流線描述一.平面滲流的基本方程及求解xzψψ+dψdq同一條流線上，流函數(shù)的值為常數(shù)，流線不能相交兩條流線流函數(shù)的差值等于其間通過的流量vxvzdz-dx(x,z)§2土的滲透性及水的滲流

41§2.2平面滲流與流網(wǎng)1.基本方程流線描述一.平面滲§2.2

平面滲流與流網(wǎng)一.平面滲流的基本方程及求解流線描述1.基本方程

Laplace方程1）勢函數(shù)和流函數(shù)均滿足拉普拉斯方程2）勢函數(shù)等值線和流函數(shù)等值線正交，任一點(diǎn)兩線的斜率互成負(fù)倒數(shù)3）勢函數(shù)和流函數(shù)為共軛調(diào)和函數(shù)，兩者完備地描述了一滲流場+d+dba§2土的滲透性及水的滲流

42§2.2平面滲流與流網(wǎng)一.平面滲流的基本方程及求解一.平面滲流的基本方程及求解2.求解方法

確定滲流場內(nèi)各點(diǎn)的測管水頭h的分布基本方程邊界條件定解條件§2.2

平面滲流與流網(wǎng)其它各量§2土的滲透性及水的滲流

43一.平面滲流的基本方程及求解2.求解方法確定滲流場一.平面滲流的基本方程及求解2.求解方法

邊界條件§2.2

平面滲流與流網(wǎng)透水層不透水層基坑板樁墻水頭邊界條件：首尾等水頭線12流速邊界條件：邊界流線3其它邊界條件：滲出面、自由水面1122§2土的滲透性及水的滲流

44一.平面滲流的基本方程及求解2.求解方法邊界條件§一.平面滲流的基本方程及求解2.求解方法

解析方法試驗(yàn)比擬方法（電比擬方法）數(shù)值方法圖解法流網(wǎng)——近似求解方法適用于邊界條件簡單的情況通解：兩個(gè)共軛調(diào)和函數(shù)勢函數(shù)Φ(x,z)流函數(shù)Ψ(x,z)等勢線流線相互正交邊界條件特定解差分法、有限元方法，精度高，應(yīng)用愈來愈廣泛利用滲流場和電場均服從Laplace方程這一特點(diǎn)，按一定比例制作模型，用電場中的等勢線和流線來模擬滲流場中的等勢線和流線，以達(dá)到確定滲流場中滲流要素的目的。理論基礎(chǔ)：解析法的結(jié)果§2.2

平面滲流與流網(wǎng)§2土的滲透性及水的滲流

45一.平面滲流的基本方程及求解2.求解方法解析方法試二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用流網(wǎng)——滲流場中的兩族相互正交曲線——等勢線和流線所形成的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。流線——水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡線。等勢線——測管水頭相同的點(diǎn)之連線。流網(wǎng)法——通過繪制流線與勢線的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇來求解滲流問題。H△h0§2.2

平面滲流與流網(wǎng)§2土的滲透性及水的滲流

46二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用流網(wǎng)——滲流場中的兩族相互正基本要求1.正交性：流線與等勢線（等水頭線）必須正交二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用H△h0lsls2.等間隔流線與等間隔等勢線形成的流網(wǎng)中，各個(gè)網(wǎng)格的長寬比c應(yīng)為常數(shù)。取c=1，即為曲邊正方形3.在邊界上滿足流場邊界條件要求，保證解的唯一性。§2.2

平面滲流與流網(wǎng)+d+dba通解數(shù)學(xué)描述幾何表示§2土的滲透性及水的滲流

47基本要求1.正交性：流線與等勢線（等水頭線）必須正交二.ABCDlsH△h00ls二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用繪制方法一個(gè)高精度的流網(wǎng)圖，需經(jīng)過多次的修改后才能完成。根據(jù)滲流場的邊界條件確定邊界流線和首尾等勢線正交性曲邊正方形初步繪制流網(wǎng)流線→等勢線→反復(fù)修改，調(diào)整精度較高的流網(wǎng)圖§2.2

平面滲流與流網(wǎng)工具：鉛筆＋橡皮§2土的滲透性及水的滲流

48ABCDlsH△h00ls二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用繪制方法主要特點(diǎn)與上下游水位變化無關(guān)Δh=const；與k無關(guān)；等勢線上各點(diǎn)測管水頭h相等。二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用H△h0lsls§2.2

平面滲流與流網(wǎng)§2土的滲透性及水的滲流

49主要特點(diǎn)與上下游水位變化無關(guān)Δh=const；二.流測管水頭

h實(shí)際應(yīng)用確定孔壓確定流速確定流量二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用水力坡降H△h0lsls§2.2

平面滲流與流網(wǎng)M:流道數(shù)ΔH=Δh/N:相鄰等勢線間的水頭損失§2土的滲透性及水的滲流

50測管水頭h實(shí)際應(yīng)用確定孔壓確定流速確定流量二Laplace方程（基本方程）連續(xù)性條件達(dá)西定律假定kx=kz流線方程水頭描述勢函數(shù)流線描述流函數(shù)共軛、正交理論基礎(chǔ)邊界條件小結(jié)§2.2

平面滲流與流網(wǎng)求解平面滲流的基本方程及求解流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用基本要求主要特點(diǎn)繪制方法§2土的滲透性及水的滲流

51Laplace方程連續(xù)性條件水頭描述流線描述共軛、正交理論基土的滲透性及水的滲流

第二章52土的滲透性及水的滲流第二章52§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律第二章

土的滲透性及水的滲流

§2.2平面滲流與流網(wǎng)§2.3滲透力與滲透變形53§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律第二章土的滲透性及水的滲§2.3滲透力與滲透變形一.滲透力1、試驗(yàn)觀察滲透變形滲透力二.滲透變形（滲透破壞）2、物理本質(zhì)3、計(jì)算方法土水整體分析土水隔離分析54§2.3滲透力與滲透變形一.滲透力1、試驗(yàn)觀察滲透變一.

滲透力1、試驗(yàn)觀察Δh=0靜水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。Δh>0水在流動(dòng)時(shí)，水流受到來自土骨架的阻力，同時(shí)流動(dòng)的孔隙水對土骨架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。滲透力j

——滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab§2.3

滲透力與滲透變形§2土的滲透性及水的滲流

55一.滲透力1、試驗(yàn)觀察Δh=0靜水中，土骨架會(huì)受到浮一.滲透力h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab土粒滲流j§2.3

滲透力與滲透變形滲透力與浮力有何區(qū)別？2、物理本質(zhì)§2土的滲透性及水的滲流

56一.滲透力h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab土粒滲h200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1W=Lγsat＝L(γ+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh2R=?R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ+γw)+γwhw

R=γ

L土水整體分析§2.3

滲透力與滲透變形一.滲透力3、計(jì)算方法§2土的滲透性及水的滲流

57h200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1W=Lγsat＝L(γ+

γw)P1

=γwhwP2

=γwh1R=?R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ+γw)+γwhw

R=γL－γwΔhR=γ

L滲流中的土體§2.3

滲透力與滲透變形一.滲透力土水整體分析3、計(jì)算方法§2土的滲透性及水的滲流

58h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1R=γ

L－γwΔhR=γ

L滲流中的土體向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少減少的部分由誰承擔(dān)？水與土之間的作用力－滲流的拖曳力總滲透力J=γwΔh滲透力j=J/V=γwΔh/L=γwij=γwi§2.3

滲透力與滲透變形一.滲透力土水整體分析3、計(jì)算方法§2土的滲透性及水的滲流

59h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1RA=1R=γ

L－γwΔh滲流中的土體所受濾網(wǎng)支持力向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少臨界水力坡降i=Δh/L=γ

/γwicr=γ/γwγ

L－γwΔh=0§2.3

滲透力與滲透變形一.滲透力土水整體分析3、計(jì)算方法§2土的滲透性及水的滲流

60h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1RA=1RP2WP1Rh1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abA=1P1+Ww+J

=P2水體的平衡條件j=γwiγwhw+γwL+j

L=

γwh1W’JWwJ’=R+P2P1P1

=γwhwP2

=γwh1Ww=Vvγw+Vsγw=Lγw土水隔離分析§2.3

滲透力與滲透變形一.滲透力3、計(jì)算方法§2土的滲透性及水的滲流

61P2WP1Rh1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abA=1P滲透力的性質(zhì)物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力j=γwi大?。悍较颍号ci方向一致（均質(zhì)土與滲流方向一致）作用對象：土骨架§2.3

滲透力與滲透變形一.滲透力§2土的滲透性及水的滲流

62滲透力的性質(zhì)物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳利用流網(wǎng)求滲透力復(fù)雜條件總滲透力大?。簀網(wǎng)格面積方向：與i方向一致（均質(zhì)土：流線）作用點(diǎn)：形心流網(wǎng)較密處i較大，該處滲透力也大不同位置的滲透力對土體穩(wěn)定性的影響不同H△h0lsls§2.3

滲透力與滲透變形一.滲透力§2土的滲透性及水的滲流

63利用流網(wǎng)求滲透力復(fù)雜條件總滲透力流網(wǎng)較密處i較大，該處滲透力基本類型二.滲透變形（滲透破壞）流土管涌土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞形成條件防治措施§2.3

滲透力與滲透變形§2土的滲透性及水的滲流

64基本類型二.滲透變形（滲透破壞）流土管涌土工建筑物及地基粘性土k1<<k2砂性土k2壩體1.基本類型二.滲透變形（滲透破壞）流土在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時(shí)發(fā)生懸浮移動(dòng)的現(xiàn)象滲流原因：§2.3

滲透力與滲透變形§2土的滲透性及水的滲流

65粘性土k1<<k2砂性土k2壩體1.基本類型二.滲透變形1.基本類型管涌原因：內(nèi)因——有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒徑的孔隙通道外因——滲透力足夠大

在滲流作用下，一定級(jí)配的無粘性土中的細(xì)小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道。管涌管涌破壞§2.3

滲透力與滲透變形二.滲透變形（滲透破壞）§2土的滲透性及水的滲流

661.基本類型管涌原因：內(nèi)因——有足夠多的粗顆粒形成大于1.基本類型流土與管涌的比較流土土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)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(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等現(xiàn)象位置土類歷時(shí)后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)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(jí)配的無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口二.滲透變形§2.3

滲透力與滲透變形§2土的滲透性及水的滲流

671.基本類型流土與管涌的比較流土土體局部范圍的顆粒同時(shí)2.形成條件Fs:

安全系數(shù)1.5～2.0二.滲透變形[i]:允許坡降i<icr:i=

icr:i>icr:土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞土體處于臨界狀態(tài)流土經(jīng)驗(yàn)判斷：§2.3

滲透力與滲透變形無壓重時(shí)：§2土的滲透性及水的滲流

682.形成條件Fs:安全系數(shù)1.5～2.0二.滲透變形[較均勻土（Cu≤10）二.滲透變形2.形成條件管涌幾何條件水力條件一般發(fā)生在無粘性土中級(jí)配孔隙及細(xì)粒判定非管涌土粗粒形成的孔隙通道小于細(xì)粒徑不均勻土（Cu>10）不連續(xù)連續(xù)D0=0.25d20細(xì)粒含量>35%細(xì)粒含量<25%細(xì)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幾何條件P(%)lgd骨架充填料P53d5d3§2.3

滲透力與滲透變形§2土的滲透性及水的滲流

69較均勻土二.滲透變形2.形成條件管涌幾何條件水力條件一般發(fā)水力條件：i>icr5101520253035402.01.51.00.50icrCu流土過渡管涌二.滲透變形2.形成條件Cu>20時(shí),icr=0.25-0.30[i]=0.10-0.15蘇聯(lián)：中國：水力坡降級(jí)配連續(xù)土級(jí)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§2.3

滲透力與滲透變形§2土的滲透性及水的滲流

70水力條件：i>icr51015管涌與流土的比較管涌流土1與級(jí)配有關(guān)（不連續(xù)級(jí)配）與級(jí)配無關(guān)（各種級(jí)配土均可發(fā)生）2水利坡降i較小也會(huì)發(fā)生需滲透力3土體中任何部位滲流出口處4沿土體中任何方向與重力方向相反71管涌與流土的比較管涌流土1與級(jí)配有關(guān)（不連續(xù)級(jí)配）與級(jí)配無關(guān)流土§2土的滲透性及水的滲流

72流土§2土的滲透性及水的滲流72流土§2土的滲透性及水的滲流

73流土§2土的滲透性及水的滲流73

圖為發(fā)生在上海黃浦江隧道施工中流土帶來的災(zāi)害。施工中發(fā)生滲水后，隨后出現(xiàn)大量流砂涌入施工中的隧道，導(dǎo)致中山南路部分地面下沉，建筑傾斜?！?土的滲透性及水的滲流

74圖為發(fā)生在上海黃浦江隧道施工中流土帶來管涌管涌指在滲流作用下土體的細(xì)土粒在粗土粒形成的孔隙通道中發(fā)生移動(dòng)并被帶出的現(xiàn)象。主要發(fā)生在砂礫土中。§2土的滲透性及水的滲流

75管涌管涌指在滲流作用下土體的細(xì)土粒在粗土粒形成的孔隙通道中發(fā)

圖為發(fā)生在湖南望城湘江大堤最大的管涌。由于暴雨使湘江水猛長，使土體中的水力坡降增加，加之土結(jié)構(gòu)的幾何原因，發(fā)生了圖中的管涌。沙袋用來提高逸出口水位，以降低水力坡降。此外還拋了一些大的礫石形成反濾層?！?土的滲透性及水的滲流

76圖為發(fā)生在湖南望城湘江大堤最大的管涌。由于暴雨使湘江水猛管涌§2土的滲透性及水的滲流

77管涌§2土的滲透性及水的滲流77管涌§2土的滲透性及水的滲流

78管涌§2土的滲透性及水的滲流783.防治措施增大[i]：下游增加透水蓋重二.滲透變形防治流土土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層減小i：上游延長滲徑；下游減小水壓防治管涌改善幾何條件：設(shè)反濾層等改善水力條件：減小滲透坡降§2.3

滲透力與滲透變形§2土的滲透性及水的滲流

793.防治措施增大[i]：下游增加透水蓋重二.滲透變形管涌的治理反濾倒?jié)B§2土的滲透性及水的滲流

80管涌的治理反濾倒?jié)B§2土的滲透性及水的滲流80管涌的治理反濾圍井§2土的滲透性及水的滲流

81管涌的治理反濾圍井§2土的滲透性及水的滲流81管涌的治理蓄水反壓§2土的滲透性及水的滲流

82管涌的治理蓄水反壓§2土的滲透性及水的滲流82小結(jié)工程實(shí)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(yàn)與達(dá)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(yīng)用滲透力：概念與計(jì)算滲透變形：類型，條件，防治§2土的滲透性及水的滲流

83小結(jié)工程實(shí)例滲流問題土的滲透性及滲透規(guī)律二維滲流及流網(wǎng)滲透力位置水頭：到基準(zhǔn)面的豎直距離，代表單位重量的液體從基準(zhǔn)面算起所具有的位置勢能壓力水頭：水壓力所能引起的自由水面的升高，表示單位重量液體所具有的壓力勢能測管水頭：測管水面到基準(zhǔn)面的垂直距離，等于位置水頭和壓力水頭之和，表示單位重量液體的總勢能在靜止液體中各點(diǎn)的測管水頭相等位置、壓力和測管水頭zA00ABu0pazB基準(zhǔn)面靜水84位置水頭：到基準(zhǔn)面的豎直距離，代表單位重量的液體從基準(zhǔn)面算起水流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力水往低處流水往高處“跑”速度v壓力u位置：使水流從位置勢能高處流向位置勢能低處流速：水具有的動(dòng)能壓力：水所具有的壓力勢能也可使水流發(fā)生流動(dòng)85水流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力水往低處流水往高處“跑”速度v壓力u位置：使水位置勢能：mgz壓力勢能：00基準(zhǔn)面質(zhì)量m壓力u流速vz動(dòng)能：總能量：稱為總水頭，是水流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力單位重量水流的能量：水流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力-水頭86位置勢能：mgz壓力勢能：00基準(zhǔn)面質(zhì)量mz動(dòng)能：總能量：滲流中的水頭與水力坡降A(chǔ)BL透水層不透水層基坑板樁墻滲流為水體的流動(dòng)，應(yīng)滿足液體流動(dòng)的三大基本方程：連續(xù)性方程、能量方程、動(dòng)量方程87滲流中的水頭與水力坡降A(chǔ)BL透水層不透水層基坑板樁墻滲流為水ABLhAzA基準(zhǔn)面總水頭：單位重量水體所具有的能量位置水頭Z：水體的位置勢能（任選基準(zhǔn)面）壓力水頭u/w：水體的壓力勢能（u孔隙水壓力）流速水頭V2/(2g)：水體的動(dòng)能（對滲流多處于層流≈0）滲流的總水頭：滲流問題的水頭也稱測管水頭，是滲流的總驅(qū)動(dòng)能，滲流總是從水頭高處流向水頭低處88ABLhAzA基準(zhǔn)面總水頭：單位重量水體所具有的能量位置A點(diǎn)總水頭：水力坡降A(chǔ)BLhAhBzAzBΔh基準(zhǔn)面水力坡降線B點(diǎn)總水頭：二點(diǎn)總水頭差：反映了兩點(diǎn)間水流由于摩阻力造成的能量損失水力坡降i：單位滲流長度上的水頭損失89A點(diǎn)總水頭：水力坡降A(chǔ)BLhAhBzAzBΔh基準(zhǔn)面水力坡達(dá)西滲透試驗(yàn)LAh1h2QQ透水石1856年達(dá)西(Darcy)在研究城市供水問題時(shí)進(jìn)行的滲流試驗(yàn)或：其中，A是試樣的斷面積90達(dá)西滲透試驗(yàn)LAh1h2QQ透水石1856年達(dá)西(Darc達(dá)西定律達(dá)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(shí)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，也稱假想滲流速度其中，Vs為實(shí)際平均流速，孔隙斷面的平均流速91達(dá)西定律達(dá)西定律：在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i達(dá)西定律的適用范圍適用條件：層流（線性流動(dòng)）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(huì)隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達(dá)西定律。可用雷諾數(shù)進(jìn)行判斷：0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5達(dá)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(xì)砂極細(xì)砂h10dvRe=Re＜5時(shí)層流

Re

＞200時(shí)紊流

200＞

Re＞5時(shí)為過渡區(qū)

92達(dá)西定律的適用范圍適用條件：層流（線性流動(dòng)）巖土工程中的絕第二章土的滲透性及水的滲流第二章土的滲透性及水的滲流93土的滲透性及水的滲流

第二章土的滲透性及水的滲流第二章94本章特點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)主要難點(diǎn)有較嚴(yán)格的理論（水流的一般規(guī)律）有經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律（散粒體多孔介質(zhì)特性）注重對物理概念和意義的深入理解注意土是散粒體（多孔介質(zhì)）這一特點(diǎn)水頭及水力坡降二維流網(wǎng)及其應(yīng)用滲透力及其分析方法§2土的滲透性及水的滲流

95本章特點(diǎn)有較嚴(yán)格的理論（水流的一般規(guī)律）§2土的滲透性及水碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動(dòng)滲流水、氣等在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象滲透性土具有被水、氣等流體透過的性質(zhì)滲透特性強(qiáng)度特性變形特性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性概述能量差土顆粒土中水滲流§2土的滲透性及水的滲流

碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動(dòng)滲流水、氣等在土體孔隙中流96水在土體中的滲透，一方面會(huì)造成水量的損失，影響工程效益；另一方面將引起土體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而改變水工建筑物或地基的穩(wěn)定條件，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)釀成破壞事故。土的滲透性的強(qiáng)弱，對土體的固結(jié)、強(qiáng)度以及工程施工都有非常重要的影響。

§2土的滲透性及水的滲流

97水在土體中的滲透，一方面會(huì)造成水量的損失，影響工程效益；另一水的問題水的問題指在工程中由于水本身引起的工程問題，比如基坑、隧道等開挖工程中普遍存在地下水滲出而出現(xiàn)需要排水的問題；相反在以蓄水為目的的土壩中會(huì)由于滲透造成水量損失而出現(xiàn)需要擋水的問題；另外還有一些像污水的滲透引起地下水污染，地下水開采引起大面積地面沉降及沼澤枯竭等地下水環(huán)境的問題。也就是說，水自身的量（涌水量，滲水量）、質(zhì)（水質(zhì)）、賦存位置（地下水位）的變化所引起的問題。§2土的滲透性及水的滲流

98水的問題水的問題指在工程中由于水本身引起的工程問題，比如基坑土的問題土的問題是指由于水的滲透引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化或土體、地基本身的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等狀態(tài)的變化，從而影響建筑物或地基的穩(wěn)定性或產(chǎn)生有害變形的影響，在坡面、擋土墻等結(jié)構(gòu)物中常常會(huì)由于水的滲透而造成內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化而失穩(wěn)；土壩、堤防、基坑等結(jié)構(gòu)物會(huì)由于管涌逐漸改變地基土內(nèi)的結(jié)構(gòu)而釀成破壞事故；非飽和的坡面會(huì)由于水分的滲透而造成土的強(qiáng)度的降低而引起滑坡。由于滲透而引起的代表性例子就是地下水開采造成的地面下沉問題。§2土的滲透性及水的滲流

99土的問題土的問題是指由于水的滲透引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化或概述滲流量滲透變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流§2土的滲透性及水的滲流

概述滲流量滲透變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層土100滲流作用造成大壩塌方§2土的滲透性及水的滲流

101滲流作用造成大壩塌方§2土的滲透性及水的滲流9滲水壓力揚(yáng)壓力滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流概述§2土的滲透性及水的滲流

102滲水壓力揚(yáng)壓力滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護(hù)滲流量透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q概述§2土的滲透性及水的滲流

103滲流量透水層不透水層天然水面水井滲流漏斗狀潛水面Q概述§2滲流量原地下水位滲流時(shí)地下水位渠道滲流概述§2土的滲透性及水的滲流

104滲流量原地下水位滲流時(shí)地下水位渠道滲流概述§2土的滲透性及滲流滑坡滲流滑坡概述§2土的滲透性及水的滲流

105滲流滑坡滲流滑坡概述§2土的滲透性及水的滲流13滲流量滲透變形滲水壓力滲流滑坡土的滲透性及滲流穩(wěn)定二維滲流及流網(wǎng)滲透力與滲透變形揚(yáng)壓力土坡穩(wěn)定分析擋水建筑物集水建筑物引水結(jié)構(gòu)物基坑等地下施工多雨地區(qū)邊坡概述§2土的滲透性及水的滲流

106滲流量滲透變形滲水壓力滲流滑坡土的滲透性及滲流穩(wěn)定二維滲流及第二章

土的滲透性及水的滲流

§2.3滲透力與滲透變形§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2.2平面滲流與流網(wǎng)107第二章土的滲透性及水的滲流§2.3滲透力與滲透變形層狀地基的等效滲透系數(shù)野外測定方法－抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法一．滲流中的水頭與水力坡降3滲透力與滲透變形增大[i]：下游增加透水蓋重一個(gè)高精度的流網(wǎng)圖，需經(jīng)過多次的修改后才能完成。通解：兩個(gè)共軛調(diào)和函數(shù)與上下游水位變化無關(guān)Δh=const；利用滲流場和電場均服從Laplace方程這一特點(diǎn)，按一定比例制作模型，用電場中的等勢線和流線來模擬滲流場中的等勢線和流線，以達(dá)到確定滲流場中滲流要素的目的。相反在以蓄水為目的的土壩中會(huì)由于滲透造成水量損失而出現(xiàn)需要擋水的問題；一．滲流中的水頭與水力坡降其它邊界條件：滲出面、自由水面層狀地基的等效滲透系數(shù)§2土的滲透性及水的滲流量測變量:V，t第二章土的滲透性及水的滲流Ww=Vvγw+Vsγw=Lγw物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力管涌指在滲流作用下土體的細(xì)土粒在粗土粒形成的孔隙通道中發(fā)生移動(dòng)并被帶出的現(xiàn)象。另外還有一些像污水的滲透引起地下水污染，地下水開采引起大面積地面沉降及沼澤枯竭等地下水環(huán)境的問題?！?.1土的滲透性與滲透規(guī)律一．滲流中的水頭與水力坡降二．滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律三．滲透系數(shù)的測定及影響因素四．層狀地基的等效滲透系數(shù)108層狀地基的等效滲透系數(shù)§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律一．滲ABL§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律透水層不透水層基坑板樁墻一．滲流中的水頭與水力坡降§2土的滲透性及水的滲流

109ABL§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律透水層不透水層基坑板樁墻ABL一．滲流中的水頭與水力坡降h1h2zAzBΔh00基準(zhǔn)面水力坡降線總水頭－單位重量水體所具有的能量z：位置水頭u/γw：壓力水頭V2/(2g)：流速水頭≈0A點(diǎn)總水頭：B點(diǎn)總水頭：總水頭：水力坡降：§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律水頭差：測管水頭§2土的滲透性及水的滲流

110ABL一．滲流中的水頭與水力坡降h1h2zAzBΔh00基準(zhǔn)二.滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律試驗(yàn)前提：層流Δh↑，Q↑A↑，Q↑

L↑，Q↓斷面平均流速水力坡降1.滲透試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:h1，A，L=const量測變量:h2，V，TΔh=h1-h2Q=V/T§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流

二.滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律試驗(yàn)前提：層流Δh↑，Q↑斷面平均流1112.達(dá)西定律滲透定律在層流狀態(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)。二.滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律注意：AAvv：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度vs：實(shí)際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度A>AvQ＝vA

＝vsAvk:反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)物理意義：水力坡降i＝1時(shí)的滲流速度單位：mm/s,cm/s,m/s,m/day§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流

2.達(dá)西定律滲透定律在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡1122.達(dá)西定律

適用條件：層流（線性流）§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律二.滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律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(huì)隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達(dá)西定律?？捎美字Z數(shù)Re進(jìn)行判斷：Re＜5時(shí)層流

Re

＞200時(shí)紊流

200＞

Re＞5時(shí)為過渡區(qū)

§2土的滲透性及水的滲流

1132.達(dá)西定律適用條件：層流（線性流）§2.1土的滲透性層流紊流層流紊流§2土的滲透性及水的滲流

114層流紊流層流紊流§2土的滲透性及水的滲流222.達(dá)西定律（1）粗粒土：①礫石類土中的滲流常不符合達(dá)西定律②砂土中滲透速度vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0

兩種特例：（2）粘性土：致密的粘土i>i0,v=k(i-i0)§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律二.滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律§2土的滲透性及水的滲流

1152.達(dá)西定律（1）粗粒土：ivovcrivoi0兩種特三.滲透系數(shù)的測定及影響因素室內(nèi)試驗(yàn)測定方法野外試驗(yàn)測定方法常水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法井孔抽水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)1.測定方法§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流

三.滲透系數(shù)的測定及影響因素室內(nèi)試驗(yàn)測定方法常水頭試驗(yàn)法116室內(nèi)試驗(yàn)方法1—常水頭試驗(yàn)法三.滲透系數(shù)的測定及影響因素1.測定方法結(jié)果整理試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

Δh，A，L=const量測變量:V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=ki適用土類：透水性較大的砂性土§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律hL土樣AVQ室內(nèi)試驗(yàn)方法2—變水頭試驗(yàn)法透水性較小的粘性土?§2土的滲透性及水的滲流

第七次課至此詹117室內(nèi)試驗(yàn)方法1—常水頭試驗(yàn)法三.滲透系數(shù)的測定及影響因素三.滲透系數(shù)的測定及影響因素1.測定方法室內(nèi)試驗(yàn)方法2—變水頭試驗(yàn)法試驗(yàn)裝置：如圖試驗(yàn)條件:

Δh變化，A，L=const量測變量:

Δh，t§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭測管開關(guān)a§2土的滲透性及水的滲流

118三.滲透系數(shù)的測定及影響因素1.測定方法室內(nèi)試驗(yàn)方法三.滲透系數(shù)的測定及影響因素1.測定方法室內(nèi)試驗(yàn)方法2—變水頭試驗(yàn)法結(jié)果整理:理論依據(jù):t時(shí)刻：

ΔhdtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：連續(xù)性條件：-adh=k(Δh/L)Adt選擇幾組Δh1,

Δh2,t，計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭測管開關(guān)ahdhtt+dt§2土的滲透性及水的滲流

第七次課至此鐵119三.滲透系數(shù)的測定及影響因素1.測定方法室內(nèi)試驗(yàn)方法野外測定方法－抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)1.測定方法三.滲透系數(shù)的測定及影響因素地下水位≈測壓管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水層觀察井A=2πrhi=dh/dr缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長實(shí)驗(yàn)方法：理論依據(jù)：§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律積分§2土的滲透性及水的滲流

第七次課至此城野外測定方法－抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場較為可靠120§2土的滲透性及水的滲流土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流3滲透力與滲透變形§2土的滲透性及水的滲流方向：與i方向一致（均質(zhì)土與滲流方向一致）導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力水的問題指在工程中由于水本身引起的工程問題，比如基坑、隧道等開挖工程中普遍存在地下水滲出而出現(xiàn)需要排水的問題；描述滲流場內(nèi)部的測管水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程式之一流速邊界條件：邊界流線1土的滲透性與滲透規(guī)律壓力水頭：水壓力所能引起的自由水面的升高，表示單位重量液體所具有的壓力勢能i>i0,v=k(i-i0)可用雷諾數(shù)進(jìn)行判斷：3滲透力與滲透變形孔隙比：是單位土體中孔隙體積的直接度量；Fs:安全系數(shù)1.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流2.影響因素粒徑大小及級(jí)配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)三.滲透系數(shù)的測定及影響因素飽和度（含氣量）水的動(dòng)力粘滯系數(shù)§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流

§2土的滲透性及水的滲流2.影響因素粒徑大小及級(jí)配三.1212.影響因素三.滲透系數(shù)的測定及影響因素§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律粒徑大小及級(jí)配：是土中孔隙直徑大小的主要影響因素；因由粗顆粒形成的大孔隙可被細(xì)顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細(xì)顆粒所控制。（1）土粒特性的影響孔隙比：是單位土體中孔隙體積的直接度量；對于砂性土，滲透系數(shù)k一般隨孔隙比e增大而增大。礦物成分：對粘性土，影響顆粒的表面力；不同粘土礦物之間滲透系數(shù)相差極大，其滲透性大小的次序?yàn)楦邘X石>伊里石>蒙脫石；塑性指數(shù)Ip綜合反映土的顆粒大小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的參數(shù)。結(jié)構(gòu)：影響孔隙的構(gòu)成和方向性，對粘性土影響更大；在宏觀構(gòu)造上，天然沉積層狀粘性土層，常使得k水平﹥k垂直；在微觀結(jié)構(gòu)上，當(dāng)孔隙比相同時(shí)，凝聚結(jié)構(gòu)將比分散結(jié)構(gòu)具有更大的透水性?！?土的滲透性及水的滲流

1222.影響因素三.滲透系數(shù)的測定及影響因素§2.1土的滲飽和度sr(%)滲透系數(shù)k(10-3cm/s)87654328090100飽和度的影響流體粘滯性的影響溫度高粘滯性低滲透系數(shù)大封閉氣泡對k影響很大，可減少有效滲透面積，還可以堵塞孔隙的通道2.影響因素三.滲透系數(shù)的測定及影響因素§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律（2）流體特性的影響§2土的滲透性及水的滲流

123飽和度sr(%)滲透系數(shù)k(10-3cm/s)880四.層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層的km考慮滲流方向天然土層多呈層狀§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流

四.層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層的km天然土層124H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL四.層狀地基的等效滲透系數(shù)1122不透水層水平滲流條件:等效滲透系數(shù):qx=vxH=kxiHΣqmx=ΣkmimHm§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流

125H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL四.層H1H2H3HΔhk1k2k3xz四.層狀地基的等效滲透系數(shù)豎直滲流:v承壓水條件:等效滲透系數(shù):§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流

126H1H2H3HΔhk1k2k3xz四.層狀地基的等效滲透系數(shù)算例

按層厚加權(quán)平均，由較大值控制倒數(shù)按層厚加權(quán)平均，由較小值控制四.層狀地基的等效滲透系數(shù)§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流

算例按層厚加權(quán)平均，由較大值控制倒數(shù)按層厚加權(quán)平均，由較小127§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律第二章

土的滲透性及水的滲流

§2.2平面滲流與流網(wǎng)§2.3滲透力與滲透變形128§2.1土的滲透性與滲透規(guī)律第二章土的滲透性及水的滲§2.2平面滲流與流網(wǎng)ΔhΔh恒定穩(wěn)定滲流h=h(x,z),v=v(x,z)對單寬dy=1，取一微小單元dx,dz與時(shí)間無關(guān)xz§2土的滲透性及水的滲流

129§2.2平面滲流與流網(wǎng)ΔhΔh恒定穩(wěn)定滲流h=h(x,zLaplace方程（基本方程）連續(xù)性條件達(dá)西定律流線方程假定kx=kz§2.2

平面滲流與流網(wǎng)流線描述水頭描述勢函數(shù)的基本方程流函數(shù)的基本方程勢函數(shù)流函數(shù)共軛調(diào)和，等值線正交求解（流網(wǎng)）邊界條件基本要求繪制方法主要特點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用§2土的滲透性及水的滲流

130Laplace方程連續(xù)性條件§2.2平面滲流與流網(wǎng)流線描§2.2

平面滲流與流網(wǎng)連續(xù)性條件一.平面滲流的基本方程及求解1.基本方程水頭描述§2土的滲透性及水的滲流

131§2.2平面滲流與流網(wǎng)連續(xù)性條件一.平面滲流的基本§2土的滲透性及水的滲流有經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律（散粒體多孔介質(zhì)特性）§2土的滲透性及水的滲流室內(nèi)試驗(yàn)方法2—變水頭試驗(yàn)法土壩、堤防、基坑等結(jié)構(gòu)物會(huì)由于管涌逐漸改變地基土內(nèi)的結(jié)構(gòu)而釀成破壞事故；水頭邊界條件：首尾等水頭線室內(nèi)試驗(yàn)方法2—變水頭試驗(yàn)法平面滲流的基本方程及求解§2土的滲透性及水的滲流孔隙比：是單位土體中孔隙體積的直接度量；第二章土的滲透性及水的滲流3滲透力與滲透變形與級(jí)配有關(guān)（不連續(xù)級(jí)配）1土的滲透性與滲透規(guī)律§2土的滲透性及水的滲流層狀地基的等效滲透系數(shù)ΔH=Δh/N:相鄰等勢線間的水頭損失土的滲透性及水的滲流§2.2

平面滲流與流網(wǎng)連續(xù)性條件達(dá)西定律Laplace方程描述滲流場內(nèi)部的測管水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程式之一

假定

kx=kz

水頭描述φ∝

h：勢函數(shù)與滲透系數(shù)無關(guān)等價(jià)于水頭一.平面滲流的基本方程及求解1.基本方程

§2土的滲透性及水的滲流

132§2土的滲透性及水的滲流§2.2平面滲流與流網(wǎng)連續(xù)性§2.2

平面滲流與流網(wǎng)1.基本方程流線描述一.平面滲流的基本方程及求解xzψψ+dψdq同一條流線上，流函數(shù)的值為常數(shù)，流線不能相交兩條流線流函數(shù)的差值等于其間通過的流量vxvzdz-dx(x,z)§2土的滲透性及水的滲流

133§2.2平面滲流與流網(wǎng)1.基本方程流線描述一.平面滲§2.2

平面滲流與流網(wǎng)一.平面滲流的基本方程及求解流線描述1.基本方程

Laplace方程1）勢函數(shù)和流函數(shù)均滿足拉普拉斯方程2）勢函數(shù)等值線和流函數(shù)等值線正交，任一點(diǎn)兩線的斜率互成負(fù)倒數(shù)3）勢函數(shù)和流函數(shù)為共軛調(diào)和函數(shù)，兩者完備地描述了一滲流場+d+dba§2土的滲透性及水的滲流

134§2.2平面滲流與流網(wǎng)一.平面滲流的基本方程及求解一.平面滲流的基本方程及求解2.求解方法

確定滲流場內(nèi)各點(diǎn)的測管水頭h的分布基本方程邊界條件定解條件§2.2

平面滲流與流網(wǎng)其它各量§2土的滲透性及水的滲流

135一.平面滲流的基本方程及求解2.求解方法確定滲流場一.平面滲流的基本方程及求解2.求解方法

邊界條件§2.2

平面滲流與流網(wǎng)透水層不透水層基坑板樁墻水頭邊界條件：首尾等水頭線12流速邊界條件：邊界流線3其它邊界條件：滲出面、自由水面1122§2土的滲透性及水的滲流

136一.平面滲流的基本方程及求解2.求解方法邊界條件§一.平面滲流的基本方程及求解2.求解方法

解析方法試驗(yàn)比擬方法（電比擬方法）數(shù)值方法圖解法流網(wǎng)——近似求解方法適用于邊界條件簡單的情況通解：兩個(gè)共軛調(diào)和函數(shù)勢函數(shù)Φ(x,z)流函數(shù)Ψ(x,z)等勢線流線相互正交邊界條件特定解差分法、有限元方法，精度高，應(yīng)用愈來愈廣泛利用滲流場和電場均服從Laplace方程這一特點(diǎn)，按一定比例制作模型，用電場中的等勢線和流線來模擬滲流場中的等勢線和流線，以達(dá)到確定滲流場中滲流要素的目的。理論基礎(chǔ)：解析法的結(jié)果§2.2

平面滲流與流網(wǎng)§2土的滲透性及水的滲流

137一.平面滲流的基本方程及求解2.求解方法解析方法試二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用流網(wǎng)——滲流場中的兩族相互正交曲線——等勢線和流線所形成的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。流線——水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡線。等勢線——測管水頭相同的點(diǎn)之連線。流網(wǎng)法——通過繪制流線與勢線的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇來求解滲流問題。H△h0§2.2

平面滲流與流網(wǎng)§2土的滲透性及水的滲流

138二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用流網(wǎng)——滲流場中的兩族相互正基本要求1.正交性：流線與等勢線（等水頭線）必須正交二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用H△h0lsls2.等間隔流線與等間隔等勢線形成的流網(wǎng)中，各個(gè)網(wǎng)格的長寬比c應(yīng)為常數(shù)。取c=1，即為曲邊正方形3.在邊界上滿足流場邊界條件要求，保證解的唯一性。§2.2

平面滲流與流網(wǎng)+d+dba通解數(shù)學(xué)描述幾何表示§2土的滲透性及水的滲流

139基本要求1.正交性：流線與等勢線（等水頭線）必須正交二.ABCDlsH△h00ls二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用繪制方法一個(gè)高精度的流網(wǎng)圖，需經(jīng)過多次的修改后才能完成。根據(jù)滲流場的邊界條件確定邊界流線和首尾等勢線正交性曲邊正方形初步繪制流網(wǎng)流線→等勢線→反復(fù)修改，調(diào)整精度較高的流網(wǎng)圖§2.2

平面滲流與流網(wǎng)工具：鉛筆＋橡皮§2土的滲透性及水的滲流

140ABCDlsH△h00ls二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用繪制方法主要特點(diǎn)與上下游水位變化無關(guān)Δh=const；與k無關(guān)；等勢線上各點(diǎn)測管水頭h相等。二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用H△h0lsls§2.2

平面滲流與流網(wǎng)§2土的滲透性及水的滲流

141主要特點(diǎn)與上下游水位變化無關(guān)Δh=const；二.流測管水頭

h實(shí)際應(yīng)用確定孔壓確定流速確定流量二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用水力坡降H△h0lsls§2.2

平面滲流與流網(wǎng)M:流道數(shù)ΔH=Δh/N:相鄰等勢線間的水頭損失§2土的滲透性及水的滲流

142測管水頭h實(shí)際應(yīng)用確定孔壓確定流速確定流量二Laplace方程（基本方程）連續(xù)性條件達(dá)西定律假定kx=kz流線方程水頭描述勢函數(shù)流線描述流函數(shù)共軛、正交理論基礎(chǔ)邊界條件小結(jié)§2.2

平面滲流與流網(wǎng)求解平面滲流的基本方程及求解流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用基本要求主要特點(diǎn)繪制方法§2土的滲透性及水的滲流

143Laplace方程