水文地質(zhì)工程應(yīng)用-滲流總結(jié)資料

水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用目錄11.1生物滲流............................................................................................................................11.2工程滲流............................................................................................................................21.3地下滲流............................................................................................................................22滲流理論的進(jìn)展...........................................................................................................................22.1滲流理論的創(chuàng)立階段........................................................................................................32.2滲流理論的發(fā)展階段........................................................................................................52.3現(xiàn)代滲流理論發(fā)展............................................................................................................63土體中的滲流...............................................................................................................................73.1土中滲流基本理論............................................................................................................73.1.1達(dá)西定律方程.........................................................................................................73.1.2穩(wěn)定滲流連續(xù)性方程.............................................................................................73.1.3定解條件.................................................................................................................93.1.4有效應(yīng)力原理及固結(jié)理論...................................................................................103.1.5土水勢理論...........................................................................................................113.2地下水對(duì)邊坡巖土體的作用效應(yīng)133.2.1水對(duì)巖土體產(chǎn)生的物理作用...............................................................................133.2.2水對(duì)巖土體產(chǎn)生的化學(xué)作用...............................................................................143.2.3水對(duì)巖土體產(chǎn)生的力學(xué)作用...............................................................................144滲流理論的應(yīng)用.........................................................................................................................164.1滲流理論在滑坡防治中的應(yīng)用......................................................................................164.2滲流理論在管涌防治中的應(yīng)用......................................................................................1718參考文獻(xiàn).........................................................................................................................................201水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用滲流理論分析及其應(yīng)用引言液體在土孔隙或其它透水性介質(zhì)中流動(dòng)的問題稱為滲流[1]。滲流是研究流體在多孔介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。滲流理論的起源可以追溯到1856年，法國工程師達(dá)西提出的滲流線性定律。在那以后，滲流作為一門獨(dú)立的學(xué)科開始被人們了解。滲流一詞在我國出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代初期在此之前，人們將滲流稱之為“濾流”、“滲濾”等。20世紀(jì)60年代初中國科學(xué)院擬在蘭州組建滲流力學(xué)方面的研究機(jī)構(gòu)。初期設(shè)立在蘭州地質(zhì)所，曾稱為“地下水動(dòng)力學(xué)研究室”1963年該室科研人員經(jīng)過討論建議改為“滲流力學(xué)室”。從此，滲流一詞也開始進(jìn)入人們視野。流體所通過的孔隙介質(zhì)具有極其復(fù)雜的連通形式和孔隙結(jié)構(gòu)、各種不同的表面性質(zhì)以及很大的比面等特點(diǎn)，而流體流過孔隙介質(zhì)時(shí)受到很大的流動(dòng)阻力，顯著的表面力以及一些在流動(dòng)過程中發(fā)生的物理化學(xué)現(xiàn)象等因素的影響，這些特點(diǎn)使?jié)B流與一般的流體力學(xué)明顯地區(qū)別開來[2]。滲流是流體力學(xué)和多孔介質(zhì)理論、表面理論、物理化學(xué)固體力學(xué)、地球物理、土壤學(xué)、巖土力學(xué)、生物學(xué)、生理學(xué)等相互滲透的一個(gè)交叉學(xué)科 [3-4]。按滲流存[3]在的位置不同，可以將滲流分為地下滲流、工程滲流、生物滲流1.1生物滲流生物滲流是指動(dòng)植物體內(nèi)的流體流動(dòng)，是流體力學(xué)與生物學(xué)、生理學(xué)交叉而發(fā)展起來的，大致可分為動(dòng)物體內(nèi)的滲流和植物體內(nèi)的滲流。關(guān)于動(dòng)物體內(nèi)的滲流，通過碎生物臟器管道系統(tǒng)的鑄型標(biāo)本進(jìn)行微觀和宏觀研究表明：對(duì)四類生物臟器的八種微細(xì)管道系統(tǒng)屬于多孔介質(zhì)[5]。它們是腎的血管系統(tǒng)和泌尿管道系統(tǒng)；肺的血管系統(tǒng)和肺泡-微細(xì)支氣管系統(tǒng)；肝的血管系統(tǒng)、竇周圍間隙系統(tǒng)和膽小管系統(tǒng)；以及心的血管系統(tǒng)。對(duì)其中的孔徑和比而進(jìn)行了研究，論證了這七類微細(xì)管道系統(tǒng)均屬多孔介質(zhì)，因而其中的流體運(yùn)動(dòng)確屬滲流，其流動(dòng)力學(xué)可作為滲流力學(xué)進(jìn)行研究。對(duì)于植物來說，其根、莖、葉也多是多孔介質(zhì)，植物體內(nèi)水分、糖分和氣體1水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用運(yùn)輸過程均屬于生物滲流。1.2工程滲流工程滲流是指各種人造多孔材料和工程裝置中的流體滲流。 在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)部門的諸多工程技術(shù)中廣泛使用各種類型的人造多孔材料， 出現(xiàn)各式各樣的多孔體技術(shù)。工程滲流涉及化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)、建筑業(yè)、環(huán)境保護(hù)、原子能工業(yè)以及輕工食品等領(lǐng)域?；瘜W(xué)工業(yè)中有很多滲濾過程。如過濾、洗滌、濃縮和分離。冶金和陶瓷工業(yè)中也有很多滲流問題。 圖煉銅工藝中細(xì)菌煉銅和第底吹氬氣；禁書溶液在鑄造砂型中的傳熱傳質(zhì)； 耐火材料、陶瓷和金屬陶瓷等人造多孔材料的物理化學(xué)性質(zhì)都與滲流過程有關(guān)。建筑業(yè)所用的磚石、混凝土、土材、和粘土等中水汽滲流影響他們的應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系。環(huán)保技術(shù)中的污水處理、海水淡化、原子能工業(yè)中清除放射性粒子和工業(yè)廢液等亦已進(jìn)行了滲流研究。 航空、航天工業(yè)中使用多孔材料一直受到重視，發(fā)汗冷卻技術(shù)就是其中一例。1.3地下滲流和水文地質(zhì)研究有直接關(guān)系的是地下滲流，地下滲流是指土壤、巖石和地表堆積物中流體的滲流。它包含地下流體資源開發(fā)、地球物理滲流以及地下工程滲流幾個(gè)部分。地下流體資源包括石油、天然氣、、煤氣層、地下水、地?zé)帷⒌叵蔓}等等。與此相關(guān)的除了能源工業(yè)外還設(shè)計(jì)農(nóng)田水利、土壤改良和排灌工程、地下污水處理、水庫水對(duì)周圍地區(qū)的；影響和誘發(fā)地震、底面沉降控制等；地球物理滲流是指流體力學(xué)和地球物理交叉結(jié)合而出現(xiàn)的滲流問題；地下工程問題與與地下滲流密切相關(guān)。如地下儲(chǔ)氣庫工程，地下國防工程、水工建筑、鈾礦等資源的地下瀝取及核廢料的處理等。滲流理論的進(jìn)展時(shí)至今日，經(jīng)過一百多年的發(fā)展。由幾代科學(xué)家的辛勤耕耘， 滲流理論經(jīng)過了創(chuàng)立階段、發(fā)展階段、現(xiàn)代滲流理論形成的輝煌道路。 現(xiàn)代滲流理論與經(jīng)典滲流理論相比，不論是研究內(nèi)容考慮因素、實(shí)驗(yàn)手段及其與其他學(xué)科交叉滲透的程2水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用度，在理論的深度和應(yīng)用的廣度方面，都有很大的發(fā)展。中國學(xué)者在 20世紀(jì)50年代中期有滲流方面的論文發(fā)表 [6-11]。1963年中國科學(xué)院蘭州地質(zhì)所出版《滲流力學(xué)集刊-1》，1964年出版《滲流力學(xué)集刊-2》。中國關(guān)于滲流方面的研究起步較晚，但我國在滲流方面的發(fā)展是迅速的。從《滲流力學(xué)集刊》中所涉及的研究內(nèi)容以及研究深度來看。可以說與當(dāng)時(shí)世界地下滲流是發(fā)展水平是相當(dāng)?shù)摹?.1滲流理論的創(chuàng)立階段1856年達(dá)西在解決法國第戎城的城市供水問題過程中，通過大量試驗(yàn)研究得出砂土類孔隙介質(zhì)的滲流能量損失與滲流速度之間呈線性正比關(guān)系，總結(jié)出了著名的達(dá)西定律即：Qkfh(2-1)L式中：Q為單位時(shí)間滲流量，f為過水?dāng)嗝婷娣e，h為總水頭損失，L為滲流路徑長度，k為滲透系數(shù)。達(dá)西滲流的形式通常表示為一條過原點(diǎn)的直線，即流速與壓力梯度為線性關(guān)系。多年來基于達(dá)西定律建立的經(jīng)典滲流理論逐步發(fā)展完善。人們一直沿用這一著名的公式作為水力滲流的基本規(guī)律，它被廣泛地運(yùn)用于工程技術(shù)領(lǐng)域如水利工程、油氣田開發(fā)工程、土木工程等。1863年，法國水利工程師Dupuit以達(dá)西定律為基礎(chǔ)，研究了一維穩(wěn)態(tài)滲流問題，并且得到了圓形水層中心一口完善井的穩(wěn)定流動(dòng)產(chǎn)水量公式。Dupuit穩(wěn)定潛水井流方程[12]：h02hw21.3666Kh02hw2(2-2)QπK㏒R㏑Rrwrw式中：Q為抽水流量；h0為含水層外邊界處水位（從隔水底板算起）或滲流厚度；hw為井中水位（從隔水底板算起）；R為圓柱形含水層的半徑（圓島半徑）；rw為井的半徑；K為含水層滲透系數(shù)。Dupuit穩(wěn)定承壓井流方程[12]：3水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用Q2πT(H0Hw)2.73Tsw(2-3)㏑R㏒Rrwrw式中：Q為抽水井涌水量；H0為圓柱形含水層外側(cè)水頭； Hw為抽水井中的水頭；R為圓柱形含水層的半徑； rw為井的半徑；K為含水層滲透系數(shù)。1889年，俄國數(shù)學(xué)力學(xué)家茹科夫斯基導(dǎo)出穩(wěn)態(tài)滲流偏微分方程。 現(xiàn)在一般將[13]穩(wěn)態(tài)滲流分為線性系統(tǒng)、徑向系統(tǒng)、球形系統(tǒng)三種情況考慮 ：2p0(2-4)x2徑向系統(tǒng)：2p1p(2-5)x2r0x球形系統(tǒng)：2p2p(2-6)x2r0x式中：p為某一點(diǎn)壓力；r為引入極坐標(biāo)后半徑rx2y2（徑向系統(tǒng)中）；rx2y2z2（球形系統(tǒng)中）。1901年，法國學(xué)者Forchheimer研究了非線性滲流問題，給出了壓力梯度與流量之間著名的Forchheimer二項(xiàng)式[12]：Javbv2(2-7)式中：J為水力坡度；v滲透流速；a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（由試驗(yàn)確定）。1904年，法國人Boussinesq導(dǎo)出了潛水流動(dòng)的Boussinesq微分方程[12]：(Kh h)Wμh (2-8)dx x t式中：W為潛水面處單位水平面積，單位時(shí)間的入滲 /蒸發(fā)量；μ為重力給d水度；K為含水層滲透系數(shù)； h表示含水層x點(diǎn)與x x點(diǎn)之間水頭，是關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)。1922-1930年，蘇聯(lián)學(xué)者巴甫洛夫斯基首先提出用雷諾數(shù)（雷諾數(shù)是流體力4水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用學(xué)中表征粘性影響的相似準(zhǔn)則數(shù)，記作 Re：Re=ρvL/μ(2-9)式中：ρ，μ為流體密度和動(dòng)力粘度， v，L為流場的特征速度和特征長度作為達(dá)西定律應(yīng)用判斷準(zhǔn)則，并創(chuàng)立了水電相似模擬方法，也稱愛格達(dá)法 [14]。1928年，Meinzer指出含水層和水可以壓縮并具有彈性能。20世紀(jì)30年代，地下不定常滲流理論萌生， Huskat、Muskat和列賓宗等人做了較多的前期工作，不定常滲流理論的產(chǎn)生標(biāo)志著滲流理論的發(fā)展成型。2.2滲流理論的發(fā)展階段1942年，Buckley和Leverett提出了水驅(qū)油非活塞式兩相驅(qū)替理論；并得到Buckley-Leverett方程[16]：dxqdfw(Sw)(2-10)dtswAdSw式中：q為同一時(shí)刻通過兩相區(qū)任意截面上的油水總量；為地層孔隙度；A為地層截面積；fw為含水率，是含水飽和度Sw的單值函數(shù)；Sw為水相飽和度。1942-1945年，蘇聯(lián)院士科欽娜完成了 Blozmann變換方法求解點(diǎn)源不定常滲流問題。1946年，蘇聯(lián)學(xué)者謝爾加喬夫發(fā)表了彈性液體在可壓縮多孔介質(zhì)中的滲流理論。1949年，vanEverdingen和Hurst采用Laplace變換方法求解圓形油藏水侵問題的不定常滲流控制方程。1960年，Barenblatt提出了雙重介質(zhì)滲流的數(shù)學(xué)模型，揭開了多重介質(zhì)滲流理論研究的序幕[17]。5水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用圖2-1Barenblatt雙重介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型1963年，Warren和Root在Barenblatt滲流模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡化和發(fā)展， 提出了經(jīng)典的雙重介質(zhì)模型，在該模型中基質(zhì)被三組相互垂直的裂縫所切割，成為蜂窩狀的地質(zhì)塊體[15]，并給出了點(diǎn)源近似解：圖2-2Warren-Root雙重介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型20世紀(jì)40年代末至70年代初，地下不定常滲流的基礎(chǔ)理論得到全面發(fā)展及初步應(yīng)用。20世紀(jì)70年代初至80年代中期，數(shù)學(xué)理論在數(shù)學(xué)建模、計(jì)算模擬、應(yīng)用方法等方面取得了顯著成就。20世紀(jì)70年代初至80年代末，電子計(jì)算機(jī)和高精度測量儀器的發(fā)展、 應(yīng)用數(shù)學(xué)的發(fā)展、能源開發(fā)中某些工程領(lǐng)域的發(fā)展都促進(jìn)了地下滲流的發(fā)展和繁榮。20世紀(jì)80年代中期至90年代以來，滲流的發(fā)展走向多元化，如水平井三維滲流理論研究的深入、分型理論應(yīng)用于多孔介質(zhì)描述和不穩(wěn)定滲流過程、 精細(xì)地質(zhì)建模和油藏?cái)?shù)值模擬的結(jié)合等。2.3現(xiàn)代滲流理論發(fā)展6水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用近年來，由于生產(chǎn)技術(shù)的迅猛發(fā)展，建立在達(dá)西定律基礎(chǔ)上的古典滲流理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能解決一些迫切而復(fù)雜的新問題， 同時(shí)古典滲流理論在定量計(jì)算中也與實(shí)際情況有很大誤差，因此近幾十年來陸續(xù)提出了新的理論和方法， 將傳統(tǒng)的滲流理論與新興科學(xué)融合起來，加速了滲流理論現(xiàn)代化進(jìn)程。滲流應(yīng)用范圍也日益寬廣?，F(xiàn)代滲流發(fā)展主要在非牛頓流體方向[18-19]；非連續(xù)介質(zhì)方向[20]；物理化學(xué)滲流[16,19]；微觀滲流[21-29]；流固耦合[30-38]等方向發(fā)展。地下水滲流3.1地下水滲流基本理論3.1.1達(dá)西定律方程1856年達(dá)西通過大量試驗(yàn)研究得出砂土類孔隙介質(zhì)的滲流能量損失與滲流速度之間呈線性正比關(guān)系，總結(jié)出了著名的達(dá)西定律即：vkh(3-1)L式中：h為總水頭損失，L為滲流路徑長度，k為滲透系數(shù)。3.1.2穩(wěn)定滲流連續(xù)性方程滲流的連續(xù)性方程可以根據(jù)不可壓縮流體的質(zhì)量守恒原理加以證明 [39]，在滲流場中某一單元內(nèi)水的質(zhì)量增減速率等于單元體內(nèi)水的質(zhì)量隨時(shí)間的變化速率。以圖3-1為例[40]。7水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用圖3-1 三維滲流單元體模型單元體的變長為dx、dy、dz，沿坐標(biāo)軸方向的滲流速度分量為 vx、vy、vz，設(shè)流體密度為 ρ，通過x軸方向進(jìn)入單元的水體質(zhì)量速率為 ρvdydz，流出單元xρv體的水體質(zhì)量速率為 ρv xdx dydz，則x軸方向的流入與流出的質(zhì)量的速xx率之差為：ρv(3-2)xdxdydzx同理可得沿y軸和沿z軸的質(zhì)量的速率之差為：ρv(3-3)ydxdydzyρv(3-4)zdxdydzz最后得到流體流入和流出質(zhì)量速率之差，即水體的質(zhì)量積累速率：ρvρvρv(3-5)xyzdxdydzxz根據(jù)質(zhì)量守恒原理，它等于單元體內(nèi)水的質(zhì)量改變速率，即：8水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用ρvxρvρvzdxdydz(ρndxdydz)(3-6)yxyzt式中：(ρndxdydz)nρVρVnnVρ；n為土體空隙率；Vdxdydz。tttt這三項(xiàng)分別表示土體骨架顆粒、 空隙體積及流體密度改變率。前兩項(xiàng)是土顆粒有效應(yīng)力的表現(xiàn)，第三項(xiàng)是流體產(chǎn)生的壓力。假設(shè)土和水都是不可壓縮時(shí)，上式可簡化為：vxvyvz0(3-7)xyz上式為不可壓縮流體滲流時(shí)的連續(xù)性方程。說明在任意時(shí)刻的單位流速的改變率的代數(shù)和為零，單元體在一個(gè)方向的改變必須與其他方向的改變想平衡。將達(dá)西定律：vxkxhxvykyh(3-8)yvzkzhz帶入式（3-7）中，則得到穩(wěn)定滲流的連續(xù)性方程：(kxh)y(kyh)z(kzh)0(3-9)xxyz式中：k為滲透系數(shù)；h為水頭。對(duì)于自由面變動(dòng)的非穩(wěn)定滲流， 不考慮土體和水的壓縮性，所得出的方程與穩(wěn)定滲流方程完全相同，但是考慮自由面發(fā)生改變的邊界條件求解出來的水頭h的分布是空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，而穩(wěn)定滲流方程式求解的只是空間坐標(biāo)的函數(shù)。3.1.3定解條件滲流的發(fā)生都是在某一特定的流場中， 滲流方程的定解條件即邊界條件和初始條件，通常這些條件是由觀測和實(shí)驗(yàn)所確定。 滲流的微分方程和給出的定解條件能清楚地描述流場而形成滲流網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型。一般存在兩類邊界條件：第一類邊界條件：9水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用這類邊界條件也被稱為水頭邊界條件，在這類邊界上，所有水頭都是已知的，是最常見的情況。在自由水面上，水頭等于垂直坐標(biāo)，即 h=z，屬于這一類邊界條件。這類水頭邊界條件可表述為：h1H1(x,y,z,t)(3-10)式中： 1為已知水頭邊界的集合。第二類邊界條件：這類邊界也稱為流量邊界條件，這類邊界條件上的流量是已知的，這類邊界條件可表述為：kh2vn(3-11)n式中：2為已知流速邊界的集合，在自由水位面上，對(duì)于穩(wěn)定滲流，它也是一條流線kh20，所以自由水位面滿足兩類邊界條件。n3.1.4有效應(yīng)力原理及固結(jié)理論1923年由Terzaghi在研究土力學(xué)時(shí)提出了有效應(yīng)力的概念，即土中某點(diǎn)總應(yīng)力等于該點(diǎn)有效應(yīng)力與空隙壓力 （包括空隙水壓力與空隙氣壓力） 之和。并提出只有有效應(yīng)力才是控制土體體積與強(qiáng)度兩者變化的土中應(yīng)力。之后又在此基礎(chǔ)上提出了關(guān)于飽和土體的固結(jié)理論，將土的本構(gòu)方程和滲流定律結(jié)合起來，通過土體壓縮系數(shù)指標(biāo)及土的本構(gòu)方程描述應(yīng)力變化與土體變形間的關(guān)系：2uu(3-12)cvtz2式中：c為土的豎向固結(jié)系數(shù)； u為單元體中的超孔隙水壓力， u hγ。v w但Terzaghi固結(jié)方程沒有計(jì)入水平向的孔隙壓力消散，所獲結(jié)果也只是近似的。接著1954年，Biot以飽和土體的全應(yīng)力和孔隙壓力為狀態(tài)變量，將Terzaghi的工作推廣，得出三維固結(jié)理論：10水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用G2usGx(usvsws)u012vxyzxG2vsGx(usvsws)u012vxyzy(3-13)2sGusvswsu'Gw(12vxy)zxz(usvsws)k2u0txyzγw式中：G為剪切模量；v為泊松比；2222；us，vs，ws分x2y2z2別為x，y，z方向的位移；k為滲透系數(shù)； w為水的重度；u為超靜水壓力；u、x、u分別為x、y、z方向上的滲透力。yz該理論能夠很好的考慮孔隙水壓力的消散和骨架變形間的相互關(guān)系，成為孔隙介質(zhì)與流體耦合作用理論研究基礎(chǔ)—Biot理論[30-31]，該理論考慮了孔隙水滲流對(duì)多孔介質(zhì)土體變形的耦合作用。3.1.5土水勢理論土水勢是衡量土中水能量的重要指標(biāo)，是在巖土和地下水的平衡系統(tǒng)中，單位數(shù)量的水在恒溫條件下，移動(dòng)到參照狀況的純自由水體所能做的功。參照狀況一般使用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，即在大氣壓下，與土中的水具有相同溫度的情況下或某一特定溫度下，在某一固定高度的假想純自由水體。在飽和帶中，土水勢大于參照狀態(tài)的水勢；在非飽和帶中、地下水受毛細(xì)作用和吸附力的限制，土水勢低于參照狀態(tài)的水勢[41]。土水勢由若干分勢組成，包括重力勢、壓力勢、基質(zhì)勢、溶質(zhì)勢、荷載勢等。因此，土水勢可表示如下：ψψgψψψpψ......(3-14)mθΩ式中：ψ為土水勢，即土中水的總勢能；ψ為重力勢；ψ為基質(zhì)勢；ψ為gmθ溶質(zhì)勢；ψp為壓力勢；ψΩ為荷載勢。在不同條件下水土勢由各不同的分量組成 [39]。采用的單位不同，可以有三11水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用種表示方法[42]。如果是單位質(zhì)量水的能量，可表示為 KN m也即是焦耳：ψmghgh(3-15)m式中：m為水的質(zhì)量；g為重力加速度；h為水對(duì)位置相對(duì)于參照面的高度。如果是單位體積水的能量，可表示為KPa：mghρgh(3-16)ψwv式中：v為水的容積；ρ為水的密度。w如果是單位重量水的能量則可表示為 m：ψmghh(3-17)mg下面將水土勢均以單位質(zhì)量水的能量表示。1）重力勢：ψ zγ (3-18)g w式中：z為相對(duì)于某基準(zhǔn)面的豎向距離， 在基準(zhǔn)面上取正值，在之下取負(fù)值；γ為水的容重。w2）壓力勢：它由水受到的壓力所決定，又可分為靜水壓力勢、滲流壓力勢、超靜水壓力勢也稱為荷載勢（在荷載勢中單獨(dú)說明）。某點(diǎn)的壓力勢能可以與改點(diǎn)連通的測壓管中水位確定。ψ hγ (3-19)p w式中：h為測壓管高度。3）基質(zhì)勢：基質(zhì)勢又稱為廣義毛細(xì)勢，主要是由氣水界面的收縮膜，即表面張力引起的。較干燥的固體顆粒與自由水接觸時(shí)，將吸引自由水到干土中來，說明較干的土有較低的土水勢。平衡狀態(tài)時(shí)土體內(nèi)不同高度處的含水量是不同的，不同含水量的非飽和土對(duì)應(yīng)不同的基質(zhì)勢。基質(zhì)勢是一種負(fù)壓力勢。并且只存在于非飽和土中。ψ hγ (3-20)m w式中：h為某點(diǎn)到潛水面的高度。12水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用4）溶質(zhì)勢：溶質(zhì)勢是指可溶鹽溶于地下水產(chǎn)生的“溶液”與純水之間存在的勢能差，純水的溶質(zhì)勢為零，土中水的溶質(zhì)勢為負(fù)值。溶質(zhì)勢可以理解為溶質(zhì)吸力，其大小相當(dāng)于物理化學(xué)中溶液作用于半透膜上的滲透壓， 但符號(hào)相反。當(dāng)不存在半透膜時(shí)，這一現(xiàn)象并不影響整個(gè)土中水的流動(dòng)， 一般可以不考慮溶質(zhì)勢。5）荷載勢：荷載勢是由外加荷載或土的自重作用引起的。土體在外加荷載或自重作用下，土體顆粒將發(fā)生位移，使孔隙水產(chǎn)生附加孔隙水壓力，這種壓力就是荷載勢。它相當(dāng)于欠固結(jié)飽和土體的自重壓力及正常固結(jié)土在荷載作用下引起的超靜孔隙水壓力。在不同場合，土水勢各分量的組合是不一樣的。例如，對(duì)飽和土體來講，總土水勢應(yīng)包括重力勢、壓力勢、荷載勢、溶質(zhì)勢；對(duì)于滲透固結(jié)問題，因地下水面以下的飽和土體中ψg ψp為常數(shù)，不隨時(shí)間和位置而變（設(shè)水位不變） ，而由荷載或自重引起的荷載勢 ψΩ，則隨時(shí)間和空間而變，固結(jié)計(jì)算就是計(jì)算荷載勢的變化過程。3.2地下水對(duì)邊坡巖土體的作用效應(yīng)3.2.1水對(duì)巖土體產(chǎn)生的物理作用地下水對(duì)巖土體的物理作用，包括潤滑作用、軟化和滲透作用、結(jié)合水的強(qiáng)化作用等。潤滑作用使不連續(xù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造面上（如未固結(jié)的沉積物及土壤的顆粒表面或堅(jiān)硬巖石中的裂隙面、節(jié)理面和斷層面等）的摩阻力減小和作用在不連續(xù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造面上的剪應(yīng)力效應(yīng)增強(qiáng)，結(jié)果沿不連續(xù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造面誘發(fā)巖土體的剪切運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過程在斜坡受降雨入滲使得地下水位線上升到滑動(dòng)面以上時(shí)體現(xiàn)的尤其顯著。地下水對(duì)巖土體產(chǎn)生的潤滑作用反映在力學(xué)上，就是使巖土體的摩擦角減小，摩阻力減小。地下水對(duì)巖土體的軟化作用表現(xiàn)在對(duì)巖土體和巖體結(jié)構(gòu)面中親水性充填物的物理性狀的改變上，土體和巖體結(jié)構(gòu)面中充填物隨含水量的變化，發(fā)生由固態(tài)向塑態(tài)直至液態(tài)的軟化效應(yīng)。一般在斷層帶易發(fā)生泥化現(xiàn)象，大多數(shù)滑坡的滑帶土物質(zhì)屬于一些親水性的粘土或泥狀物質(zhì)，遇水易于軟化，是導(dǎo)致滑坡發(fā)生的直接誘因。軟化作用使巖土體的力學(xué)性能大大降低，內(nèi)聚力和摩擦角值減小。結(jié)合水的強(qiáng)化作用。對(duì)于包氣帶土體來說，由于土體處于非飽和狀態(tài)， 其中13水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用的地下水處于負(fù)壓狀態(tài)，此時(shí)的土壤中的地下水不是重力水，而是結(jié)合水，按照有效應(yīng)力原理，非飽和土體中的有效應(yīng)力大于土體的總應(yīng)力，地下水的作用是強(qiáng)化了土體的力學(xué)性能，即增加了土體的強(qiáng)度。當(dāng)土體中無水時(shí)，包氣帶的砂土孔隙全被空氣充填，空氣的壓力為正，此時(shí)砂土的有效應(yīng)力小于其總應(yīng)力，因而是一盤散沙，當(dāng)加入適量水后砂土的強(qiáng)度迅速提高。當(dāng)包氣帶土體中出現(xiàn)重力水時(shí)水的作用就變成了（潤滑土粒和軟化土體）弱化土體的作用。3.2.2水對(duì)巖土體產(chǎn)生的化學(xué)作用水通過溶解巖土體的礦物成分、膠結(jié)物或使某些成分結(jié)晶、沉淀，導(dǎo)致土的孔隙率、土顆粒的排列方式等微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，改變其結(jié)構(gòu)特性而影響巖土體的力學(xué)性能[6]。受水化學(xué)作用后，巖土體物理力學(xué)特征的變化較為復(fù)雜，即使是堅(jiān)硬致密的弱風(fēng)化基巖，也不可避免地存在著大量微裂隙，水化學(xué)溶解長期在裂隙中與礦物顆?；蚓w發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使原礦物分解并生成一些新的礦物，而某些新生礦物具有高度的分散性，這種作用逐漸地降低了巖土體的強(qiáng)度。以往，人們對(duì)水土的相互作用多集中在物理力學(xué)方面，近年來，一些地區(qū)發(fā)生地基下陷，地基土變黑軟化，巖溶地區(qū)塌陷等環(huán)境地質(zhì)效應(yīng)等問題的突出，水土化學(xué)作用對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)的影響日漸為眾多學(xué)者所重視。3.2.3水對(duì)巖土體產(chǎn)生的力學(xué)作用在粘性土坡的坡頂附近，可能因土的收縮及張力作用而發(fā)生裂縫。 地表水滲入裂縫后，將產(chǎn)生靜水壓力，它是促使土坡滑動(dòng)的作用力， 對(duì)土坡的穩(wěn)定是不利的；由于雨水滲入，河水水位上漲或水庫蓄水等原因，地下水位抬高，使邊坡不透水的結(jié)構(gòu)面上受到靜水壓力作用， 它垂直于結(jié)構(gòu)面而作用在坡體上， 削弱了該面上所受滑體重量產(chǎn)生的法向應(yīng)力， 從而降低了抗滑阻力。在基坑土坡中采用明排水或堤岸內(nèi)的水位急劇下降。 土坡內(nèi)的水將向外滲流；水在多孔介質(zhì)的孔隙中流動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生浮托力等作用力，浮托力與重力的方向相反， 引起巖土體的有效重量減少，使總的抗滑力減小，從而引發(fā)邊坡失穩(wěn)，運(yùn)動(dòng)方向朝向臨空面。這些都是不利條件。1）靜水壓力效應(yīng)：當(dāng)降雨入滲使巖土空隙為重力水飽和時(shí)，水對(duì)固體骨架產(chǎn)生一種正應(yīng)力，其矢量指向空隙壁面，此即空隙水壓力，在土體中則為孔隙水14水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用壓力，統(tǒng)稱為靜水壓力。由于重力水服從靜水壓力分布規(guī)律， 即空隙水壓力值由水頭決定，地下某點(diǎn)空隙靜水壓力。地下某點(diǎn)空隙靜水壓力如下：pwρghrh(3-21)ww式中：ρ為水的密度；g為重力加速度；h為水頭高度；rw為水的重度。w2）動(dòng)水壓力效應(yīng)：地下水在孔隙中滲流時(shí)，會(huì)對(duì)周圍骨架產(chǎn)生滲透壓力 (或動(dòng)水壓力)，如果其滲透壓力矢量方向指向坡外，則將降低坡體上巖土體的穩(wěn)定性，極可能誘發(fā)滑坡。滲流作用在土骨架上的力就是滲透所遇阻力的反作用力，其作用方向與滲流方向一致，故有拖拽土體或土粒向滲流方向前進(jìn)的趨勢。 因而單位體積土體所受的滲透力即為滲透壓力：dhρgIfρwg(3-22)w式中：dhdLI為水力坡度。dL由于w1g/cm3，所以滲透壓力大小取決于水力梯度的大小。滲透壓力普遍作用于滲流場中的所有土粒上， 它由孔隙水壓力轉(zhuǎn)化而來，即滲透水流的外力轉(zhuǎn)化為均勻分布的內(nèi)力或體積力。水力梯度越大，則滲透壓力(或動(dòng)水壓力)越大。3）浮托力：庫水浸沒滑體形成的孔隙水壓力或地下水入滲滑體下基巖承壓含水層對(duì)巖土骨架起浮托作用， 使得地下水對(duì)上覆滑體產(chǎn)生頂托作用或 “懸浮減重”，從而消減了通過骨架起作用的有效應(yīng)力，其關(guān)系式為：'(3-23)σσpw'式中：σ為有效應(yīng)力；σ為總應(yīng)力。4）增重效應(yīng)：在結(jié)構(gòu)松散、透水性好的土體中。大氣降雨補(bǔ)給入滲土體。導(dǎo)致土體飽水，增加土體自重。增重效應(yīng)若發(fā)生在滑體中，將增大滑坡下滑力，使坡體穩(wěn)定性變差。在適當(dāng)?shù)男逼缕露认禄掳l(fā)生滑動(dòng)。 在西南中低山山區(qū)，基巖產(chǎn)狀25°~35°，坡體為碎塊石土等透水性較強(qiáng)的物質(zhì)，且覆蓋層相對(duì)較厚，利于飽水，滑動(dòng)面為基巖與上覆滑坡體接觸面，發(fā)生滑坡的可能性極大。5）土體飽水軟化效應(yīng)：土體在地下水的浸泡作用下，粘性土中蒙脫石、綠泥石含量高，其吸附水膜厚度顯著增大，從而使土飽水。當(dāng)總應(yīng)力一定時(shí)，孔隙水壓力增加，勢必相應(yīng)地減少有效應(yīng)力。 將影響巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。 孔隙水壓15水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用力對(duì)巖土體強(qiáng)度的影響，可以用莫爾 -庫侖破壞準(zhǔn)則反應(yīng)：τf (σp)tan ' c' (3-24)式中： f為抗剪強(qiáng)度； 為總應(yīng)力；p為空隙水壓力； '為土的有效內(nèi)摩擦角，充水將導(dǎo)致有效內(nèi)摩擦角減小； c'為有效粘聚力。滲流理論的應(yīng)用4.1滲流理論在滑坡防治中的應(yīng)用滑坡是一種多發(fā)常見的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。邊坡穩(wěn)定受到外界多種因素的影響，內(nèi)部受力狀態(tài)發(fā)生改變，受力不再平衡，促使不穩(wěn)定體沿著一定的相對(duì)軟弱面向下滑動(dòng)的不良地質(zhì)現(xiàn)象為滑坡。統(tǒng)計(jì)表明，我國有新老滑坡約30萬處，其中災(zāi)害性滑坡約1.5萬處。水利、地質(zhì)礦山、道路橋梁等工程領(lǐng)域都存在著邊坡穩(wěn)定性問題，我國每年因滑坡造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)100億元以上，邊坡工程的研究對(duì)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著重要的影響。影響邊坡穩(wěn)定的多種影響因素不是單獨(dú)存在的，對(duì)于存在地下水等滲流問題的邊坡，滲流場與應(yīng)力場是同時(shí)存在，邊坡是在它們的耦合作用下發(fā)生變形而導(dǎo)致的失穩(wěn)。在現(xiàn)實(shí)中，滲流、路堤邊坡等的開挖、地震、庫水位的升降、暴雨及河流沖刷河岸等都有可能引起滑坡。一般地，邊坡坍塌和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，同坡體地下水滲流場動(dòng)態(tài)特征和變化規(guī)律具有密切關(guān)系，據(jù)以往的統(tǒng)計(jì)，由地下水導(dǎo)致的邊坡破壞占總的約有90%[50]。因此大氣降雨[44-46]及水庫蓄水等對(duì)地下水滲流場構(gòu)成大的影響事件，往往會(huì)引起一系列邊坡失穩(wěn)災(zāi)害，如福建省省道福三線雁石至白砂段共長約20公里，1998年底通車，1999年雨季(三、四月份)即有數(shù)十處邊坡坍塌及滑坡災(zāi)害，嚴(yán)重影響線路正常運(yùn)營并造成較大財(cái)產(chǎn)損失，被迫又進(jìn)行防滑加固等工程處理。水庫誘發(fā)的滑坡亦十分普遍，如1963年發(fā)生的意大利瓦依昂(Vaiont)水庫左岸大滑坡，舉世震驚。福建尤溪河上水庫蓄水和降落，造成庫岸多處新修公路部分坍滑入庫中，危及正常交通等。這些事例表明滲流場的變化對(duì)邊坡的穩(wěn)定具有嚴(yán)重作用和影響。對(duì)于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，必須先對(duì)邊坡滲流場的變化進(jìn)行充分的了解，在此基礎(chǔ)上，才能正確分析邊坡的穩(wěn)定狀況，為其16水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和治理工程措施的實(shí)施提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。習(xí)慣上滑坡計(jì)算中是以周邊表面上孔隙水壓力計(jì)算的垂直條分法。在計(jì)算中根據(jù)靜力學(xué)原理把滑動(dòng)土體分離成若干土條或單元的自由體，各自由體之間的內(nèi)力變成彼此相等的外力；當(dāng)各自由體累加合成整體時(shí)，還原的土條單元之間內(nèi)力互相抵消，可只考慮滑裂面上力的平衡?？墒菨B流的動(dòng)力作用在各單元自由體再累加集合起來并不能互相抵消。土力學(xué)家曾對(duì)土條單元之間的側(cè)壓力作了各種不同的假定；例如瑞典圓弧法不計(jì)土條間壓力，畢肖普法只考慮土條間水平壓力，江布法假設(shè)推力線法，莫根斯坦假定函數(shù)關(guān)系的側(cè)壓力法，司噴色假定常數(shù)比值側(cè)壓力法等。但經(jīng)過典型實(shí)例計(jì)算比較結(jié)果，其安全系數(shù)差別很小，最大差7%，一般差2%；可能就是土條間內(nèi)力基本上互相抵消的原因。同時(shí)如果考慮滲流不當(dāng)例如上述靜、動(dòng)水壓力問題，在某些滲流嚴(yán)重情況下。滑坡安全系數(shù)就會(huì)發(fā)生百分之幾十的誤差。但如果把邊界水壓力改為體積力的滲透力，自然就不存在這個(gè)邊界力誤差問題了。有鑒于此，毛昶熙[43]等提出了采用滲透力算法，將滲流力學(xué)理論在滑坡計(jì)算中應(yīng)用。這樣在滑動(dòng)面上求極限平衡即得出下面圓弧滑動(dòng)的安全系數(shù)公式為：R(cl'(Zcos'Xsin')tan')(4-1)(ZrsinX(2rcosRcos'))式中：X，Z為三角形單元的體積力（有效自重，滲透力及地震力）的水平和垂直分量；R為滑弧半徑；r為計(jì)算單元重心的半徑距；為其半徑距與鉛垂線所成的角度；'為單元正下方滑動(dòng)面上交點(diǎn)的半徑與鉛垂線所成的角度。滲流飽和區(qū)都取土體浮重，非飽和區(qū)取自然重，外水壓力不計(jì)。在多個(gè)實(shí)例中[47]也證明將滲透力算法應(yīng)用到滑坡分析中，計(jì)算滑坡穩(wěn)定系數(shù)是可靠合理的。4.2滲流理論在管涌防治中的應(yīng)用Terzaghi在1922年做板樁圍堰防滲砂模型試驗(yàn)時(shí)，把下游土體砂面被滲流水頭頂起浮動(dòng)的現(xiàn)象稱為管涌。隨后，它就代表著地基土的滲透變形總稱了 [48]，而且引導(dǎo)出滲流向上頂托土體破壞的滲流臨界坡降太沙基公式：Jc(s1)(1n)(4-2)17水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用式中：s為土粒比重；n為孔隙率。經(jīng)過前蘇聯(lián)學(xué)者研究，進(jìn)而把土的滲透變形類型區(qū)別為管涌、 流土、接觸沖刷和接觸流土4種，將管涌定義為細(xì)顆粒在滲流作用下沿著骨架顆粒孔隙道的移動(dòng)或流失，而流土定義為局部土體或顆粒群體被滲流沖動(dòng)流失， 這樣太沙基的管涌臨界坡降公式也就相當(dāng)于流土類型的破壞了。 我國在試驗(yàn)研究方面多把管涌與流土區(qū)別開來，在工程實(shí)際常把堤壩下游冒水涌砂現(xiàn)象統(tǒng)稱為管涌現(xiàn)象。毛昶熙等人提出滲流垂直向上的管涌臨界坡降的計(jì)算公式 [41,49]：7d54pf(1n)2Jc(4-3)df式中：df為填料粒徑；df1.3d85d15；pf為相應(yīng)于df的填料重量百分?jǐn)?shù)，要在土料級(jí)配曲線上查得；n為土料空隙率；因此，只要有了土料級(jí)配曲線和密實(shí)度或孔隙率，就可算出管涌的臨界坡降。此外，在應(yīng)用上式計(jì)算過程的同時(shí)，也就從括號(hào)中的判據(jù)確定了是否為管涌土，即4pf(1n)小于1時(shí)為管涌土，此時(shí)Jc計(jì)算值在0.1~0.6；大于1時(shí)為非管涌土，此時(shí)Jc計(jì)算值為0.6~0.9，其破壞形式將是局部流土，即局部土體浮動(dòng)隆起造成土面松動(dòng)裂縫而破壞。此時(shí)可取Terzaghi傳統(tǒng)理論公式計(jì)算 Jc 1，計(jì)算臨界坡降。對(duì)于滲流水平管涌的臨界坡降，毛昶熙提出采用 [49]：2(Jc)水平 （Jc）垂直 (4-4)3結(jié)語通過學(xué)習(xí)水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用這門課程，以及查閱相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，本文歸納了部分相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。土中水的滲流使大氣降水補(bǔ)給地下水或增加土壤含水量，是地球生命的源泉之一。同時(shí)也使寶貴的水資源得以儲(chǔ)存， 使大地充滿生機(jī)?？墒菨B流也會(huì)引發(fā)諸多嚴(yán)重的工程問題。 例如擋水和輸水建筑物及構(gòu)造物的滲漏問題；高層建筑深基坑的滲流問題； 采礦與石油工程中的滲流問題； 有毒生活和工業(yè)廢水的排放通過土的滲流引起的地下水污染的問題等。 這些諸多問題的18水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用產(chǎn)生說明了研究滲流理論的重要性， 同時(shí)這些問題也促進(jìn)了從微觀到宏觀， 從物理化學(xué)到力學(xué)，從理論分析到數(shù)值計(jì)算的對(duì)滲流問題的深入研究， 同時(shí)滲流理論的研究有為解決這些工程問題提供了行之有效的措施。 通過此次寫論文，讓我更加深入的理解了以上的知識(shí)點(diǎn)和相關(guān)的概念， 對(duì)水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用這門課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。19水文地質(zhì)理論及工程應(yīng)用參考文獻(xiàn)張克恭，劉松玉．土力學(xué)[M]．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．[2] 郭尚平，劉慈群，閻慶來，黃延章．滲流力學(xué)的近況和發(fā)展 [J]．力學(xué)與實(shí)踐， 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