第二章土中水的运动规律(确定).

土中水的运动规律第二章土体中的渗流土颗粒土中水渗流土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动水在土体孔隙中流动的现象称为渗流土具有被水等流体透过的性质称为土的渗透性§2.1概述第二章土中水的运动规律碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流水在土体孔隙中流动的现象渗透性土体被水透过的性能渗透特性强度特性变形特性能量差§2.1概述第二章土中水的运动规律渗漏(渗流量问题)因渗透而引起的水量损失，影响闸坝蓄水等经济效益。如：坝、围堰、水库、集水建筑物等。渗透稳定(渗透变形问题):土的稳定性受到渗流破坏，土体颗粒流失，关系工程成败。如：水工建筑物地基、挡水建筑物等。渗流控制问题：当渗流量或渗透变形不满足设计要求时，要研究如何采取工程措施进行渗流控制。土的渗透性研究主要包括以下三个方面渗流模型：1、不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；2、不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之和均为渗流所充满。§2.1概述第二章土中水的运动规律滑坡溃坝管涌§2.1概述渗流量渗透变形土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流第二章土中水的运动规律§2.1概述渗水压力渗流量渗透变形透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流第二章土中水的运动规律§2.1概述渗流量透水层不透水层天然水面水井渗流Q第二章土中水的运动规律§2.1概述渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流第二章土中水的运动规律§2.1概述渗流滑坡渗流滑坡第二章土中水的运动规律§2.1概述渗流量渗透变形渗水压力渗流滑坡土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网渗透力与渗透变形土坡稳定分析挡水建筑物集水建筑物引水结构物基坑等地下施工边坡渗流第二章土中水的运动规律水头与水力坡降土的渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素层状地基的等效渗透系数土的渗透性与渗透规律渗流的驱动能量反映渗流特点的定律土的渗透性一维渗流计算第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律位置水头：到基准面的竖直距离，代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能压力水头：水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能测管水头：测管水面到基准面的垂直距离，等于位置水头和压力水头之和，表示单位重量液体的总势能在静止液体中各点的测管水头相等位置、压力和测管水头zA00ABu0pawAuzBwBu基准面静水第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律水流动的驱动力水往低处流水往高处“跑”速度v压力u位置：使水流从位置势能高处流向位置势能低处流速：水具有的动能压力：水所具有的压力势能也可使水流发生流动第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律位置势能：mgzwumg压力势能：00基准面质量m压力u流速vzwu动能：2mv212wmv21umgmgzE总能量：2gvuzh2w称为总水头，是水流动的驱动力单位重量水流的能量：水流动的驱动力-水头第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律渗流中的水头与水力坡降ABL透水层不透水层基坑板桩墙渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基本方程：连续性方程、能量方程、动量方程第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律ABLhAzAwAu基准面g2vuzh2wwuzh总水头：单位重量水体所具有的能量位置水头Z：水体的位置势能（任选基准面）压力水头u/w：水体的压力势能（u孔隙水压力）流速水头V2/(2g)：水体的动能（对渗流多处于层流≈0）渗流的总水头：渗流问题的水头也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律wBBBuzh•A点总水头：水力坡降ABLhAhBzAwAuwBuzBΔh基准面水力坡降线wAAAuzh•B点总水头：•二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失BAhhh•水力坡降i：单位渗流长度上的水头损失Lhi第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律§2.2土的渗透试验和达西定律一．Darcy定律二．Darcy定律的适用范围三．渗透试验简介水在土中渗透的基本规律四．影响渗透系数的因素第二章土的渗透性五．层状地基的等效渗透系数h1h2L§2.2土的渗透试验和达西定律一.Darcy定律Darcy定律:在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比。ikVk:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力坡降i＝1时的渗流速度单位：mm/s,cm/s,m/s,m/dayLhhLhi21水力坡降：第二章土中水的运动规律nvvvs§2.2土的渗透试验和达西定律注意：AAvAAnvV：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度Vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度AAvQ＝VA＝VsA第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律二.达西定律适用条件上限：粗粒土vvcr①砾石类土中的渗流不符合达西定律②砂土中渗透速度vcr=0.3-0.5cm/s可以用粒径来描述Darcy定律的范围ivovcrivoi0层流（线性流）——大部分砂土，粉土；疏松的黏土及砂性较重的黏性土两种特例下限：黏性土(结合水膜的影响）致密的黏土ii0,v=k(i-i0))1m(kivm第二章土中水的运动规律室内试验测定方法野外试验测定方法§2.2土的渗透试验和达西定律常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验三.渗透试验简介第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律1.室内试验方法1—常水头试验法结果整理试验装置：如图试验条件:Δh，A，L=const量测变量:Q，t适用土类：透水性较大的砂性土qtQhtAQLkvAqLhiikV)/10(3scmk三.渗透试验简介第二章土中水的运动规律§2.1土的渗透试验和达西定律2.室内试验方法2—变水头试验法试验装置：如图试验条件:Δh变化，A，L=const，a量测变量:Δh，t透水性较小的黏性土常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土)/10(3scmk三.渗透试验简介土试料的透水量=测压管中水下降的体积第二章土中水的运动规律tt+Δt§2.2土的渗透试验和达西定律结果整理:理论依据:t时刻：ΔhΔtdh流入量：流出量：连续性条件：21lnhhAtaLk选择几组Δh1,Δh2,t，计算相应的k，取平均值adhdQAdtLhkkiAdtdQdQdQhkAaLdhdt2121hhtthkAaLdhdt2112lnhhkAaLtttAdtLhkadh三.渗透试验简介渗水量随h的减小而增加第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律常水头试验变水头试验条件已知测定算定取值Δh=constΔh变化Δh，A，LQ，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t21hhlnAtaLkhtAQLk3.室内试验方法不同时段试验，取均值适用粗粒土黏性土三.渗透试验简介第二章土中水的运动规律4.野外测定方法－抽水试验和注水试验法优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数§2.2土的渗透试验和达西定律地下水位≈测压管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层观察井A=2πrhi=dh/drdrdhkrh2AkiQkhdh2rdrQ)hh(krrlnQ212212212212hh)r/rln(Qk缺点：费用较高，耗时较长实验方法：理论依据：三.渗透试验简介第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律5.渗透系数的应用通过室内渗透试验（常水头、变水头）测定。渗透系数可用做判断透水强弱，选择坝体填筑土料。强透水层中等透水层相对不透水层K10-2cm/sK=10-3~10-5cm/sK10-6cm/s卵石、圆砾等用于填筑坝体的防渗部位。三.渗透试验简介第二章土中水的运动规律土的名称渗透系数（cm/s）致密黏土10-7粉质黏土10-6~10-7粉土、裂隙黏土10-4~10-6粉砂、细砂10-2~10-4中砂10-1~10-2粗砂、砾石102~10-1各种土的渗透系数参考值各种土的渗透系数及测定方法§2.2土的渗透试验和达西定律第二章土中水的运动规律影响因素粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构土粒特性、流体特性）(fk§2.2土的渗透试验和达西定律四.渗透系数的影响因素水的动力黏滞系数饱和度（含气量）—对k影响很大，封闭气泡第二章土中水的运动规律是土中孔隙直径大小的主要影响因素因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。因此，土的渗透系数常用有效粒径d10来表示，如哈臣公式：210dck土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律四.渗透系数的影响因素是单位土体中孔隙体积的直接度量对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数k之间的关系，如：)e1e(fk)e1e(fk)e(fk322土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律四.渗透系数的影响因素对黏性土，影响颗粒的表面力不同黏土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序为高岭石伊里石蒙脱石；当黏土中含有可交换的钠离子越多时，其渗透性将越低塑性指数Ip综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系数的参数土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律四.渗透系数的影响因素影响孔隙系统的构成和方向性，对黏性土影响更大在宏观构造上，天然沉积层状黏性土层，扁平状黏土颗粒常呈水平排列，常使k水平﹥k垂直在微观结构上，当孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律四.渗透系数的影响因素含水量wWop干容重dmax1含水量w渗透系数k絮状结构分散结构土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律四.渗透系数的影响因素水的动力粘滞系数：温度，水粘滞性，k饱和度（含气量）：封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道土的性质水的性质•粒径大小及级配•孔隙比•矿物成分•结构第二章土中水的运动规律§2.2土的渗透试验和达西定律四.渗透系数的影响因素等效渗透系数确立各层的ki根据渗流方向确定等效渗流系数§2.2土的渗透试验和达西定律天然土层多呈层状五.层状地基的等效渗透系数第二章土中水的运动规律H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL五.层状地基的等效渗透系数§2.2土的渗透试验和达西定律1122不透水层水平渗流条件:LhiiiixxqqiHH等效渗透系数:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHiiixHkH1k第二章土中水的运动规律H1H2H3HΔhk1k2k3xz五.层状地基的等效渗透系数§2.2土的渗透试验和达西定律竖直渗流:v承压水条件:vviihhiHH等效渗透系数:vi=ki(Δhi/Hi)iiikvHhzkvHhiizkvHkvHiizkHHk)k1HH(k1iiz第二章土中水的运动规律水平渗流情形垂直渗流情形条件已知等效推定Lhii;HH;qqiii...k...;H,H121iHkqxiixHkH1kii2121HH;hh;v...vv;q...qq...k,k...;H,H21