土的渗透性和渗流问题.

土的渗透性和渗流问题第二章§2土的渗透性和渗流问题碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流水、气等在土体孔隙中流动的现象渗透性土具有被水、气等液体透过的性质渗透特性强度特性变形特性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性概述能量差§2土的渗透性和渗流问题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§2土的渗透性和渗流问题概述渗水压力扬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§2土的渗透性和渗流问题概述渗流量透水层不透水层天然水面水井渗流Q§2土的渗透性和渗流问题概述渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流§2土的渗透性和渗流问题概述渗流滑坡渗流滑坡§2土的渗透性和渗流问题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扬压力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§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题一．渗流中的水头与水力坡降二．渗透试验与达西定律三．渗透系数的测定及影响因素能量方程渗流速度的规律渗透特性四．层状地基的等效渗透系数地基的渗透系数§2土的渗透性和渗流问题一．渗流中的水头与水力坡降ABL§2.1土的渗透性与渗透规律透水层不透水层基坑板桩墙ABL§2土的渗透性和渗流问题一．渗流中的水头与水力坡降h1h2zAwAuwBuzBΔh00基准面§2.1土的渗透性与渗透规律g2vuzh2wwAA1uzhwBB2uzhhhh21wuzhLhi总水头－单位质量水体所具有的能量z：位置水头u/γw：压力水头V2/(2g)：流速水头≈0A点总水头：B点总水头：总水头：水力坡降：§2.1土的渗透性与渗透规律二.渗透试验与达西定律试验前提：层流Δh↑，Q↑A↑，Q↑L↑，Q↓LhAQ断面平均流速水力坡降AQvLhiiv1.渗透试验§2土的渗透性和渗流问题试验结果试验装置：如图试验条件:h1，A，L=const量测变量:h2，V，TΔh=h1-h2Q=V/T2.达西定律ikvnvvvs渗透定律§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题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，并与土的性质有关。二.渗透试验与达西定律iv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＝VsAvk: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/day2.达西定律§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题二.渗透试验与达西定律粗粒土：①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适用条件ivovcrivoi0层流（线性流）——大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土两种特例粘性土：致密的粘土ii0,v=k(i-i0))1m(kivm三.渗透系数的测定及影响因素室内试验测定方法野外试验测定方法§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验1.测定方法§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题•室内试验方法1—常水头试验法三.渗透系数的测定及影响因素1.测定方法结果整理试验装置：如图试验条件:Δh，A，L=const量测变量:V，ti=Δh/LV=Qt=vAtv=kihtAVLk适用土类：透水性较大的砂性土§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题三.渗透系数的测定及影响因素1.测定方法•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量测变量:Δh，t透水性较小的粘性土常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土tt+Δt§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题三.渗透系数的测定及影响因素1.测定方法•室内试验方法2—变水头试验法结果整理:理论依据:t时刻：ΔhΔtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：连续性条件：-adh=k(Δh/L)AdthdhkAaLdt21hht0hdhkAaLdt21hhlnkAaLt21hhlnAtaLk选择几组Δh1,Δh2,t，计算相应的k，取平均值§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题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，LV，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t21hhlnAtaLkhtAVLk•室内试验方法1.测定方法三.渗透系数的测定及影响因素不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土•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§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题1.测定方法三.渗透系数的测定及影响因素地下水位≈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：2.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§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题三.渗透系数的测定及影响因素水的动力粘滞系数饱和度（含气量）—对k影响很大，封闭气泡四.层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的ki根据渗流方向确定等效渗流系数§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题天然土层多呈层状H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL四.层状地基的等效渗透系数§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题1122不透水层水平渗流条件:LhiiiixxqqiHH等效渗透系数:qx=vxH=kxiHΣqix=ΣkiiiHiiixHkH1kH1H2H3HΔhk1k2k3xz四.层状地基的等效渗透系数§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题竖直渗流: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,H2121HhkikvzziizkHHk§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题四.层状地基的等效渗透系数算例说明day/m100k,m0.1Hday/m1k,m0.1Hday/m01.0k,m0.1H332211§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题按层厚加权平均，由较大值控制倒数层厚加权平均，由较小值控制day/m67.33HHkkiixday/m03.0kHHkiiz四.层状地基的等效渗透系数§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性和渗流问题一．渗流中的水头与水力坡降二．渗透试验与达西定律三．渗透系数的测定及影响因素能量方程渗流速度的规律渗透特性四．层状地基的等效渗透系数地基的渗透系数作业2-12-32-42-52-7§2.1土的渗透性与渗透规律第二章土的渗透性和渗流问题§2.2平面渗流与流网§2.3渗透力与渗透变形§2.2平面渗流与流网Laplace方程zxzvxvdxxvvxxdzzvvzz一.平面渗流的基本方程及求解连续性条件zxkk假定：§2土的渗透性和渗流问题ΔhΔh恒定稳定渗流h=h(x,z),v=v(x,z)取单宽：dy=1与时间无关达西定律平面渗流的基本方程1.基本方程一.平面渗流的基本方程及求解§2.2平面渗流与流网§2土的渗透性和渗流问题zxzvxvdxxvvxxdzzvvzz①与kx,kz无关②满足它的是两个共轭调合函数——势函数和流函数0zvxvzxzhkv;xhkvzzxx连续性条件达西定律zxkk假定dxvdzvdqzxedx)dzzvv(dz)dxxvv(dqzzxxooedqdq0zhxh22220zhkxhk22z22xLaplace方程特点描述渗流场内部的测管水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程式1.基本方程一.平面渗流的基本方程及求解2.求解方法确定渗流场内各点的测管水头h的分布§2.2平面渗流与流网§2土的渗透性和渗流问题基本方程边界条件定解条件一.平面渗流的基本方程及求解2.求解方法解析方法§2.2平面渗流与流网§2土的渗透性和渗流问题试验比拟方法（电比拟方法）数值方法图解法流网——近似求解方法适用于边界条件简单的情况通解：两个共轭调和函数势函数Φ(x,z)流函数Ψ(x,z)等势线流线相互正交边界条件特定解差分法、有限元方法，精度高，应用愈来愈广泛利用渗流场和电场均服从Laplace方程这一特点，按一定比例制作模型，用电场中的等势线和流线来模拟渗流场中的等势线和流线，以达到确定渗流场中渗流要素的目的。理论基础：解析法的结果二.流网的绘制及应用流网——渗流场中的两族相互正交曲线——等势线和流线所形成的网络状曲线簇。流线——水质点运动的轨迹线。等势线——测管水头相同的点之连线。流网法——通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。§2.2平面渗流与流网§2土的渗透性和渗流问题H△h0基本要求1.正交性：流线与等势线必须正交二.流网的绘制及应用§2.2平面渗流与流网§2土的渗透性和渗流问题H△h0lsls2.各个网格的长宽比c应为常数。取c=1，即为曲边正方形3.在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。ABCDlsH△h00ls二.流网的绘制及应用§2.2平面渗流与流网§2土的渗透性和渗流问题绘制方法一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成。根据渗流场的边界条件确定边界流线和首尾等势线正交性曲边正方形初步绘制流网流线→等势线→反复修改，调整精度较高的流网图流网特点与上下游水位变化无关Δh=const；与k无关；等势线上各点测管水头h相等。二.流网的绘制及应用§2.2平面渗流与流网§2土的渗透性和渗流问题H△h0lsls测管水头h实际应用l/Hi）（zhhiiikvHMkMqq;HkslHkqiiii确定孔压确定流速确定流量—流道数—M二.流网的绘制及应用§2.2平面渗流与流网§2土的渗透性和渗流问题水力坡降H△h0lsls§2.1土的渗透性与渗透规律第二章土的渗透性和渗流问题§2.2平面渗流与流网§2.3渗透力与渗透变形§2.3渗透力与渗透变形一.渗透力试验观察Δh=0静水中，土骨架会受到浮力作用。Δh0水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。渗透力j——渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。§2土的渗透性和渗流问题渗透变形渗透力h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab§2.3渗透力与渗透变形一.渗透力§2土的渗透性和渗流问题h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab土粒渗流j§2.3渗透力与渗透变形§2土的渗透性和渗流问题一.渗透力h200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1W=Lγsat＝L(γ’+γw)P1=γwhwP2=γwh2R=?R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ’+γw)+γwhwR=γ’L土水整体分析§2.3渗透力与渗透变形§2土的渗透性和渗流问题一.渗透力h