土的渗透性和渗流问题

《土力学》第2章土的渗透性和渗透规律1土的渗透性和渗流问题本章学习要点：学习掌握土的渗透性（达西定律），掌握水头、测管水头、水力坡降的概念，熟悉渗透系数的测定方法，特别是层状地基的等效渗透系数的确定。学会应用二维渗流流网确定测管水头、孔隙水压力、水力坡降、渗透速度和渗透流量。渗透力和渗透变形是本章的学习重点，掌握渗透力的计算方法，并能正确确定渗透变形类型。第一节概述土是由固体相的颗粒、孔隙中的液体和气体三相组成的，而土中的孔隙具有连续的性质，当土作为水土建筑物的地基或直接把它用作水土建筑物的材料时，水就会在水头差作用下从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧。渗透：在水头差作用下，水透过土体孔隙的现象渗透性：土允许水透过的性能称为土的渗透性。水在土体中渗透，一方面会造成水量损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部应力状态的变化，从而改变水土建筑物或地基的稳定条件，甚者还会酿成破坏事故。此外，土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。本章将主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，以及渗透力渗透变形等问题。第二节土的渗透性一、土的渗透规律——达西定律(一)渗流中的总水头与水力坡降液体流动的连续性原理：（方程式）dwvdwvww22112211vwvw1221wwvv表明：通过稳定总流任意过水断面的流量是相等的；或者说是稳定总流的过水断面的平均流速与过水断面的面积成反比。前提：流体是连续介质流体是不可压缩的；流体是稳定流，且流体不能通过流面流进或流出该元流。理想重力的能量方程式（伯努利方程式1738年瑞士数学家应用动能定理推导出来的。）cgvrpZ22饱和土体空隙中的渗透水流，也遵从伯努利方程，并用水头的概念来研究水体流动中的位能和动能。水头：实际上就是单位重量水体所具有的能量。按照伯努利方程，液流中一点的总水头h，可以用位置水头Z，压力水头U/rw和流速水《土力学》第2章土的渗透性和渗透规律2头V2/2g之和表示，即gvruZhw224-1此方程式中各项的物理意义均代表单位重量液体所具有的各种机械能，而其量纲都是长度。教材P37图22表示渗流在水中流经A，B两点时，各种水头的相互关系。按照公式（4－1），A,B两点的总水头可分别表示为：gvruZhAwAAA22gvruZhBwBBB22hhhBA式中：ZA，ZB：为A，B，两点相对于任意选定的基准面的高度，代表单位重量液体所具有的位能（位置高度）故称Z为位置水头。UA，UB：为A，B两点的水压力（空隙水压力）。代表单位重量液体所具有的压力势能。而UA/rw，UB/rw则代表A，B两点空隙水压力的水柱高度。故称U/rw为压力水头。VA，VB：为A，B两点的渗流速度。g为重力加速度。V2/2g即代表单位重量液体所具有的动能，故称V2/2g为流速水头。HA,hB：为A，B两点的单位重量液体所具有的机械能，故称之为总水头。∆h：为A，B两点之间的总水头差，代表单位重量液体从A点向B点流动时，为克服阻力而损失的能量。此外，wruz称为测管水头，代表单位重量液体所具有的总势能。当土中渗流阻力大时，V一般都很小，形成的流速水头V2/2g更小，可不计，这时，总水头h,可用测管水头来代替，即wruZhA,B两点间的水头损失，可用无量纲的形式来表示，即lhii：水力坡降L：为A，B两点间的渗流途径水头损失h1的渗流长度。(二)渗透试验与达西定律土体中空隙的形状和大小是极不规则的，因而水在土体空隙中的渗透是一种十分复杂的现象，由于土体中的空隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大，流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。1956年，达西利用图2－5(教材P40)所示试验装置，对砂土的渗流性进行了研究，发现水在土中的渗流速度与试样两端面间的水头差成正比，而与渗流长度成反比，于是他把渗流《土力学》第2章土的渗透性和渗透规律3速度表示为：KilhKv或KiAvAQ这就是著名的达西定律，式中V：表示断面平均渗透速度，单位：mm/sK：渗透系数，（mm/s）其物理意义是当水力坡降i=1时的渗透速度。达西定律说明：（1）在层流状态的渗流中，渗流速度V与水力坡降的一次方成正比，并与土的性质有关。或：砂土的渗透速度与水力坡降呈线性关系。（2）但对于密实的粘土，由于吸着水具有较大的粘滞阻力，因此只有当水力坡降达到某一数值，克服了吸着水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。我们将这一开始渗透时的水力坡降称为粘性土的起始水力坡降i.试验资料表明，密实的粘土不但存在起始水力坡降，而且当水力坡降超过起始坡降后，渗透速度与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈线性关系。)(0iiKv式中：0i指密实粘土的起始水力坡降。此外，试验也表明，在粗颗粒土中（如砾石，卵石），只见在小的水力坡降下，渗透速度与水力坡降才能呈线性关系，而在较大的水力坡降下，水在土中的流动即进入紊流状态，渗透速度与水力坡降呈非线性关系，此时达西定律不能适用。二．渗透系数的测定和影响因素(一)渗透系数的测定方法主要分现场试验和室内试验两大类，一般说，现场试验比室内试验所得到的成果要准确可靠。1.实验室测定法：常水头试验法，透水性大的砂性土变水头试验法，透水性小的无粘性土2.现场测定法：实测流速法：色素法、电解质法、食盐法注水法抽水法：降低水位法：平衡法，不平衡法水位恢复法(二)影响渗透系数的因素渗透系数是一个代表土的渗透性强弱的定量指标，也是渗透计算时必须用到的一个基本参数。影响渗透系数的主要有：1.土的粒度成分和矿物成分的影响：土的颗粒大小，形状及级配，影响土中空隙大小及形状，因而影响渗透性。土粒越粗，越浑圆，越均匀时，渗透性就大。砂土中含有较多粉土，或粘土颗粒时，其渗透系数就大大降低。土中含有亲水性较大的粘土矿物或有机质时，也大大降低土的渗透性。2.孔隙比对渗透系数的影响由e=Vv/Vs可知，孔隙比e越大，Vv越大，渗透系数越大，而孔隙比的影响，主要决定于土体中的孔隙体积，而孔隙体积又决定于孔隙的直径大小，决定于土粒的颗粒大小和级配。《土力学》第2章土的渗透性和渗透规律43.土的结构构造的影响天然土层通常不是各向同性的，在渗透性方面往往也是如此。如黄土特别是具湿陷性黄土，具有竖直方向的渗透系数要比水平方向大得多。层状粘土常夹有薄的粉砂层，它在水平方向的渗透系数要比竖直方向大得多。4.结合水膜厚度的影响粘性土中若土粒的结合水膜较厚时，会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。5.土中气体的影响当土孔隙中存在密闭气泡时，会阻塞水的渗流，从而降低了的渗透性。这种密闭气泡有时是由溶解于水中的气体分离而形成的，故水的含水量也影响土的渗透系数。影响因素：水温，试验表明，K与渗透液体的容重rw及粘滞系数有关；水温不同，rw相差不大，但粘滞系数变化较大，水温升高，粘滞系数降低，K增大.此外，渗透水的性质对K值的影响。三．层状地基的等效渗透系数天然沉积土往往是由渗透性不同的土层所组成。对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当各土层的渗透系数和厚度为已知时，我们可求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数，作为渗流计算的依据。(一)水平渗流情况如图(见教材P47)：已知地基内各层土的渗透系数分别为K1，K2，K3,……Kn，厚度分别为H1，H2，……Hn，总厚度为H。任取两水流断面1－1，2－2；两断面距离为L，水头损失为h,这种平行于各层面的水平渗流的特点是：1.各土层的水力坡降I(=h1/L)与等效土层的平均水力坡降之相同。2.若通过各土层的渗流量为q1x,q2x,……qnx，则通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和。即：niixnxxxqqqqqx121将达西定律代入上式，可得niniKiHiiiHiKiKxiH11(kx等效渗透系数)消去之后，即可得出沿水平方向的等效渗透系数KxniKiHiHKx11(二)竖直渗流情况对于与层面垂直的渗流的情况如图2－13b(教材P47)所示，我们可用类似的方法来求解。niKiHiHKy1)(注意：在实际工程中，选用等效渗透系数时，一定要注意水流的方向，选择正确的等效渗透系数。《土力学》第2章土的渗透性和渗透规律5第三节二维渗流与流网上述渗流属简单边界条件下的单向渗流，只要渗透介质的渗透系数和厚度以及两端的水头或水头差为已知，介质内的流动特征均可根据达西定律确定。然而，在工程上遇到的渗流问题，边界条件要复杂得多，水流形态往往是二向或三向的，如图2－14(见教材P49)，这时，介质内的流动特性常逐点不同，并且只能以微分方程的形式表示，然后根据边界条件进行求解。一.稳定渗流场中的拉普拉斯方程设从稳定渗流场中任取一微分单元土体，其面积为dxdy，如图若单位时间内在x方向流入单元体的水量为qx，流出的水量为qx+dxxqx，在y方向流入的水量为qy，流出的水量为dyyqqyy。假定在渗流作用下单元的体积保持不变，水又是不可压缩的，则单位时间内流入单元体的总水量必等于流出的总水量，即qx+qy=(qx+dxxqx)+(dyyqqyy)即dxxqx＋dyyqy＝0根据达西定律，qx=Kxixdy,qy=Kxiydx；其中x和y方向的水力坡降分别为ix=xHiy=yH,将上列关系式代入上式中并经简化后可得：Kx22yH+Ky22yH=0这就是各向异性土在稳定渗流时的连续方程。式中：Kx，Ky分别为x和y方向的渗透系数H总水头或测压管水头。如果土是各向同性的，即kx=ky,则上式可改写成22xH＋22yH＝0这就是著名的拉普拉斯方程，它是描述稳定渗流的基本方程式。二.流网的特征及应用众所周知，满足拉普拉斯方程的将是两组彼此正交的曲线。就渗流而言，一组曲线称为等式线，在任一条等势线上各点的势能是相等的，或者说，在同一条等式线上的侧压水位都是同高的，另一组曲线称为流线，它们代表渗流的方向。《土力学》第2章土的渗透性和渗透规律6但必须指出，只有满足边界条件的那一种流线和等势线的组合形式才是方程式22xH＋22yH＝0的正确解答。流网即为一族流线和等势线交织而成的网格，根据水力学，具有下列特征：(1)流线和等势线彼此正交；(2)每个网格的长宽比值为常数，这时的网格就成为正方形或曲线正方形；(3)相邻等势线的水头损失相等；(4)各流糟的渗流量相等。为了求得满足边界条件的解答，常用的方法主要有（1）解析法，（2）数值法（3）实验法（4）图解法；在工程上广泛应用的多为图解法。该法具有简便，迅速的优点。但不论采用那种方法求解，其最后结果通常均可用流网表示。流网绘出后，即可求得渗流场中各点的测管水头，水力坡降，渗透流速和渗流量。1.测管水头水头损失1nNh式中：上，下游水位差N等势线间隔数n等势线数h每一条等势线间隔所消耗的水头从而可求流网中任一点的测管水头zhhu2.孔隙水压力u渗流场中各点的孔隙水压力，等于该点以上测压管中的水柱高度hu乘以水的容重rwwurhu3.水力坡降流网中的任意网格的平均水力坡降：lhil为该网格处流线的平均长度，可见l减小则流网网格越密。4.渗透速度各点的水力坡降已知后，渗透速度的大小可根据达西定律求出：即V＝Ki，其方向为流线的切线方向。5.渗透流量单宽流量：slhKq当sh时，hKq即相邻流线间的单宽流量相等。通过坝下渗流区的总单流量：hMKqMqqM为流网中的流槽数，M＝流线数－1通过坝底的总渗流量：hlMKqlQ《土力学》第2章土的渗透性和渗透规律7l：为坝基长度（四）各向异性土中的流网当Kx＝Ky时，22xH＋22yH＝0但对各向异性土，即Kx≠Ky时，Kx22xH＋Ky22yH＝0普通式该式已不是拉普拉斯方程，其解也不是两族正交曲线而是斜交曲线。将上式两边同除以Ky,得22)(xKxKyH＋22yH＝0令：xKxK