土的渗透性及水的渗流

土的渗透性及水的渗流第二章2本章特点学习要点主要难点•有较严格的理论（水流的一般规律）•有经验性规律（散粒体多孔介质特性）•注重对物理概念和意义的深入理解•注意土是散粒体（多孔介质）这一特点•水头及水力坡降•二维流网及其应用•渗透力及其分析方法§2土的渗透性及水的渗流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、气等流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土颗粒土中水渗流§2土的渗透性及水的渗流4水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部的应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事故。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。§2土的渗透性及水的渗流5水的问题水的问题指在工程中由于水本身引起的工程问题，比如基坑、隧道等开挖工程中普遍存在地下水渗出而出现需要排水的问题；相反在以蓄水为目的的土坝中会由于渗透造成水量损失而出现需要挡水的问题；另外还有一些像污水的渗透引起地下水污染，地下水开采引起大面积地面沉降及沼泽枯竭等地下水环境的问题。也就是说，水自身的量（涌水量，渗水量）、质（水质）、赋存位置（地下水位）的变化所引起的问题。§2土的渗透性及水的渗流6土的问题土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的影响，在坡面、挡土墙等结构物中常常会由于水的渗透而造成内部应力状态的变化而失稳；土坝、堤防、基坑等结构物会由于管涌逐渐改变地基土内的结构而酿成破坏事故；非饱和的坡面会由于水分的渗透而造成土的强度的降低而引起滑坡。由于渗透而引起的代表性例子就是地下水开采造成的地面下沉问题。§2土的渗透性及水的渗流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土的渗透性及水的渗流8渗流作用造成大坝塌方§2土的渗透性及水的渗流9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概述§2土的渗透性及水的渗流10渗流量透水层不透水层天然水面水井渗流Q概述§2土的渗透性及水的渗流11渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流概述§2土的渗透性及水的渗流12渗流滑坡渗流滑坡概述§2土的渗透性及水的渗流13渗流量渗透变形渗水压力渗流滑坡土的渗透性及渗流稳定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多雨地区边坡概述§2土的渗透性及水的渗流14第二章土的渗透性及水的渗流§2.3渗透力与渗透变形§2.1土的渗透性与渗透规律§2.2平面渗流与流网15§2.1土的渗透性与渗透规律一．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四．层状地基的等效渗透系数16ABL§2.1土的渗透性与渗透规律透水层不透水层基坑板桩墙一．渗流中的水头与水力坡降§2土的渗透性及水的渗流17ABL一．渗流中的水头与水力坡降h1h2zAwAuwBuzBΔh00基准面g2vuzh2wwAA1uzhwBB2uzh12hhhwuzhLhi总水头－单位重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水头差：测管水头§2土的渗透性及水的渗流二.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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/T§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性及水的渗流2.达西定律vkisvvvn渗透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，并与土的性质有关。二.渗透试验与达西定律vi注意：AAvvAnA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/day§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性及水的渗流202.达西定律适用条件：层流（线性流）§2.1土的渗透性与渗透规律二.渗透试验与达西定律岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围。在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数Re进行判断：Re＜5时层流Re＞200时紊流200＞Re＞5时为过渡区10evdR§2土的渗透性及水的渗流21层流紊流层流紊流§2土的渗透性及水的渗流222.达西定律（1）粗粒土：①砾石类土中的渗流常不符合达西定律②砂土中渗透速度vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0两种特例：（2）粘性土：致密的粘土ii0,v=k(i-i0)(1)mvkim§2.1土的渗透性与渗透规律二.渗透试验与达西定律§2土的渗透性及水的渗流三.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土的渗透性及水的渗流24•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hL土样AVQ•室内试验方法2—变水头试验法透水性较小的粘性土?§2土的渗透性及水的渗流第七次课至此詹25三.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§2.1土的渗透性与渗透规律土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关a§2土的渗透性及水的渗流26三.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：ΔhdtdhdVe=-adhdVo=kiAdt=k(Δh/L)AdtdVe=dVo流入量：流出量：连续性条件：-adh=k(Δh/L)AdthdhkAaLdt21lnhhkAaLt21lnhhAtaLk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土样At=t1h1t=t2h2LQ水头测管开关ahdhtt+dthdhkAaLtdhht210§2土的渗透性及水的渗流第七次课至此铁•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：§2.1土的渗透性与渗透规律积分§2土的渗透性及水的渗流第七次课至此城2.影响因素粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构kf(土粒特性、流体特性）三.渗透系数的测定及影响因素饱和度（含气量）水的动力粘滞系数§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性及水的渗流292.影响因素三.渗透系数的测定及影响因素§2.1土的渗透性与渗透规律粒径大小及级配：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。（1）土粒特性的影响孔隙比：是单位土体中孔隙体积的直接度量；对于砂性土，渗透系数k一般随孔隙比e增大而增大。矿物成分：对粘性土，影响颗粒的表面力；不同粘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；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。结构：影响孔隙的构成和方向性，对粘性土影响更大；在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，常使得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。§2土的渗透性及水的渗流30饱和度sr(%)渗透系数k(10-3cm/s)87654328090100饱和度的影响流体粘滞性的影响温度高粘滞性低渗透系数大封闭气泡对k影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道2.影响因素三.渗透系数的测定及影响因素§2.1土的渗透性与渗透规律（2）流体特性的影响§2土的渗透性及水的渗流四.层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的km考虑渗流方向天然土层多呈层状§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性及水的渗流32H1H2H3HΔhk1k2k3xzq1xq3xq2xL四.层状地基的等效渗透系数1122不透水层水平渗流条件:mhiiLxmxqqmHH等效渗透系数:qx=vxH=kxiHΣqmx=ΣkmimHmxmm1kkHH§2.1土的渗透性与渗透规律§2土的渗透性及水的渗流33H1H2H3HΔhk1k2k3xz四.层状地基的等效渗透系数竖直渗流:v承压水条件:mvvmhhmHH等效渗透系数:mmmvHhkzkvHhmzmvHvHkkzmmHkHkmzmH11kHk§2.1土的渗透性与渗透规律mmmmhvkH§2土的渗透性及水的渗流算例day/m100k,m0.1Hday/m1k,m0.1Hday/m01.0k,m0.1H332211按层厚加权平均，由较大值控制倒数按层厚加权平均，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土的渗透性及水的渗流35§2.1土的渗透性与渗透规律第二章土的渗透性及水的渗流§2.2平面渗流与流网§2.3渗透力与渗透变形36§2.2平面渗流与流网zxzvxvdxxvvxxdzzvvzzΔhΔh恒定稳定渗流h=h(x,z),v=v(x,z)对单宽dy=1，取一微小单元dx,dz与时间无关xz§2土的渗透性及水的渗流37Laplace方程（基本方程）连续性条件达西定律流线方程假定kx=kz§2.2平面渗流与流网势函数的基本方程流函数的基本方程势函数流函数共轭调和，等值线正交求解（流网）边界条件基本要求绘制方法主要特点实际应用§2土的渗透性及水的渗流38§2.2平面渗流与流网zxzvxvdxxvvxxdzzvvzz0zvxvzx连续性条件dxvdzvdqzxedx)dzzvv(dz)dxxvv(dqzzxxooedqdq一.平面渗流的基本方程及求解1.基本方程水头描述§2土的渗透性及水的渗流39§2.2平面渗流与流网0zvxvzxzhkv;xhkvzzxx连续性条件达西定律0zhxh22220zhkxhk22z22xLaplace方程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之一假定kx=kz水头描述22220xzφ∝h：势函数与渗透系数无关等价于水头一.平面渗流的基本方程及求解1.基本方程§2土的渗透性及水的渗流40§2.2平面渗流与流网1.基本方程流线描述一.平面渗流的基本方程及求解22220xzxzψψ+dψdq同一条流线上，流函数的值为常数，流线不能相交两条流线流函数的差值等于其间通过的流量vxvzdz-dx(x,z)§2土的渗透性及水的渗流410zhxh2222