第四章 土的渗透性与渗透问题80

1土的渗透性与渗透问题•1达西定律•2渗透系数及其确定方法•3渗透力与渗透变形•4渗流工程问题与处理措施2岩土中的水及其运动岩土材料实际上是非连续的，是由多相组成的。在其孔隙中存在着气、液相介质，当孔隙连通时，这些流体可在不平衡的势能情况下发生流动。其中土中水及其运动会引发许多工程和环境问题。岩土中流体及其运动是一个重要和有实际意义的课题，它和人类生活密切相关；与其有关的工程领域有：水利、建筑、交通、采矿、石油、农业和环境等。3浅层岩土中的水主要来自大气中的降水，随后它在土的孔隙中流动。土中水可以分为两部分，如图4.1.1所示。地下水位以下称为地下水，它又以上层滞水、潜水和承压水的形式存在。地下水位以下的土基本是饱和的，孔隙水压力大于大气压力，可在重力的作用下运动。另一部分存在于地下水位以上。它可能是入渗的水，向下运动补给地下水，上层滞水有时也可列入这部分；可能是由于毛细作用或者植物根系作用向上运动的水，这些向上运动的水的孔隙水压力小于大气压。除局部毛细区的水在土中接近饱和外，大多数处于非饱和状态。4•土中各部分的水一般是可运动的；它们具有不同的饱和度、不同的势能和不同的运动方向。土中水对于土的工程性质有重要影响；土中水的运动对于人类生活及环境也具有很大的影响。例如，土中水会影响土本身的强度和变形性质；孔隙水压力改变了土中有效应力，也进一步影响了土体的强度和变形。水入渗可补给地下水，也可能将地表污染带入地下水。渗流产生的渗透力可影响土坡的稳定，而渗透力又可引发土的渗透破坏。这些对于水利和建筑工程有很大意义。5•地球表面的干旱区和半干旱区占很大面积。这时地下水位通常很深，气候变化引起地表附近土的含水量变化。在碱性环境下生成的一种高塑性土—膨胀土，其含水量增高会引起土体积膨胀，当它的变形受限时，会产生膨胀力。对于一些孔隙较大的粉土，例如湿陷性黄土，含水量增高，又可能引起湿陷，在荷载作用下湿陷更明显。暴雨使非饱和区的土达到饱和，使原来的负孔压消失，随后在土中渗流的渗透力作用下，可引起土体的崩塌、土坡的滑动及产生泥石流。6渗流的工程意义•土中水的渗流使大气降水补给地下水，或者增加土壤含水量，这对于地球上蓬勃生长的草木等植物是至关重要的，是地球生命的源泉之一。同时也使宝贵的水资源得以存储，使大地充满了生机。•可是渗流也会引发许多严重的工程问题。我国大量的挡水和输水建筑物及构造物的渗漏是一个严重的问题。目前我国已建渠道80％没有防渗措施，渠系中水的利用系数平均不足0.5，有的渠道渗漏量高达80％，损失了大量宝贵的水资源，恶化了环境，也引起了土壤的盐碱化。渗透变形引起的水利工程破坏是又一个严重的问题。据美国的调查统计，他们破坏的206座土坝中有39％是由于渗透引起的。7•其他领域中，土中水的渗流也有重要意义。高层建筑深基坑发生事故比例很高，其中主要原因在于土中水引起的水土压力变化和渗透变形。在采矿与石油工程中，渗流也是一个重要课题。近年来，环境工程受到世界各国的重视。其中有毒生活和工业废水的排放和固体垃圾堆放引起的地下水的污染；放射性核废料的通过地下水的污染与扩散，成为重大环境课题。这些都促进了从微观到宏观，从物理化学到力学，从理论分析到数值计算的对渗流问题的深入系统的研究。8土中水和渗流问题的研究历史•20世纪初，随着人类在物理和化学领域中研究的进展，人们对土中水的形态和水土相互作用开始进行探讨。在认识到粘土矿物的组成和分子间结构以后，对于粘土颗粒与水间相互作用从微观进行研究，劳（Low）1901年给出了粘土颗粒表面结合水形成的机理；马丁（Martin）1960年得出了不同厚度结合水的密度分布，同时也给出了物理模型以说明土的冻胀机理（1959）。米切尔（Mitchell）在1975年出版的《土性基础》（FundamentalsofSoilBehavior）一书中，对于土中水的形态及其对土性的影响作了较全面的总结和阐述。9•对于土中水的渗流研究的历史更加悠久。早在1856年，法国工程师达西（Darcy）提出了线性渗流的达西定律。1889年，俄国的茹可夫斯基（H.E.ЖукоЬскцú）首先推导了渗流的微分方程。1922年，巴甫洛夫斯基（H.H.Павловскцú）提出了求解渗流场的电模拟法。由于渗流的微分方程在复杂边界条件下很难得到其解析解，所以人们力图用数值算法解决它。10•1910年理查森（L.F.Richardson）首先提出了有限差分法。在20世纪60年代之后，由于计算机及计算技术的迅速发展，人们广泛应用有限单元法、边界元法和许多其他计算方法计算解决渗流问题。目前，关于饱和、非饱和土的渗流计算；稳定、非稳定流的渗流计算；不同介质的混和流计算；渗流与应力变形相耦合、渗流和极限分析相耦合的的各种数值计算方法和程序得到迅速发展，成为计算土力学中一个重要分支。11•渗透在水位差的作用下，水透过土体孔隙的现象。•渗透性土具有被水透过的性能称为土的渗透性。•渗透的危害造成水量的损失，影响工程效益。将引起土体内部应力状态的变化，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。12131415土的渗透问题概述浸润线流线等势线下游上游土坝蓄水后水透过坝身流向下游H隧道开挖时，地下水向隧道内流动在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透16达西定律•一、达西定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比渗透试验播放v=ki达西定律水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失171.渗透的定义存在于地基中的地下水，在一定的压力差作用下，将透过土中孔隙发生流动，这种现象称为渗流或渗透。2.渗透模型实际土体中的渗流仅是流经土粒间的孔隙,由于土体孔隙的形状、大小及分布极为复杂,导致渗流水质点的运动轨迹很不规则。考虑到实际工程中并不需要了解具体孔隙中的渗流情况，可以对渗流作出如下二方面的简化：一是不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；二是不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。作了这种简化后的渗流其实只是一种假想的土体渗流，称之为渗流模型。为了使渗流模型在渗流特性上与真实的渗流相一致，它还应该符合以下要求：(1)在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；(2)在任意截面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等；(3)在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。18•二、达西定律适用范围与起始水力坡降kiv达西定律讨论：砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系ib起始水力坡降虚直线简化达西定律适用于层流，不适用于紊流v=kiivO砂土0iv密实粘土)(biikv19渗透系数及其确定方法•一、渗透试验（室内）1.常水头试验2.变水头试验kiv达西定律2021222324AtLhkkiAtqtV时间t内流出的水量hAtVLk1.常水头试验————整个试验过程中水头保持不变适用于透水性大（k10-3cm/s）的土，例如砂土。252.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化截面面积a任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内管内减少水量dV=－adh在时段dt内流经试样的水量dV=kiAdt=kAh/Ldt管内减少水量＝流经试样水量－adh=kAh/Ldt分离变量积分2112lnhhttAaLk＝2112lg3.2hhttAaLk＝适用于透水性差，渗透系数小的粘性土26•二、影响渗透系数的因数1.土粒大小与级配细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。首先粘土和粗粒土间渗透系数及其影响因素的机理不同。粘土颗粒表面存在结合水和可交换阳离子，其渗透系数很低；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：高岺石伊里石蒙脱石粘土矿物的片状颗粒也使粘土渗透系数呈各向异性，有时水平向渗透系数比垂直向可大几十倍、上百倍。对于粗粒土，影响渗透系数的因素有颗粒的大小、形状和级配。一般讲存在一个特征粒径与渗透系数间存在如下关系：kcd272.土的密实度3.水的动力粘滞系数同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。一般讲，可以建立渗透系数与土孔隙比之间的经验公式，随减小而减小。比如可认为e--logk间关系为直线。动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。4.土中封闭气体含量土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小。2020TTkkT、20分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数，可查表28•三、成层土的渗透系数1.水平渗透系数H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和niixnxxxxqqqqq121iHkqxx达西定律nnniixiHkiHkiHkq22111整个土层与层面平行的等效渗透系数平均渗透系数niiixHkHk11292.垂直渗透系数H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理，通过整个土层的渗流量等于通过各土层的渗流量nyyyyqqqq21垂直渗透系数q3yq2yq1yqy各土层的相应的水力坡降为i1、i2、…、in，总的水力坡降为iAikAikAikiAknny2211总水头损失等于各层水头损失之和nniHiHiHHi2211代入nnnnyikikikHiHiHiHk22112211)(1整个土层与层面垂直的等效渗透系数nnykHkHkHHk221130四、例题分析•【例】设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为30cm2，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm，试验开始时的水位差为160cm，经时段15分钟后，观察得水位差为52cm，试验时的水温为30℃，试求试样的渗透系数【解答】已知试样截面积A=30cm，渗径长度L=4cm，细玻璃管的内截面积222cm1256.044.014.34dah1=160cm，h2=52cm，△t=900s试样在30℃时的渗透系数cm/s1009.252160lg9003041256.03.2lg3.25211230hhttAaLk313.现场试验•现场测定法的试验条件比实验室测定法更符合实际土层的渗透情况，测得的渗透系数k值为整个渗流区较大范围内土体渗透系数的平均值，是比较可靠的测定方法，但试验规模较大，所需人力物力也较多。现场测定渗透系数的方法较多，常用的有野外注水试验和野外抽水试验等，这种方法一般是在现场钻井孔或挖试坑，在往地基中注水或抽水时，量测地基中的水头高度和渗流量，再根据相应的理论公式求出渗透系数k值。下面将主要介绍野外抽水试验。32抽水试验开始前，先在现场钻一中心抽水井，根据井底土层情况可分为二种类型，井底钻至不透水层时称为完整井,井底未钻至不透水层时称非完整井。在抽水井四周设若干个观测孔，以观测周围地下水位的变化。试验抽水后，地基中将形成降水漏斗。当地下水进入抽水井的流量与抽水量相等且维持稳定时,测读此时的单位时间抽水量q，同时在两个距离抽水井分别为r1和r2的观测孔处测量出水位h1和h2。对非完整井需量测抽水井中的水深h0,并确定降水影响半径R。渗透系数k值可由下列各式确定.无压完整井抽水试验无压非完整井抽水试验33•无压完整井上式求得的k值为r1rr2范围内的平均值。若在试验中不设观测井，则需测定抽水井的水深h0,并确定其降水影响半径R，此时降水影响半径范围内的平均渗透系数为34•无压非完整井R的取值对k值的影响不大，在无实测资料时可采用经验值计算。通常强透水土层（如卵石、砾石层等）的影响半径R值很大，在200～500m以上，而