土力学土的渗透性及渗流.pptx

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1、1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3 土的渗透性及渗流第1页/共110页2 土中通常含有水，土中土中通常含有水，土中含水量含水量的变化及土体中的变化及土体中水的流动水的流动对土特性的影响非对土特性的影响非常大。有时这种影响可能会带来灾难。常大。有时这种影响可能会带来灾难。水对土特性影响的水对土特性影响的直观理解直观理解为：土的为：土的含水量小时含水量小时，土，土比较硬比较硬；土中；土中适当含水适当含水可可使散粒土颗粒粘合在一

2、起，使其具有一定的使散粒土颗粒粘合在一起，使其具有一定的粘结强度粘结强度，但当土的，但当土的含水量过大含水量过大时时则会则会变软变软。当水在土中当水在土中流动较快流动较快时，将引起时，将引起坝基渗流、基坑渗流、塌方、泥石流及流土、坝基渗流、基坑渗流、塌方、泥石流及流土、地下工程受淹地下工程受淹等灾害等灾害。3 土的渗透性及渗流第2页/共110页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3 土的渗透性及渗流第3页/共110页4不饱和土上层滞水潜水承压水毛细

3、水（地下水位以上)地下水位(潜水）饱和土3 土的渗透性及渗流第4页/共110页5地下水按埋藏条件可分地下水按埋藏条件可分上层滞水、潜水、承压水上层滞水、潜水、承压水3 3类类。上层滞水上层滞水：存在于地面以下存在于地面以下局部隔水层上面的积水。分局部隔水层上面的积水。分布范围有限，是季节性或临布范围有限，是季节性或临时性的水源。时性的水源。潜水潜水：埋藏在地面以下第一埋藏在地面以下第一个连续稳定的隔水层以上，个连续稳定的隔水层以上，具有自由水面的地下水。潜具有自由水面的地下水。潜水的水面标高称为地下水位。水的水面标高称为地下水位。潜水水位往往低于上层滞水。潜水水位往往低于上层滞水。承压水承压水

4、：充满在两个稳定的充满在两个稳定的隔水层问的承受一定静水压隔水层问的承受一定静水压力的地下水。承压水上下都有隔水层存在，它的埋藏区与补给区力的地下水。承压水上下都有隔水层存在，它的埋藏区与补给区不一致。不一致。因此，承压水的动态变化，受局部气候的影响不明显。因此，承压水的动态变化，受局部气候的影响不明显。3 土的渗透性及渗流第5页/共110页3.1概述渗流量渗透破坏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3 土的渗透性及渗流渗透力第6页/共110页7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3.1概述3 土的渗透性及渗流第7页/共110页8渗流量透水层

5、不透水层天然水面水井渗流漏斗状潜水面Q3.1概述3 土的渗透性及渗流降水深度第8页/共110页9渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流3.1概述3 土的渗透性及渗流地下水影响范围第9页/共110页10渗透力渗流滑坡3.1概述3 土的渗透性及渗流入渗过程第10页/共110页11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 基坑等地下施工多雨地区边坡3.1概述3 土的渗透性及渗流第11页/共110页123.2 土的渗透性一渗流基本概念二土的层流渗透定律三渗透试验及渗透系数3 土的渗透性及渗流第12页/共110页

6、13n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n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n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n在静止液体中各点的测管水头相等位置、压力和测管水头zA00ABu0pazB基准面静水3 土的渗透性及渗流一渗流基本概念3.2土的渗透性第13页/共110页14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3 土的渗透性及渗流一渗流基本概念3.

7、2土的渗透性第14页/共110页15n位置势能：mgzn压力势能：00基准面质量m压力u流速vzn动能：n总能量：称为总水头，是水流动的驱动力n单位重量水流的能量：水流动的驱动力-水头3 土的渗透性及渗流一渗流基本概念3.2土的渗透性第15页/共110页16ABL3.2土的渗透性透水层不透水层基坑板桩墙一渗流基本概念3 土的渗透性及渗流渗流中的水头与水力坡降第16页/共110页17ABLh1h2zAzBh00基准面水力坡降线总水头单位重量水体所具有的能量z：位置水头u/w：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：水头差：测管水头一渗流基本概念3.2土的渗透性

8、3 土的渗透性及渗流第17页/共110页18例3-1 求：（1 1）截面的位置水头、压力水头和总水头 （2 2）截面之间的水头损失和水力梯度3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第18页/共110页19解：3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第19页/共110页205255abcabc总水头变化：总水头变化：3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第20页/共110页21 水力梯度：5255abcabc3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第21页/共110页22渗流模型基本假定：不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向；图3-1 渗流模型 认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。3.2土的

9、渗透性3 土的渗透性及渗流 水在土的孔隙中流动，其形式可以分为：层流：水的流速很慢，认为相邻两个水分子运动轨迹相互平行而不混掺。紊流：紊流与层流的意义相反。第22页/共110页23 同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；图3-1 渗流模型 任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等；相同体积内，渗流模型所受阻力与真实渗流相等。3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第23页/共110页24渗流速度 断面面积为A，通过的渗透流流量为q，则平均流速为：v=q/A 真实渗流仅发生在孔隙面积Av内，因此真实流速为：v0=q/Av 于是 v/v0=Av/A=n “模型的平均流速要小于真实流速”

10、3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流AAv第24页/共110页二.土的层流渗透定律试验前提：层流h，qA，qL，q断面平均流速水力坡降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，Q，Th=h1-h2q=Q/T3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第25页/共110页2.达西定律 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.土的层流渗透定律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i1时的渗流速度单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第26页/共110页

11、272.达西定律适用条件：层流（线性流）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：Re5时层流Re200时紊流200 Re5时为过渡区 二.土的层流渗透定律3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第27页/共110页282.达西定律（1）粗粒土：砾石类土中的渗流常不符合达西定律砂土中渗透速度vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0两种特例：（2）粘性土：致密的粘土i i0,v=k(i-i0)二.土的层流渗透定律3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第28页/共110页三.

12、渗透试验及渗透系数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3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第29页/共110页30 室内试验方法1常水头试验法三.渗透试验及渗透系数1.测定方法结果整理试验装置：如图试验条件:h，A，L=const量测变量:Q，ti=h/LQ=qt=vAtv=ki适用土类：透水性较大的砂性土hL土样AQQ 室内试验方法2变水头试验法透水性较小的粘性土?3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第30页/共110页311.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:h变化，A，a,L=const,量测变量:h，t土

13、样At=0h1t=t1h2LQ水头测管开关a三.渗透试验及渗透系数3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第31页/共110页321.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：hdtdhdQe=-adhdQo=kiAdt=k(h/L)AdtdQe=dQo流入量：流出量：连续性条件：-adh=k(h/L)Adt选择几组h1,h2,t，计算相应的k，取平均值土样At=0h1t=t1h2LQ水头测管开关ahdhtt+dt三.渗透试验及渗透系数3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第32页/共110页33室内试验方法小结常水头试验变水头试验条件已知测定公式取值h=consth变化h，A

14、，LQ，t重复试验后，取均值a，A，Lh，t不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土三.渗透试验及渗透系数3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第33页/共110页34常水头渗透试验装置变水头渗透试验装置三.渗透试验及渗透系数3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第34页/共110页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=2rhi=dh/dr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 2 土的渗透性和渗流问题 积分三.渗透试验及渗

15、透系数3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第35页/共110页2.影响因素 粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构三.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 土的渗透性和渗流问题 三.渗透试验及渗透系数3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第36页/共110页372.影响因素 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

16、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、构造：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。细粒土结构一旦被扰动，k就发生变化。三.渗透试验及渗透系数3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第37页/共110页38饱和度 sr(%)渗透系数k(10-3cm/s)876543280 90 100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2.影响因素（2）流体特性的影响一般情况

17、下，sr愈低，k愈小。因为孔隙中存在较多气泡会减少过水断面积，甚至堵塞细小孔道。同时由于气体因孔隙水压力的变化而胀缩，因而sr成为一个不确定因素。室温下测得的kT经温度修正标准温度下的k三.渗透试验及渗透系数3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第38页/共110页3919301930年年 哈森哈森提出用有效粒径提出用有效粒径d d1010计算较均匀砂土的公式计算较均匀砂土的公式:(1.0-1.5)19821982年，粘性土年，粘性土k k建议经验公式建议经验公式:三.渗透试验及渗透系数3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流3.确定方法 渗透系数经验确定方法第39页/共110页层状土的等效渗透系数

18、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三.渗透试验及渗透系数3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流3.确定方法 第40页/共110页41H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层水平渗流条件:等效渗透系数:qx=vxH=kxiHqmx=kmimHm三.渗透试验及渗透系数3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流3.确定方法 第41页/共110页42H1H2H3Hhk1k2k3xz竖直渗流:v承压水条件:等效渗透系数:三.渗透试验及渗透系数3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流3.确定方法 第42页/共110页算例 按层厚加权平均，由较大值控制倒数按层厚加权平均，

19、由较小值控制三.渗透试验及渗透系数3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流3.确定方法 第43页/共110页44水平渗流情形垂直渗流情形条件已知等效公式三.渗透试验及渗透系数3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第44页/共110页例题3-2 两种土,土样1位于土样2的上部，长度都是20cm,总水头损失40cm，土样l渗透系数为0.03cm/s，土样2水力坡降为0.5。求土样2的渗透系数和土样1的水力坡降。图3-2解水头损失之和等于总水头损失：h1+h2=h=40cm根据水力坡降的概念，有i2=h2/L2=0.5，而L2=20cm得h2=10cmh1=h-h2=40-10=30cm3.2土的渗透性3

20、 土的渗透性及渗流三.渗透试验及渗透系数第45页/共110页解土样1的水力坡降i1=h1/L1=1.5水在土样1和土样2中渗流时的速度相同:v=k1i1=k2i2得k2=0.09cm/s。图3-2例题3-2 两种土,土样1位于土样2的上部，长度都是20cm,总水头损失40cm，土样l渗透系数为0.03cm/s，土样2水力坡降为0.5。求土样2的渗透系数和土样1的水力坡降。3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流三.渗透试验及渗透系数第46页/共110页47小 结n水头与水力坡降n渗透试验与达西定律n渗透系数的测定及影响因素n层状地基的等效渗透系数总水头=位置水头+压力水头水头是渗流的驱动力达西定律

21、渗透系数、渗透速度达西定律的适用条件 常水头试验 变水头试验 抽水试验 渗透系数影响因素 水平等效渗透系数 垂直等效渗透系数3.2土的渗透性3 土的渗透性及渗流第47页/共110页483.2 土的渗透性第三章 土的渗透性及渗流3.3 土中二维渗流及流网 3.4 渗透破坏与控制 3.1 概述 第48页/共110页493.3土中二维渗流及流网 hh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xz3.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第49页/共110页50Laplace方程（基本方程）连续性条件达西定律流线方程假定kx=kz流线描述水头描述

22、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3.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第50页/共110页51连续性条件一.平面渗流的基本方程及求解1.基本方程水头描述3.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第51页/共110页52 连续性条件 达西定律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 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 3.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第52页/共110页531.

23、基本方程流线描述一.平面渗流的基本方程及求解 xz+ddql 同一条流线上，流函数的值为常数，流线不能相交l 两条流线流函数的差值等于其间通过的流量vxvzdz-dx(x,z)3.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第53页/共110页54一.平面渗流的基本方程及求解 流线描述1.基本方程 Laplace方程1）势函数和流函数均满足拉普拉斯方程2）势函数等值线和流函数等值线正交，任一点两线的斜率互成负倒数3）势函数和流函数为共轭调和函数，两者完备地描述了一渗流场+d+dba3.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第54页/共110页55一.平面渗流的基本方程及求解 2.求解方法确定

24、渗流场内各点的测管水头h的分布基本方程边界条件定解条件其它各量3.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第55页/共110页56一.平面渗流的基本方程及求解 2.求解方法 边界条件透水层不透水层基坑板桩墙水头边界条件：首尾等水头线12 流速边界条件：边界流线3 其它边界条件：渗出面、自由水面11223.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第56页/共110页57一.平面渗流的基本方程及求解 2.求解方法 解析方法试验比拟方法（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(x,z)流函数(x,z)等势线流线相互正交边界条件特定解差

25、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3.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第57页/共110页58二.流网的绘制及应用流网渗流场中的两组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。Hh03.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第58页/共110页59 基本要求1.正交性：流线与等势线（等水头

26、线）必须正交二.流网的绘制及应用 Hh0lsls2.等间隔流线与等间隔等势线形成的流网中，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。+d+dba通解数学描述几何表示3.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第59页/共110页60画法：1）确定边界条件：边界流线和首尾等势线2）研究水流的方向：流线的走向3）判断网格的疏密大致分布4）初步绘制流网的雏形：正交性、曲边正方形5）反复修改和检查H=H1-H20H1H2不透水层要点：边界条件、正交性、曲边正方形、多练习lsabc defgh一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成。3

27、.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第60页/共110页61主要特点与上下游水位变化无关 h=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 Hh0lsls3.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第61页/共110页62测管水头h 实际应用 确定孔压 确定流速 确定流量二.流网的绘制及应用 水力坡降Hh0lslsM:流道数H=h/N:相邻等势线间的水头损失3.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第62页/共110页63 例题例题3.3 3.3 在下图中，在下图中，H H1 1=11m=11m，H H2 2=2m=2m，板桩的入土深度，板桩的入土深度是

28、是5m5m，地基土的渗透系数是，地基土的渗透系数是510510-4-4cm/seccm/sec，土的比重，土的比重Gs=2.69Gs=2.69，孔隙率，孔隙率n=39%n=39%。求图中点求图中点A A和点和点B B的孔隙水压力。的孔隙水压力。3.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第63页/共110页64解：解：在图中，流网网格在图中，流网网格N Nd d =10=10，N Nf f =5=5，总水头总水头H H1 1H H2 2=11=112=9m2=9m，则每个网格的水头损失，则每个网格的水头损失 h h=9/10=0.9m=9/10=0.9m。A A、B B两点的孔隙水压力分别为

29、：两点的孔隙水压力分别为：u uA A=(5+11=(5+110.9)9.8=148.0kN/m0.9)9.8=148.0kN/m2 2 u uB B=(5+11=(5+110.99)9.8=77.4kN/m0.99)9.8=77.4kN/m2 23.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第64页/共110页65图中:H1=10m,H2=2m,板桩入土深4.3m,k=10-3cm/s求1m宽板桩一天的渗流量.例题3.43.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第65页/共110页66求1m宽板桩一天的渗流量K=10-3cm/s=0.864m/d=10-310-2606024m/dNf(

30、流管数)=5Nd(等势线间隔数）=8所以每米的流量为:流量流管数qd1d13.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第66页/共110页67Laplace方程（基本方程）连续性条件达西定律假定kx=kz流线方程水头描述势函数 流线描述流函数共轭、正交理论基础边界条件小结求解平面渗流的基本方程及求解流网的绘制及应用实际应用基本要求主要特点绘制方法3.3土中二维渗流及流网 3 土的渗透性及渗流第67页/共110页683.2 土的渗透性第三章 土的渗透性及渗流3.3 土中二维渗流及流网 3.4 渗透破坏与控制 3.1 概述 第68页/共110页693.4 渗透破坏与控制 一.渗透力1、试验观察渗

31、透变形渗透力二.渗透变形（渗透破坏）2、物理本质3、计算方法土水整体分析土水隔离分析3 土的渗透性及渗流第69页/共110页70一.渗透力1、试验观察h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。h0 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。h1hh200hwL土样滤网贮水器a b3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第70页/共110页71一.渗透力h1hh200hwL土样滤网贮水器a b土粒渗 流j渗透力与浮力有何区别？2、物理本质3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第71页/

32、共110页72h200hwL土样滤网贮水器a bP2WP1R静水中的土体A=1W=LsatL(+w)P1=whwP2=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whw R=L 土水整体分析一.渗透力3、计算方法3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第72页/共110页73h1hh200hwL土样滤网贮水器a bP2WP1R静水中的土体A=1W=LsatL(+w)P1=whwP2=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whw R=L whR=L 渗流中的土体一.渗透力土水整体分析3、计算方法3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第73页/共110页74h1hh

33、200hwL土样滤网贮水器a bP2WP1R静水中的土体A=1R=L whR=L 渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少减少的部分由谁承担？水与土之间的作用力渗流的拖曳力总渗透力J=wh渗透力j=J/V=wh/L=wij=wi一.渗透力土水整体分析3、计算方法3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第74页/共110页75h1hh200hwL土样滤网贮水器a bP2WP1RA=1R=L wh渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，滤网支持力减少临界水力坡降i=h/L=/wicr=/wL wh=0一.渗透力土水整体分析3、计算方法3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第75页/共11

34、0页76P2WP1Rh1hh200hwL土样滤网贮水器a bA=1P1+Ww+J=P2水体的平衡条件j=wiwhw+wL+jL=wh1WJWwJ=R+P2P1P1=whwP2=wh1Ww=Vvw+Vsw=Lw土水隔离分析一.渗透力3、计算方法3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第76页/共110页77渗透力的性质物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力j=wi大小：方向：与i方向一致（均质土与渗流方向一致）作用对象：土骨架一.渗透力3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第77页/共110页78利用流网求渗透力复杂条件总渗透力大小：j网格面积方向：与i方向一致（均

35、质土：流线）作用点：形心流网较密处i较大，该处渗透力也大不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同Hh0lsls一.渗透力3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第78页/共110页79基本类型 二.渗透变形（渗透破坏）流土管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件 防治措施 3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第79页/共110页80粘性土k1k2砂性土k2坝体1.基本类型 二.渗透变形（渗透破坏）流土在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象渗流原因：3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第80页/共110页81坝体F 原因内因：有足够多的粗颗粒形成

36、大于细粒直径的孔隙外因：渗透力足够大 n在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道渗流过程演示1.在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流失2.孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗颗粒也相继被水带走3.形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷管涌3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第81页/共110页821.基本类型流土与管涌的比较 流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等现象位置土类历时后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动

37、可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口二.渗透变形 3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第82页/共110页832.形成条件Fs:安全系数1.52.0二.渗透变形 i :允许坡降i icr:土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体处于临界状态流土经验判断：无压重时：3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第83页/共110页84较均匀土（Cu10）二.渗透变形 2.形成条件管涌几何条件水力条件一般发生在无粘性土中级配孔隙及细粒判定非管涌土粗粒形成的孔隙通道小于细粒径不均匀土（Cu10）不连续连续D0=0.25d20细粒含量

38、35%细粒含量25%细粒含量=25-35%D0 d5D0=d3-d5管涌土过渡型土非管涌土非管涌土管涌土过渡型土几何条件P(%)lgd骨架充填料P53d5d33.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第84页/共110页85水力条件：i icr5 10 15 20 25 30 35 402.01.51.00.50icrCu流土过渡管涌二.渗透变形 2.形成条件Cu 20时,icr =0.25-0.30 i=0.10-0.15苏联：中国：水力坡降级配连续土级配不连续土破坏坡降icr0.20-0.400.1-0.3允许坡降i0.15-0.250.1-0.23.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流

39、第85页/共110页863.防治措施 增大i：下游增加透水盖重 二.渗透变形防治流土土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层减小i ：上游延长渗径；下游减小水压防治管涌改善几何条件：设反滤层等改善水力条件：减小渗透坡降3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第86页/共110页87 例题例题 在图所示的三种试验中,砂的=9.8kN/m3。试问：(1)试分别求图13（a）和图13（b）中作用于底面AB的应力是多少？(2)在图13（c）中，当h增加到多少时会产生流沙现象？3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第87页/共110页883.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第88页/共110

40、页89渗流工程问题与处理措施渗流工程问题与处理措施 一、渗流工程问题一、渗流工程问题1.地下水的浮托作用 地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建筑物基础产生浮托力 2.地下水的潜蚀作用 在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细砂、粉土地层中 3.流砂 流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。通常易在粉细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现 3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第89页/共11

41、0页904.基坑突涌 当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁基坑底板，这种现象称为基坑突涌3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第90页/共110页91二、防渗处理措施二、防渗处理措施1.水工建筑物渗流处理措施 水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏”为原则，上游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形 垂直截渗 主要目的:延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗 3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第91页/共1

42、10页92设置水平铺盖 上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径 粘土铺盖设置反滤层 砂垫层水位加筋土工布回填中粗砂抛石棱体设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层 3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第92页/共110页93排水减压 粘性土含水层减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深挖排水槽 3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第93页/共110页942.基坑开挖防渗措施工程降水 采用明沟排水和井点降水的方法人工降低

43、地下水位在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出原地下水位明沟排水原水位面一级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位 3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第94页/共110页95设置板桩 沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降钢板桩水下挖掘 在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，并同时进行挖掘 3.4渗透破坏与控制 3 土的渗透性及渗流第95页/共110页96土坝，高90m，

44、长1000m，1975年建成，次年6月失事渗透破坏：冲蚀 水力劈裂Teton坝失事现场现状原因土石坝坝基坝身渗流破坏实例第96页/共110页97 图为发生在上海黄浦江隧道施工中流土带来的灾害。施工中发生渗水后，随后出现大量流砂涌入施工中的隧道，导致中山南路部分地面下沉，建筑倾斜。第97页/共110页98九江大堤决口1998年8月7日13:10发生管涌险情，很快形成宽62m的溃口堤基管涌焦点词汇：豆腐渣工程原因土石坝坝基坝身渗流破坏实例第98页/共110页992002.8.22湘江大堤望城靖港镇东湖责任段出现散浸，并有个别散浸点转化为管涌，经抢险队伍用砂卵石将散浸口和管涌口压住，其他管涌和也被砂

45、卵石填压。大堤从凌晨1时出现的险情到下午5点得到了完全控制。最大的管涌处最大的管涌处第99页/共110页100沟后面板砂砾石坝位于青海省，高71米，长265米，建于1989年。1993年8月7日突然发生溃坝，是现代碾压堆石坝垮坝的先例。溃坝原因：面板止水失效，下游坝体排水不畅，造成坝坡失稳土石坝坝基坝身渗流破坏实例第100页/共110页101广州京广广场基坑塌方基坑渗流破坏第101页/共110页102珠海祖国广场基坑失事基坑渗流破坏第102页/共110页103西藏易贡巨型滑坡F时间：2000年4月9日约20时F规模：滑坡体自相对高差近3330m的雪峰阳坡滑下，历时约10分钟，滑程8km。堆积体

46、长、宽各约2500m，平均厚60m，最厚100m，体积约2.8亿-3.0亿m3。F地质：滑坡堆积体80%以上是砂性土F险情：堵塞易贡藏布江成堰塞湖，湖水面积22km2，湖长17km，水位以每天0.5-0.6m的速度上涨，湖水无下泄通道，预计6月底湖水将上涨至堆积体顶，拦存湖水将达40亿-60亿m3 降雨入渗引起的滑坡第103页/共110页104西藏易贡巨型高速滑坡降雨入渗引起的滑坡第104页/共110页105西藏易贡巨型高速滑坡降雨入渗引起的滑坡第105页/共110页106湖水每天上涨50cm！易贡巨型滑坡现场降雨入渗引起的滑坡第106页/共110页107n预案一：加强监测，上、下游移民工作，

47、库满自溢漫顶溃口n预案二：在堆积体最低处开渠引流，水库溢流漫顶溃口。n预案三：在右岸山体垭口开溢洪道，改造堆积体成坝，堰塞湖成库易贡滑坡处理预案最终采用预案二降雨入渗引起的滑坡第107页/共110页108n武警部队等700多名抢险人员，奋战33天，累计开挖土石方135.5万m3，有效降低了堆积体过水高程24.1m，减少拦存湖水约20亿m3n施工队伍6月4日撤离；6月8日6时40分，泄水渠过水，至11日2时50分堆积体溃决；11日21时，滑坡体拦存的湖水按预定方案完全下泄n泄洪时易贡湖库容量已达30多亿立方米易贡滑坡处理结果降雨入渗引起的滑坡第108页/共110页109小结工程实例渗流问题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渗流中的水头与水力坡降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平面渗流的基本方程及求解 流网的绘制及应用 渗透力：概念与计算渗透变形：类型，条件，防治3 土的渗透性及渗流第109页/共110页110感谢您的观看！第110页/共110页