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1、一、土具有广泛的工程应用一、土具有广泛的工程应用二、存在大量与土有关的二、存在大量与土有关的土力学土力学可以解决工程实践问题，确保工程正常安全的可以解决工程实践问题，确保工程正常安全的使用使用, ,这正是这正是土力学存在的价值以及我们学习土力学土力学存在的价值以及我们学习土力学的目的。的目的。渗透问题渗透问题强度问题强度问题变形问题变形问题第三章第三章土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 2第三章第三章 3.1 概述概述3.2 土的渗透性土的渗透性 3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制3渗流渗流渗透性渗透性土具有被水、液体等透过的性质土具有被水、液体等透
2、过的性质水、液体等在土体孔隙中流动的现象水、液体等在土体孔隙中流动的现象土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流渗透：液体从物质微孔中透过的现象渗透：液体从物质微孔中透过的现象3.1 3.1 概述概述3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.1 3.1 概述概述l 土是具有连续孔隙的介质。当土作为建筑物的地土是具有连续孔隙的介质。当土作为建筑物的地基和直接用作建筑材料时，水就会在水位差的作基和直接用作建筑材料时，水就会在水位差的作用下，从水位较高的一侧透过土的孔隙流向水位用下，从水位较高的一侧透过土的孔隙流向水位较低的一侧。较低的一侧。渗流量渗流量渗透变形渗透变形土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙
3、及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 53 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 概述概述起因：渗水起因：渗水压力压力扬压力扬压力渗流量渗流量渗透渗透破坏破坏透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流63 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 概述概述渗流量渗流量透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q水井渗流水井渗流7渗流量渗流量原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位渠道渗流渠道渗流3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 概述概述82 2 土的渗透性及渗流
4、土的渗透性及渗流 概述概述渗流滑坡渗流滑坡渗流滑坡渗流滑坡9川藏公路川藏公路二郎山隧道二郎山隧道位于四川省雅安市位于四川省雅安市和甘孜州交界的二郎山和甘孜州交界的二郎山防渗墙防渗墙防渗墙射水法施工防渗墙16 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 概述概述173 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 概述概述183.2.1 3.2.1 渗流基本概念渗流基本概念3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性一渗流中的水头一渗流中的水头 (伯努力定理伯努力定理1738)ABL透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙19ABLh1h2zAwApwBpzBh
5、h00基准面基准面水力坡降线水力坡降线gvpzhw22wAApzh1wBBpzh2hhh21 wpzhLhi 单位质量水体所具有的能量z：位置水头位置水头p/p/w w：压力水头压力水头V2/(2g)：流速水头流速水头0 0A A点总水头：点总水头：B B点总水头：点总水头：总水头：总水头：水力水力梯度梯度：3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性3.2.1 渗流基本概念渗流基本概念203 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.2 3.2 土的渗透性土的渗透性 Darcy渗透定律渗透定律 (1855)l 由于土中孔隙一般非常微由于土中孔隙一般非常微小，
6、水在土体中流动时的小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大，流速缓慢粘滞阻力很大，流速缓慢 层流层流h，q A，q L， qLhAq 断面平均流速断面平均流速水力水力梯度梯度Aqv Lhi ivq- 流量达西渗透试验装置21达西定律达西定律ikv 渗透定律3.23.2土的渗透性土的渗透性 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v v与水力坡降与水力坡降i i的一的一次方成正比，并与土的性质有关。次方成正比，并与土的性质有关。3.2.23.2.2层流渗透定律层流渗透定律iv k: k: 反映土的透水性能的比例系数，称为反映土的透水性能的比例系
7、数，称为渗透系数渗透系数物理意义：水力坡降物理意义：水力坡降i i1 1时的渗流速度时的渗流速度单位：单位：mm/s, cm/s, m/s, m/daymm/s, cm/s, m/s, m/day各类土渗透系数变化范围各类土渗透系数变化范围22nvvvs 3.23.2土的渗透性土的渗透性 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.2.23.2.2层流渗透定律层流渗透定律注意注意( (教材教材P64P64) )：AAvAAnv V V：假想渗流速度，土体：假想渗流速度，土体试样全断面试样全断面的平均渗流速度的平均渗流速度V Vs s：实际平均渗流速度：实际平均渗流速度 ( (孔隙断面孔隙断面
8、的平均渗流速度的平均渗流速度) )A AvqVA VsAv233.23.2土的渗透性土的渗透性 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.2.23.2.2层流渗透定律层流渗透定律流速与水力梯度的关系流速与水力梯度的关系砂土砂土砂土的水力梯度砂土的水力梯度与渗透速度呈线与渗透速度呈线性关系，符合达性关系，符合达西渗透定律。西渗透定律。243.23.2土的渗透性土的渗透性 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.2.23.2.2层流渗透定律层流渗透定律粗粒土：粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律砾石类土中的渗流不符合达西定律砂土中渗透速度砂土中渗透速度 vcr= =0.3-0.5cm/
9、s 适用条件适用条件ivovcrivoi0层流（线性流）层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土重的粘性土 两种特例两种特例粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )1m(kivm 253.23.2土的渗透性土的渗透性 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.2.33.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数室内试验测定方法室内试验测定方法野外试验测定方法野外试验测定方法常水头试验法常水头试验法变水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔抽水试验井孔注水试验井孔注水试验263.23.2土的渗透性土的渗透性
10、 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.2.33.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数 室内试验方法室内试验方法1 1常水头试验法常水头试验法结果整理结果整理试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h，A，L=const量测变量量测变量: : Q，ti=h/Lq=Q/tq=kAiA A hthtQLQLk k 适用土类：适用土类：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土那如果渗透系数很小的黏土怎么办？那如果渗透系数很小的黏土怎么办？273.23.2土的渗透性土的渗透性 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.2.33.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数 室内
11、试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h变化变化，A，L=const量测变量量测变量: : h ，t透水性较小的粘性土透水性较小的粘性土常水头法仅适用于：常水头法仅适用于：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土28scmAhkvAqA/1 . 0101050510503210353050BCBBAhhkhkhk解解（1）设渗流经过设渗流经过A土后的水头降落值为土后的水头降落值为h，经过，经过B土后的水土后的水头降落值为头降落值为hB。根据各断面的渗流。根据各断面的渗流速度相等，有：速度相等，有：VA=VB=VC 即：即：CBAqqq
12、q（2）h = 35cm50cm30cm10cmABC如下图所示，有如下图所示，有A、B、C三种土，三种土， 其渗透系数分别为其渗透系数分别为 KA=110-2cm/s, KB=310-3 cm/s, KC=510-4 cm/s, 装在断面装在断面为为10cm10cm的方管中，问：（的方管中，问：（1）渗透经过）渗透经过A土后的水头降土后的水头降落值落值h为多少？为多少？ （提示：提示：A,B,C断面的渗流速度相等断面的渗流速度相等）（2）若要保）若要保持上下水头差持上下水头差h=35cm,需要每秒加多少水？需要每秒加多少水？cmh5例题例题1tt+ t3.23.2土的渗透性土的渗透性 3 3
13、 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.2.33.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数 室内试验方法室内试验方法2 2变水头试验法变水头试验法结果整理结果整理:理论依据理论依据: :t时刻：时刻： htdhdQr= - adhdQc=kiAdt=k (h/L)AdtdQr=dQc流入量流入量：流出量：流出量：连续性条件：连续性条件：-adh =k (h/L)AdthdhkAaLdt 2 21 12 21 1h hh ht tt th hdhdhkAkAaLaLdtdt2 21 11 12 2h hh hlnln) )t tA(tA(taLaLk k2 21 11 12 2hhhhlglg
14、) )t t- -A(tA(taLaL2.32.3k k 选择几组选择几组h1, h2, t ，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值(3-12b)303.23.2土的渗透性土的渗透性 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.2.33.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验条件条件已知已知测定测定算式算式取值取值h=consth变化变化h，A，LQ，t重复试验后，取均值重复试验后，取均值a，A，Lh，t2 21 11 12 2hhhhlnln) )t tA(tA(taLaLk kA A h ht tQ QL Lk k 不同时段试验，取均值
15、不同时段试验，取均值适用适用粗粒土粗粒土粘性土粘性土313.23.2土的渗透性土的渗透性 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.2.33.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数方法同方法同地下水动力学地下水动力学略略粒径大小及级配粒径大小及级配土的密实度土的密实度土的结构土的结构土的构造土的构造土土粒粒特特性性、流流体体特特性性）(fk l水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数l饱和度（含气量）饱和度（含气量） 对对k k影响很大，封闭气泡影响很大，封闭气泡323.23.2土的渗透性土的渗透性 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.2.33.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透
16、系数H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层不透水层水平渗流水平渗流条件条件: :Lhiii ixxqq iHH等效渗透系数等效渗透系数: :qx=vxH=kxiHqix=kiiiHi iixHkH1k3-203-20意义：将意义：将Kix按厚度加权按厚度加权II333.23.2土的渗透性土的渗透性 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.2.33.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数H1H2H3Hhk1k2k3xz竖直渗流竖直渗流:q承压水承压水条件条件:q qq qi i ihh iHH等效渗透系数等效渗透系数: : iizkHHk3-21qi =
17、ki (h hi i/ /Hi) Ai ii ii ik kqHqH h h Az zk kqHqH h h Ai ii iz zk kqHqHk kqHqHAA34水平渗流情形水平渗流情形垂直渗流情形垂直渗流情形条件条件已知已知等效等效推定推定Lhii;HH;qqiii .k.;H,H121iHkqx iixHkH1ki ii i2 21 1H HH H; ;h hhhq;q;.q qq q.k,k.;H,H2121Hhkikvzz iizkHHk3.23.2土的渗透性土的渗透性 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.2.33.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数353.23.
18、2土的渗透性土的渗透性 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.2.33.2.3渗透试验及渗透系数渗透试验及渗透系数算例说明算例说明 day/m100k,m0 . 1Hday/m1k,m0 . 1Hday/m01. 0k,m0 . 1H332211 按层厚加权平均，由较大值控制按层厚加权平均，由较大值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制day/m67.33HHkkiix day/m03. 0kHHkiiz 因此，成层土因此，成层土kxkz36373 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.3 土中土中二维渗流二维渗流及流网及流网Laplace方程方程zxzv
19、xvdxxvvxx dzzvvzz 连续性条件连续性条件zxkk 假定：假定： h稳定渗流稳定渗流h=h(x,z), v=v(x,z)取单宽：取单宽： dy=1与时间无关与时间无关达西定律达西定律二维渗流的基本方程二维渗流的基本方程 1. 基本方程基本方程h h恒定、恒定、v v不变不变383.33.3土中二维流渗流及流网土中二维流渗流及流网 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.3.13.3.1二维渗流方程二维渗流方程1. 基本方程基本方程zxzvxvdxxvvxx dzzvvzz 0zvxvzx zhkv;xhkvzzxx 连续性条件连续性条件 达西定律达西定律zxkk 假定假定
20、dxvdzvdqzxe dx)dzzvv(dz)dxxvv(dqzzxxo oedqdq 0zhxh2222 0zhkxhk22z22x Laplace方程方程描述渗流场内部的测管水头的分布，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是平面稳定渗流的基本方程式取单宽：取单宽： dy=1（3-223-22）平面渗流连续方程）平面渗流连续方程393.33.3土中二维流渗流及流网土中二维流渗流及流网 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.3.13.3.1二维渗流方程二维渗流方程2. 求解方法求解方法确定渗流场内各点的确定渗流场内各点的测管水头测管水头h的分布，的分布，进而求得
21、该条件下的进而求得该条件下的渗流场渗流场基本方程基本方程边界条件边界条件定解条件定解条件403.33.3土中二维流渗流及流网土中二维流渗流及流网 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.3.13.3.1二维渗流方程二维渗流方程2. 求解方法求解方法0zhxh2222 装置：装置：如图如图条件条件: : h，A，L=const , 一维流一维流022 zh解得解得h=A1z+A2z=0 , h=h1Z=H1 ,h=h2A2=h1h2=A1H1+h1 或或 1211HhhA解得解得h=A1z+A2解得解得h2=A1H1+h1 或或 1211HhhA基准面基准面413.33.3土中二维流渗流及
22、流网土中二维流渗流及流网 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.3.13.3.1二维渗流方程二维渗流方程2. 求解方法求解方法h=A1z+A2A2=h1 1 12 21 11 1H Hh hh hA Ah=A1z+A2 z=H1 , h=h2 z=H1+ H2 , h=00=A1(H1+H2)+(h2-A1H1) 2 22 21 1H Hh hA A A2=h2-A1H11 11 12 21 1h hz zH Hh hh hh h （3-31）基准面基准面423.33.3土中二维流渗流及流网土中二维流渗流及流网 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.3.13.3.1二维渗流方程
23、二维渗流方程2. 求解方法求解方法h=A1z+A22 22 21 1H Hh hA A A2=h2-A1H1 根据连续性条件根据连续性条件 通过土层通过土层1和土层和土层2的流量相等的流量相等 达西定律达西定律 q=kiA A AH H0 0h hk kA AH Hh hh hk kq q2 22 22 21 12 21 11 1 2 22 21 11 11 11 11 12 2H Hk kH Hk kH Hk kh hh h解得解得: 2 21 12 22 22 2H HH H1 1h hz zH Hh hh h（3-34）（3-36）h2 现实中一般是不知现实中一般是不知道的道的基准面基准
24、面433.33.3土中二维流渗流及流网土中二维流渗流及流网 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.3.13.3.1二维渗流方程二维渗流方程2. 求解方法求解方法 2 22 21 11 11 11 11 12 2H Hk kH Hk kH Hk kh hh h 2 21 12 22 22 2H HH H1 1h hz zH Hh hh h1 11 12 21 1h hz zH Hh hh hh h 1 12 22 21 12 21 1H Hk kH Hk kz zk k1 1h hh h z zH HH HH Hk kH Hk kk kh hh h2 21 11 12 22 21 11
25、11 1（3-34）（3-31）（3-36）一维一维稳定稳定流情流情况下况下拉普拉普拉斯拉斯方程方程的解的解443.33.3土中二维流渗流及流网土中二维流渗流及流网 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.3.13.3.1二维渗流方程二维渗流方程2. 求解方法求解方法已知已知H H1 1=300mm=300mm，H H2 2=500mm=500mm，h h1 1=600mm=600mm，在在z=200mmz=200mm处，处，h=500mmh=500mm，求，求z=600mmz=600mm时时h h为多少？为多少？解解 ：当：当z=200mmz=200mm时位于土层时位于土层1 1，因此
26、采用式（，因此采用式（3-373-37） 1 12 22 21 12 21 1H Hk kH Hk kz zk k1 1h hh h 300300k k500500k k200200k k1 16006005005002 21 12 2得得k1/k2=1.8z=600mmz=600mm时位于土层时位于土层2,2,因此采用式因此采用式(3-28)(3-28) z zH HH HH Hk kH Hk kk kh hh h2 21 11 12 22 21 11 11 1 180mm180mm6006005005003003001.81.83003005005001 1600600h h z zH H
27、H HH Hk kk kH H1 1h hh h2 21 11 11 12 22 21 1基准面基准面45l求解拉氏方程的方法：解析法数值法电拟法比较精确，但只有在边界条件简单的情况下才能求解有限差分法（FDM）有限单元法（FEM）电网络模拟边界条件比较复杂的渗流图解法简便、迅速3.33.3土中二维流渗流及流网土中二维流渗流及流网 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.3.2 3.3.2 流网特征与绘制流网特征与绘制l求解拉氏方程的方法：简便、迅速l求解拉氏方程的方法：简便、迅速简便、迅速简便、迅速简便、迅速463.33.3土中二维流渗流及流网土中二维流渗流及流网 3 3 土的渗透性及
28、渗流土的渗透性及渗流 3.3.2 3.3.2 流网特征与绘制流网特征与绘制 流流 网网渗流场中渗流场中等势线等势线和和流线流线所形成的正交曲线网格。所形成的正交曲线网格。 流流 线线水质点运动的轨迹线。水质点运动的轨迹线。 等势线等势线测管水头相同的点之连线测管水头相同的点之连线 。 图解法图解法通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。HH01. 流网的特征流网的特征流网的概念流网的概念473.33.3土中二维流渗流及流网土中二维流渗流及流网 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.3.2 3.3.2 流网特征与绘制流网特征与绘制1
29、. 流网的特征流网的特征 流网特征流网特征1. 正交性：流线与等势线必须正交正交性：流线与等势线必须正交HH0lsls2. 各个网格的长宽比各个网格的长宽比c应为常数。取应为常数。取c=1c=1，即为曲边正方形，即为曲边正方形3. 相邻等势线之间的水头损失相等。相邻等势线之间的水头损失相等。4.各流槽的渗漏量相等。各流槽的渗漏量相等。483.33.3土中二维流渗流及流网土中二维流渗流及流网 3.3.2 3.3.2 流网特征与绘制流网特征与绘制2. 流网的绘制流网的绘制ABCDlsHH H00ls按比例绘出结构按比例绘出结构物、地层剖面图物、地层剖面图一个高精度的流网图，需经过一个高精度的流网图
30、，需经过多次的修改后才能完成。多次的修改后才能完成。根据渗流场根据渗流场的边界条件的边界条件确定边界流线确定边界流线和首尾等势线和首尾等势线正交性正交性曲边正方形曲边正方形初步绘制流网初步绘制流网流线流线等势线等势线反复修改，调整反复修改，调整精度较高的流网图精度较高的流网图493.33.3土中二维流渗流及流网土中二维流渗流及流网 3.3.2 3.3.2 流网特征与绘制流网特征与绘制 流网特点流网特点与上下游水位变化无关与上下游水位变化无关 h=consth=const；与与k k无关；无关；等势线上各点测管水头等势线上各点测管水头h h相等。相等。HH0lsls2. 流网的绘制流网的绘制50
31、3.33.3土中二维流渗流及流网土中二维流渗流及流网 3.3.2 3.3.2 流网特征与绘制流网特征与绘制3. 渗漏量的计算渗漏量的计算 等势线间的水头损失等势线间的水头损失 h= H/NdNd等势线条数减等势线条数减1LbNHkLhbkLhkbAkiqd )1( 确定每个流槽的流量确定每个流槽的流量HH0lsls 网格长宽比网格长宽比1 1L Lb b 总渗流量总渗流量dfiNdNNHkNHf 1 1i ik kq qNf为流槽数，等于流线减为流槽数，等于流线减1513.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 522003年7月1日凌晨6：00，上
32、海轨道交通4号线旁通道工程施工作业面内，因因大量水及流砂涌入大量水及流砂涌入，引起隧道部分结构损坏及周边地区地面沉降，造成三栋建筑物严重倾斜，防汛墙局部塌陷，导致防汛墙围堰管涌，直接经济损失初步估算为1.5亿元人民币左右。3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 渗流土体内部应力状态变化土体的局部稳定问题土体的整体稳定问题管涌、流土等水库塌岸岸坡、土坝在水位降落时引起的滑动533.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 3.4.1 3.4.1 渗透力渗透力 试验观察h=0 h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。静水中，土骨架会受到浮力作用。h0
33、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。架产生一个摩擦、拖曳力。渗透力渗透力 j 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。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。渗透变形渗透变形渗透力渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b543.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 3.4.1 3.4.1 渗透力渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bGwwhwAw wh1Aw
34、Jl假想将土骨架和水分开假想将土骨架和水分开,对假想水柱取脱离体对假想水柱取脱离体:n水柱重力水柱重力Gw=Vvw+Vsw=LAwwn渗透力为渗透力为J; 渗透阻力为渗透阻力为J。n总阻力为总阻力为 JLAwn做水柱体的平衡方程式有做水柱体的平衡方程式有:whwAw+Gw+JLAw=wh1Awi i L L h h L LL)L)h h(h(h J Jw ww ww w1 1w w i i J JJ Jw w (3-42)55渗透力的性质渗透力的性质物理意义：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，它是体积力体积力j = wi大小：大小
35、：方向：方向：与渗流方向一致与渗流方向一致作用对象：作用对象：土骨架土骨架3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 3.4.1 3.4.1 渗透力渗透力563.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 l 1 1点，渗流力与重点，渗流力与重力方向一致，渗力方向一致，渗流力促使土体压流力促使土体压密，对稳定有利密，对稳定有利l 2 2点，点，3 3点，渗流点，渗流力与重力方向正力与重力方向正交，对稳定不利交，对稳定不利l 4 4点点，渗流力与重，渗流力与重力方向相反，对力方向相反，对稳定特别不利稳定特别不利573.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 3.4.2 3.4.2 流砂或流土现
36、象流砂或流土现象按照渗透水流引起的局部破坏特征，渗按照渗透水流引起的局部破坏特征，渗透变形可分为透变形可分为流土流土和和管涌管涌两种基本形式两种基本形式是指在渗流作用下局部土体表面隆是指在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时浮动而流失的现象。起，或土粒群同时浮动而流失的现象。它主要发生在地基或土坝它主要发生在地基或土坝下游渗流逸出下游渗流逸出处。处。基坑或渠道开挖时所出现的基坑或渠道开挖时所出现的流砂现象是流砂现象是流土的一种常见形式流土的一种常见形式583.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 3.4.2 3.4.2 流砂或流土现象流砂或流土现象粘性土粘性土k110Cu10）不连续不
37、连续连续连续细粒含量细粒含量35%35%细粒含量细粒含量25%35% 管涌土管涌土过渡型土过渡型土非管涌土非管涌土非管涌土非管涌土管涌土管涌土过渡型土过渡型土几何条件几何条件P(%)lgd骨架骨架充填料充填料P53d5d33.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 3.4.3 3.4.3 管涌和潜蚀现象管涌和潜蚀现象填料含量填料含量 icr5 10 15 20 25 30 35 402.01.51.00.50icrCu流土流土过渡过渡管涌管涌Cu 20时时, icr =0.25-0.30 i=0.10-0.15苏联：苏联：中国：中国：水力坡降级配连续土级配不连续土破坏坡降icr0.20-0.
38、400.1-0.3允许坡降i0.15-0.250.1-0.271防治措施防治措施 scrFiii 增大增大ii：下游增加透水盖重下游增加透水盖重 防治流土防治流土土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层减小减小i i ：上游延长渗径；上游延长渗径； 下游减小水压下游减小水压防治管涌防治管涌改善几何条件：改善几何条件：设反滤层等设反滤层等改善水力条件：改善水力条件：减小渗透坡降减小渗透坡降3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 3.4.3 3.4.3 管涌和潜蚀现象管涌和潜蚀现象72管涌的治理l 倒滤层（又称：反滤层）73管涌的治理l 反滤围井74管
39、涌的治理l 蓄水反压75整体破坏水库塌岸76土的类型与渗透变形形式粘性土无粘性土过渡型土只有流土而无管涌与土的颗粒组成、级配和密度等因素有关与密度有关，大密度流土，小密度管涌77小结小结工程实例工程实例渗流问题渗流问题土的渗透性土的渗透性及渗透规律及渗透规律二维渗流二维渗流及流网及流网渗透力与渗透力与渗透变形渗透变形渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律渗透系数的测定及影响因素渗透系数的测定及影响因素层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数平面渗流的基平面渗流的基本方程及求解本方程及求解 流网的绘流网的绘制及应用制及应用 渗透力：渗透力：概念与计算
40、概念与计算渗透变形：渗透变形：类型，条件，防治类型，条件，防治3 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 78第三章 练习题79l1.什么叫渗透力，其大小和方向如何确定？803 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 答：地下水在土体中流动时，由于受到土的阻力，而引答：地下水在土体中流动时，由于受到土的阻力，而引起水头损失，从作用力与反作用力的原理可知，起水头损失，从作用力与反作用力的原理可知，水流经水流经过时必定对土颗粒施加一种渗流作用力，单位体积土颗过时必定对土颗粒施加一种渗流作用力，单位体积土颗粒所受到的渗流作用力称为渗透力粒所受到的渗流作用力称为渗透力。渗流力的大小与水。渗流力的大小与水力
41、梯度成正比，其方向与渗流方向一致。力梯度成正比，其方向与渗流方向一致。l2.达西定律的基本假定是什么？试说明达西渗透定律的应用条件和适用范围。l？813 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 答：由于土的孔隙很小，在大多数情况下水在孔隙中的答：由于土的孔隙很小，在大多数情况下水在孔隙中的流速较小，可以认为属于层流（即水流流线相互平行的流速较小，可以认为属于层流（即水流流线相互平行的流动），那么土中的渗流规律可以认为是符合层流渗透流动），那么土中的渗流规律可以认为是符合层流渗透定律。由于定律。由于达西定律只适用于层流的情况达西定律只适用于层流的情况，故一般只用，故一般只用于中砂、细砂、粉砂等，对
42、粗砂、砾石、卵石等粗粒土于中砂、细砂、粉砂等，对粗砂、砾石、卵石等粗粒土不适合；而不适合；而黏土中的渗流规律不完全符合达西定律黏土中的渗流规律不完全符合达西定律，需，需进行修正。进行修正。l3.渗透力是怎样引起渗透变形的？渗透变形有哪几种形式？823 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 答答：地下水的渗流方向自下而上，已知土的有效重度为地下水的渗流方向自下而上，已知土的有效重度为 ，当向上的动水力当向上的动水力 与土的有效重度相等时，与土的有效重度相等时，即即这时土颗粒间的压力就等于零，土颗粒将处于悬浮状态这时土颗粒间的压力就等于零，土颗粒将处于悬浮状态而失去稳定，这种现象叫而失去稳定，这种
43、现象叫流沙流沙。 在在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象叫种现象叫管涌管涌。wsatwDIGl计算题1：l 将某粘土试样置于渗透仪中进行变水头渗透试验，当试验经过的时间t为1小时时，测压管的水头高度从h1=310.8cm降至h2=305.6cm。已知试样的
44、横断面积A为32.2cm2，高度l为3.0cm，变水头测压管的横段面积A为1.1cm2，求此土样的渗透系数k值？833 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 答案答案l计算题2:l某一砂土试样，高15cm，直径5.5cm，进行常水头渗透试验，在测压管水头差为40cm下经历6.0s，流过的水量为400cm3，试计算渗透系数。84答案答案l 计算3：l 如下图所示的基坑，坑外水位h1=1.8m,坑内水位h2 =0.6m，渗流流网如图中所示。已知土层渗透系数k1.210-2cm/s，a点、b点和c点分别位于地表以下3.5m、3.0m和2.0m。试求: l (1) 整个渗流区的单宽流量q； l (2) ab段的平均渗透速度vab（渗流长度L取1m） ； 853 3 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流 答案答案l计算题4:l 在厚度为9m的粘土层中开挖基坑，其下为砂层，砂层顶面为有7.5m高的层压水头。试求开挖深度为6m时，基坑中水深h至少要多深才能防止基坑底部不发生隆起？86答案答案
