1、第3章 土的渗透性及渗流 一 概述l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。关于防渗墙防渗墙射水法施工防渗墙渗透的定义及土的渗透性 l水透过土体孔隙的现象成为渗透 l土具有被水透过的性能称为土的渗透性l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。水的问题l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
2、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，说自身的量（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。土的问题l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地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
3、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。二 Darcy渗透定律 l由于土中孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大，流速缓慢 层流水在土中的渗透速度和试样两端水面间的水位差成正比，而与渗径长度成反比 hiLhkvkiAvAqDarcy渗透定律lv 渗透速度（cm/s或m/s）lq 渗流量（cm3/s后m3/s）li 水力梯度，沿渗流方向单位距离的水头 损失，无因次lh 试样两端的水位差，即水头损失lL 渗径长度lk 渗透系数（cm/s或m/s,m/d）lA 试样截面积（cm2或者m2）流速与水力梯度的关系砂土砂土的水力梯度与渗透速度呈线性关系，符合达西渗透定律。流速与水力
4、梯度的关系粘土对于密实的粘土，由于吸着水具有较大的粘滞阻力，因此，只有当水力梯度达到某一数值后，克服了吸着水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。我们将这一开始发生渗透时的水力梯度成为粘性土的起始水力梯度ibl粘性土不但存在起始水力梯度，而且当水力梯度超过起始水力梯度后，渗透速度与水力梯度的规律还偏离达西渗透定律而呈非线性关系。为方便，用虚直线来描述密实粘土地渗透速度与水力梯度的关系，用以下形式表示。流速与水力梯度的关系粘土0iikv流速与水力梯度的关系砾土在粗粒土中（砾、卵石等），只有在小的水力梯度下，渗透速度与水力梯度才呈非线性关系，而在较大的水力梯度下，水在土中流动进入紊流状态，渗透速度与水力梯
5、度呈非线性关系，此时达西定律同样不能适用 注意l按照达西定律求出的渗透速度是一种假想的平均流速，它假定水在土中的渗透是通过土体截面来进行的。l实际上，水在土体中的实际流速要比用达西定律求出的流速要大得多。，他们之间的关系为 eevnvv1Darcy渗透定律的适用条件 l太沙基通过大量试验证明从砂土到粘土达西渗透定律在很大的范围内都能适用，其适用范围是由雷诺系数来决定的，也就是说只有当渗流为层流的时候才能适用。l根据水的密度，流速v，水的粘滞系数，土粒粒子平均粒径d，可以算出雷诺数RevdReDarcy渗透定律的适用条件l从层流转换为紊流时的Re数一般为0.17.5的范围，而一般认为在土的孔隙内
6、水流只要雷诺数10-1高渗透性纯砾与砾混合物10-310-1中渗透性极细砂10-510-3低渗透性粉土、砂与粘土混合物10-710-5极低渗透性粘土10-7几乎不透水 影响渗透系数的因素很多，诸如土的种类、级配、孔隙比及水的温度等。因此，为了准确地测定土的渗透系数，必须尽力保持土的原始状态并消除人为因素的影响 成层土的渗透系数l天然沉积土往往由渗透性不同的土层组成。对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当各层的渗透系数和厚度已知时，我们可以求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透系数，作为进行渗透计算的依据。与层面平行的情况iHkqxxniiixHkHk11niixxqq1iiixiHkq n
7、iiixiHkq1达西定律与层面垂直的情况与层面垂直的情况AHhkqyyAikAHhkqiiiiiiynyyyyqqqq21水流连续原理达西定律任一土层流量iiyikHhkniiiykHHk1nnHiHiHih2211整个土层的水头损失结论l对于成层土，如果各土层的厚度大致相近，而渗透性相差悬殊时与层向平行的平均渗透系数将取决于最透水土层的厚度和渗透性与层向垂直的平均渗透系数将取决于最不透水土层的厚度和渗透性二向渗流和流网特征一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程 单位时间内流入单元体的总水量必等于流出的总水量02222yhxh流网及其特征l渗流场中任一点的水头是其坐标的函数，因此求解渗流问题的第一步
8、就是先确定渗流场中各点的水头，亦即求解渗流基本微分方程l满足拉普拉斯方程的将是两组彼此正交的曲线，一组称为等势线（各点水头相等），另一组称为流线（表示渗流的方向），等势线和流线交织在一起形成的网格叫流网l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拉普拉斯方程的正确解答流网及其特征l求解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典型流网分析接近坝底，流线密集，水力梯度大，渗透速度大远离坝底，流线稀疏，水力梯度小，渗透速度小流网特征l流线与等势线彼此正交l每个网格的长宽比为常数，为了方便常取1
9、，这时的网格就成为正方形或曲边正方形l相邻等势线间的水头损失相等l各流槽的渗流量相等渗流力及渗透稳定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渗流力的概念水在土中流动能量消耗力图拖曳土粒水头损失渗透水流施于单位土体内土粒上的拖曳力称为渗流力渗透力、动水压力渗流力的概念流土、浮冲、砂沸渗流力存在abcdUw1Uw2FsWw渗流力的概念渗流力的概念渗流力的概念abWwwbhhUw211ahUw 020sin1swFWUahhh12sinhbFwsiabFfwss渗流力的概念l1点，渗流力与重力方向一致，渗流力促使土体压密，对稳定
10、有利l2点，3点，渗流力与重力方向正交，对稳定不利l3点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利渗透变形的形式l按照渗透水流引起的局部破坏特征，渗透变形可分为流土和管涌两种基本形式l流土是指在渗流作用下局部土体表面隆起，或土粒群同时起动而流失的现象。它主要发生在地基或土坝下游渗流逸出处。l基坑或渠道开挖时所出现的流砂现象是流土的一种常见形式流土流土管涌l管涌指在渗流作用下土体的细土粒在粗土粒形成的孔隙通道中发生移动并被带出的现象。主要发生在砂砾土中。管涌管涌管涌管涌的治理l反滤倒渗管涌的治理l反滤围井管涌的治理l蓄水反压整体破坏水库塌岸按渗透变形划分土的类型管涌土非管涌土在很大的水力梯度下也不会
11、发生管涌在不大的水力梯度下就可以发生管涌流土型管涌型管涌土的划分管涌土发展性管涌土非发展性管涌土管涌型土过渡型土流土型土非管涌土土土的类型与渗透变形型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，小密度管涌土的临界水力梯度l抗渗强度：土体抵抗渗透破坏的能力，通常以濒临渗透破坏时的水力梯度表示，一般称为临界水力梯度或抗渗梯度流土型土的临界水力梯度逸出处单位土体nGeGswws118.9118.9ijwnGiscr11临界水力梯度流土型土的临界水力梯度nGiscr11 流土的临界水力梯度决定于土的物理性质，当土的比重和孔隙率已知时，则土的临界水
12、力梯度是一定值，一般在0.81.2之间 根据竖向渗流不考虑周围土体的约束作用情况下推得的，因此，按此式求得临界水力梯度偏小，一般比试验值要小1520粘性土的临界水力梯度l粘性土由于粒间粘结力的存在，其临界水力梯度较大。l粘性土与无粘性土的流土破坏机理不同，后者是由于渗流力的作用，前者则还与土体表面的水化崩解作用（水稳性）以及渗流出口临空面的孔径有关。水科院建议对粘性土201179.01124CDnnniLcr逸出梯度与渗透稳定l流土一般发生在渗流逸出处。因此只要求出渗流逸出处的水力梯度，就可判别流土的可能性。creii creii creii 土处于稳定状态土处于临界状态土处于流土状态逸出梯度
13、与渗透稳定l渗透逸出的水力梯度实际上是不可求出的，通常是把渗流逸出处的流网网格的平均水力梯度作为逸出梯度。l在设计时，为保证建筑物的安全，通常要求将逸出梯度限制在容许梯度之内Lhie screFiii管涌型土的临界水力梯度l管涌是单个土粒在土体中移动和带出，水科院提出的管涌土临界水力梯度的计算公式为2052112.2ddnGiscrl根据渗流场中单个土粒收到的渗流力、浮力以及自重作用时的极限平衡条件，并结合试验资料分析而得到管涌土的临界水力梯度流速与水力梯度的关系临界水力梯度与不均匀系数的关系l土的不均匀系数越大，临界水力梯度越小。l结论不是绝对的临界水力梯度与细料含量的关系l渗透变形特性主要
14、取决于细料的含量，或者说取决于细料填充粗料孔隙的程度。临界水力梯度与渗透系数的关系l无粘性土的渗透性与渗透变形特性有着直接的关系，对于不均匀土，如果透水性强，抵抗渗透变形的能力就差，如果透水性弱，抵抗渗透变形的能力就强防止渗透变形的方法l减小水力梯度（降水头，增加渗径）水平防渗l在渗流逸出处加盖压重或设置反滤层 垂直防渗饱和土体中的孔隙水应力l孔隙水应力：饱和土体中由孔隙水来承担或传递的应力定义为孔隙水应力，常用u表示。wwhul孔隙水应力的特性与通常的静水压力一样，方向始终垂直于作用面，任一点的孔隙水应力在各个方向是相等的。饱和土体中的有效应力l有效应力：通过粒间接触面传递的应力称为有效应力
15、，只有有效应力才能使得土体产生压缩（或固结）和强度。l把研究平面内所有粒间接触面上接触力的法向分力之和除以所研究平面的总面积所得的平均应力来定义有效应力ANs饱和土体中的有效应力太沙基有效应力原理uAANAssANsl对饱和土体内某一研究平面ua1u有效应力原理l当总应力保持不变时，孔隙水应力和有效应力可以相互转化，即孔隙水应力减小（增大）等于有效应力的等量增加（减小）l非常重要！静水条件下水平面上的孔隙水应力和有效应力21hhsatw21hhhuwww2hu稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力l向下渗流hhhhuwww2121hhsatwhhuw2稳定渗流作用下水平面上的孔隙水应力和有效应力l向上渗流21hhswhhhhuww21hhuw2流土临界条件l当a-a平面上的孔隙水应力增加到与总应力相等，即有效应力降为零，有jihhww2l上式为流土的临界条件，所以可以认为流土的临界条件为那里的有效应力等于零根据流网确定孔隙水应力超孔隙水压力l由渗流或荷载引起的超过静水位的孔隙水压力称为超孔隙水压力l对于稳定渗流，由于水头是常数，因而起超孔隙水压力将不随时间变化l对于荷载引起的超孔隙水压力，将随时间而变化，其变化规律仍然服从有效应力原理。
