第2章滲流與滲透性

1、土力學(xué)地基基礎(chǔ)姚天舉CONTENT第2章 土的滲透性與滲流概述概述01土的滲透性土的滲透性02二維滲流與流網(wǎng)二維滲流與流網(wǎng)03滲流力與滲流破壞滲流力與滲流破壞04概述PARTONE 總體概括 一定要記住土是三相體，散粒體。 主要性能靠起骨架作用的土粒來支撐 骨架之間的空隙具有水、氣體 水對土的性能也有很大的影響 如果水流動起來，影響更大。（今天講解）4詳說 1.土中三相間相互作用 土是由固、液和氣三相構(gòu)成的。 首先是固體顆粒間的相互作用。在土體受力時有效應(yīng)力通過顆粒的接觸點傳遞應(yīng)力，顆粒礦物本身的彈性變形是極微小的，顆粒的位移、轉(zhuǎn)動、重排列是土體變形的主體，而顆粒的破碎、接觸點的破損促進(jìn)了變形

2、的發(fā)展，也就在宏觀上表現(xiàn)為塑性應(yīng)變。這就形成了土體變形的彈塑性、壓密性、剪脹性、應(yīng)變軟化、流變性和循環(huán)加載時的回滯圈和l減載體縮等一系列獨特的變形特性 也表現(xiàn)為變形受應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力歷史和應(yīng)力路徑的影響等復(fù)雜的性狀，目前還沒有一種本構(gòu)模型能夠準(zhǔn)確地描述所有這些變形特性。 第二： 飽和土體的性狀表現(xiàn)在土骨架與孔隙水間的相互作用。最突出的是所加的總應(yīng)力為土骨架和孔隙水共同承擔(dān)，亦即有效應(yīng)力原理，這是土力學(xué)的標(biāo)志性的原理，超靜孔隙水壓力在固結(jié)過程中不斷消散，總應(yīng)力不斷轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力成為滲流固結(jié)理論的基礎(chǔ)。 = 1 十u 士中水在水頭差作用下發(fā)生流動，其規(guī)律服從達(dá)西定律。滲透水流對于土骨架產(chǎn)生推動和拖曳

3、作用，這就是滲透力，其大小表示為j = iYw 它是土體產(chǎn)生流土、管涌等滲透變形的動因，造成了形形色色的工程問題與工程事故。 土中水對于土的作用還表現(xiàn)為破壞土的結(jié)構(gòu)，造成礦物軟化與風(fēng)化、顆粒間的潤滑作用等，這些作用造成士的濕陷性、膨脹土的脹縮、凍土的凍脹和融陷、水力劈裂;土中水及其滲流還會改變土的自重、強(qiáng)度和荷載，引發(fā)與抗滑穩(wěn)定有關(guān)的問題。滲流滲流滲透性滲透性土具有被水、液體等透過的性質(zhì)土具有被水、液體等透過的性質(zhì)水、液體等在土體孔隙中流動的現(xiàn)象水、液體等在土體孔隙中流動的現(xiàn)象碎散性碎散性多孔介質(zhì)多孔介質(zhì)三相體系三相體系孔隙流體流動孔隙流體流動能量差能量差土土土顆粒土顆粒土中水土中水滲流滲流互

4、相關(guān)互相關(guān)聯(lián)聯(lián)互相影互相影響響土力學(xué)重要土力學(xué)重要課題課題透水層透水層不透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流土石壩壩基壩身滲流防滲體防滲體壩體壩體浸潤線浸潤線滲流問題：滲流問題：1. 滲流量？滲流量？2. 滲透破壞？滲透破壞？3. 滲透力？滲透力？透水層透水層基坑基坑板樁墻板樁墻滲流問題：滲流問題：1. 滲流量？滲流量？2. 滲透破壞？滲透破壞？3. 滲水壓力？滲水壓力？滲流問題：滲流問題：1. 滲流量滲流量Q？2. 降水深度？降水深度？透水層透水層不透水層不透水層天然水面天然水面水井滲流：水井滲流：漏斗狀潛水面漏斗狀潛水面Q降雨入滲引起的滑坡降雨入滲引起的滑坡滲流問題：滲流問題：1. 滲透力？滲

5、透力？2. 入滲過程？入滲過程？2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性一滲流中的水頭與水力坡降一滲流中的水頭與水力坡降二滲透試驗與達(dá)西定律二滲透試驗與達(dá)西定律三滲透系數(shù)的測定及影響因素三滲透系數(shù)的測定及影響因素能量方程能量方程滲流速度的規(guī)律滲流速度的規(guī)律滲透特性滲透特性四層狀地基的等效滲透系數(shù)四層狀地基的等效滲透系數(shù)地基的滲透系數(shù)地基的滲透系數(shù)ABL透水層透水層不透水層不透水層基坑基坑板樁墻板樁墻滲流為水體的流動，應(yīng)滿足液體流滲流為水體的流動，應(yīng)滿足液體流動的三大基本方程：連續(xù)性方程、動的三大基本方程：連續(xù)性方程、能量方程、動量方程能量方程、動量方程一、滲流中的水頭與水力坡降一、滲流中的水頭與水

6、力坡降2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性zpgvhw 22wpzh n 總水頭總水頭（伯努利定理）（伯努利定理）： 單位單位重量重量水體所具有的能量水體所具有的能量 位置水頭位置水頭Z Z：水體的位置勢能（任選基準(zhǔn)面）：水體的位置勢能（任選基準(zhǔn)面） 壓力水頭壓力水頭p/ w：水體的壓力勢能（：水體的壓力勢能（p孔隙水壓力）孔隙水壓力） 流速水頭流速水頭V2/(2g)：水體的動能（對滲流多處于層流：水體的動能（對滲流多處于層流0）n 滲流的總水頭：滲流的總水頭：滲流問題的水頭滲流問題的水頭也稱也稱測管水頭測管水頭，是滲流的總驅(qū)動能，是滲流的總驅(qū)動能，滲流總是從水頭高處流向水頭低處滲流總是從水頭

7、高處流向水頭低處2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性ABLhAhBzAwAp wBp zBh h基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面水力坡降線水力坡降線wpzh BBB A A點總水頭：點總水頭：水力梯度水力梯度ABLhAhBzAwAp wBp zBh h基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面水力坡降線水力坡降線wAApzh A B B點總水頭：點總水頭： 二點總水頭差：反映了兩點間水二點總水頭差：反映了兩點間水流由于摩阻力造成的能量損失流由于摩阻力造成的能量損失BWBAWAzpzph BAhh 水力梯度水力梯度 i：單位滲流長度上的水頭損失：單位滲流長度上的水頭損失Lhi 2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性滲流速度隨水力梯度變化滲流速度隨

8、水力梯度變化土中的滲流基本處于層流土中的滲流基本處于層流狀態(tài)，即：狀態(tài)，即：2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性iv 2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性LAh1h2QQ透水石h二、滲透試驗與達(dá)西定律二、滲透試驗與達(dá)西定律試驗前提：試驗前提：層流層流LhAq 或或kiAqv1.1.滲透試驗滲透試驗試驗結(jié)果試驗結(jié)果:試驗裝置：試驗裝置：如圖如圖試驗條件試驗條件: : h1，A，L=const量測變量量測變量: : h2，V，tkAiLhkAq 達(dá)西定律達(dá)西定律2. 2. 達(dá)西定律達(dá)西定律ikAqvnvvvr在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v v與水力坡降與水力坡降i i的

9、一次方成正比，的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。并與土的性質(zhì)有關(guān)。iv AAnrV V：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度V Vr r：實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度：實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度A ArqVA VrArk: k: 反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)物理意義：水力坡降物理意義：水力坡降i i1 1時的滲流速度時的滲流速度單位：單位：mm/s, cm/s, m/s, m/daymm/s, cm/s, m/s, m/day2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性2.2

10、 2.2 土的滲透性土的滲透性粗粒土：粗粒土：在純礫以上的很粗的粗粒土如堆石體中，在在純礫以上的很粗的粗粒土如堆石體中，在水力坡降較大時，達(dá)西定律不再適用水力坡降較大時，達(dá)西定律不再適用ivovcrivib層流（線性流層流（線性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土粘性土粘性土：粘性土：致密的粘土存在起始水力坡降致密的粘土存在起始水力坡降 iib, v=k(i - ib )ikv biikvikv 三、滲透系數(shù)的測定及影響因素三、滲透系數(shù)的測定及影響因素 室內(nèi)試驗測定方法室內(nèi)試驗測定方法常水頭試驗法常水頭試驗法變水頭試驗法變水頭試驗法井孔抽水

11、試驗井孔抽水試驗井孔注水試驗井孔注水試驗1. 1. 測定方法測定方法野外試驗測定方法野外試驗測定方法2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗方法1 1常水頭試驗法常水頭試驗法結(jié)果整理：結(jié)果整理：試驗裝置：如圖試驗裝置：如圖試驗條件試驗條件: : h，A，L=const量測變量量測變量: :滲水量滲水量Q，ti=h/Lq=Q/t=Avv=kihtAQLk 適用土類：適用土類：透水性較大的砂性土透水性較大的砂性土2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性hL土樣土樣AQn 試驗條件試驗條件: :h變化變化 A，a，L=constn 量測變量量測變量: h，tn 適用土類：透水性較小適用土

12、類：透水性較小 的粘性土的粘性土土樣土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭水頭測管測管開關(guān)開關(guān)a2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗方法2 2變水頭試驗法變水頭試驗法土樣土樣At=t1t=t2 h1h2LQ水頭水頭測管測管開關(guān)開關(guān)在在tt+dt時段內(nèi)：時段內(nèi)： 入流量入流量： dVe= - adh 出流量：出流量： dVo=kiAdt=k (h/L)Adt 連續(xù)性條件：連續(xù)性條件：dVe=dVo -adh =k (h/L)AdthdhkAaLdt2121hhtthdhkAaLdt hdhtt+dt室內(nèi)試驗方法室內(nèi)試驗方法- -變水頭試驗法變水頭試驗法2112lnhhttAa

13、Lk選擇幾組量測結(jié)果選擇幾組量測結(jié)果 ，計算相應(yīng)的，計算相應(yīng)的k，取平均值，取平均值2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性常水頭試驗常水頭試驗變水頭試驗變水頭試驗條件條件已知已知測定測定算定算定取值取值h=consth變化變化h，A，LQ，t重復(fù)試驗后，取均值重復(fù)試驗后，取均值a，A，Lh，t 2112lnhhttAaLk Q Lk=A ht不同時段試驗，取均值不同時段試驗，取均值適用適用粗粒土粗粒土粘性土粘性土2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性現(xiàn)場測定法現(xiàn)場測定法3 3抽水試驗抽水試驗抽水量抽水量Q Qr1r2h1h2井井不透水層不透水層n 試驗條件試驗條件: : Q=constn 量測變量

14、量測變量: r=r1，h1=？ r=r2，h2=？ 優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)優(yōu)點：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù) 缺點：費用較高，耗時較長缺點：費用較高，耗時較長觀察井觀察井2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性地下水位地下水位測壓管水面測壓管水面2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性r抽水量抽水量Q=qtQ=qtr1r2h1h2井井不透水層不透水層dhdrh地下水位地下水位測壓管水面測壓管水面n 計算公式：計算公式：取過水?dāng)嗝嫒∵^水?dāng)嗝鍭=2 rhi=dh/drdrdhkrhAkiq 2khdhrdrq 221212hhrrhdhkrdrq )(ln212212hhkrrq )(

15、)/ln(212212hhrrqkn 土粒愈粗、大小愈均勻、形狀愈圓滑，土粒愈粗、大小愈均勻、形狀愈圓滑，K值愈大。值愈大。n 因由粗顆粒形成的大孔隙可被細(xì)顆粒充填，因由粗顆粒形成的大孔隙可被細(xì)顆粒充填，隨細(xì)粒含量增加，隨細(xì)粒含量增加，K值急劇下降。值急劇下降。 土的性質(zhì)土的性質(zhì) 水的性質(zhì)水的性質(zhì) 土的粒度成分土的粒度成分 孔隙比孔隙比 土的飽和度土的飽和度 結(jié)構(gòu)和構(gòu)造結(jié)構(gòu)和構(gòu)造2.2.影響因素影響因素 2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性n 是單位土體中孔隙體積的直接度量是單位土體中孔隙體積的直接度量n 土愈密實，孔隙比愈小，土愈密實，孔隙比愈小，K值愈小。值愈小。 土的性質(zhì)土的性質(zhì) 水的性

16、質(zhì)水的性質(zhì) 土的粒度成分土的粒度成分 孔隙比（密實度）孔隙比（密實度） 土的飽和度土的飽和度 結(jié)構(gòu)和構(gòu)造結(jié)構(gòu)和構(gòu)造2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性n 一般情況下飽和度愈低，一般情況下飽和度愈低，K值愈小。值愈小。n 因為低飽和土的孔隙中存在較多氣泡會減小因為低飽和土的孔隙中存在較多氣泡會減小過水面積，甚至堵塞細(xì)小孔道。過水面積，甚至堵塞細(xì)小孔道。 土的性質(zhì)土的性質(zhì) 水的性質(zhì)水的性質(zhì) 土的粒度成分土的粒度成分 孔隙比孔隙比 土的飽和度土的飽和度 結(jié)構(gòu)和構(gòu)造結(jié)構(gòu)和構(gòu)造2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性n 擾動土樣比原狀土樣擾動土樣比原狀土樣K值小值小n 粘性土層中有很薄的砂土夾層，常使得粘性

17、土層中有很薄的砂土夾層，常使得k水平水平kk垂直垂直 土的性質(zhì)土的性質(zhì) 水的性質(zhì)水的性質(zhì) 土的粒度成分土的粒度成分 孔隙比孔隙比 土的飽和度土的飽和度 結(jié)構(gòu)和構(gòu)造結(jié)構(gòu)和構(gòu)造2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性n 水的動力粘滯系數(shù)：水的動力粘滯系數(shù)： 溫度溫度 ，水粘滯性，水粘滯性 ，k 土的性質(zhì)土的性質(zhì) 水的溫度水的溫度 粒徑大小及級配粒徑大小及級配 孔隙比孔隙比 土的飽和度土的飽和度 結(jié)構(gòu)和構(gòu)造結(jié)構(gòu)和構(gòu)造2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性（JTJ051-93）采用標(biāo)準(zhǔn)溫度）采用標(biāo)準(zhǔn)溫度200下的滲透系數(shù)：下的滲透系數(shù)：TTkk2020 1.土粒大小與級配土粒大小與級配 細(xì)粒含量愈多，土的滲

18、透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時，砂土的細(xì)粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時，砂土的滲透系數(shù)就會大大減小。滲透系數(shù)就會大大減小。 2.土的密實度土的密實度 3.水的動力粘滯系數(shù)水的動力粘滯系數(shù) 同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實度增大，孔隙比同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數(shù)，土的密實度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。降低，土的滲透性也減小。 動力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動力粘滯系數(shù)愈小，土動力粘滯系數(shù)隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動力粘滯系數(shù)愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。的滲透系數(shù)則愈大。4.土中封閉氣體含量

19、土中封閉氣體含量 土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多，土的土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多，土的滲透性愈小。滲透性愈小。影響滲透系數(shù)的因數(shù)影響滲透系數(shù)的因數(shù)四、四、層狀地基的等效滲透系數(shù)層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層的確立各層的k ki i根據(jù)滲流方向確定等效滲透系數(shù)根據(jù)滲流方向確定等效滲透系數(shù)2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性多個土層用假想單一土層置換，使得其總多個土層用假想單一土層置換，使得其總體的透水性不變體的透水性不變hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水層不透水層等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)

20、: : iixHkH1kn 已知條件已知條件: :LhiiiixxqqiHHqx=vxH=kx i Hqix=ki ii Hin 達(dá)西定律達(dá)西定律: :n 等效條件等效條件: :2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性kxL iizkHHkH1H2H3Hhk1k2k3xzv承壓水承壓水kzvviihhiHHvi = ki (hi / Hi )iiiikHvhzkvHh iihhiziv HvHkk n 已知條件已知條件: :n 達(dá)西定律達(dá)西定律: :n 等效條件等效條件: :v = kz (h / H )等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù): :2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性2.2 2.2 土的滲透性土

21、的滲透性H1H2H3Hhk1k2k3xzv承壓水承壓水n 已知條件已知條件: :nzzzzqqqq 21AHhkqzz AikAHhkqiiziiiziz iizzikHhk iiiHihh iziiizzkHHikhHkn 算例說明算例說明 daym100km01Hdaym1km01Hdaym010km01H332211/,./,./.,.按層厚加權(quán)平均，由較大值控制按層厚加權(quán)平均，由較大值控制按層厚倒數(shù)加權(quán)平均，由較小值控制按層厚倒數(shù)加權(quán)平均，由較小值控制daym6733HHkkiix/.daym030kHHkiiz/.H1H2H3Hk1k2k3xz2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性水平

22、滲流情形水平滲流情形垂直滲流情形垂直滲流情形條件條件已知已知等效等效推定推定Lhii;HH;qqiii .k.;H,H121iHkqx iixHkH1k ii2121HH;hh;v.vv;q.qq.k,k.;H,H2121Hhkikvzz iizkHHk2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性層狀地基的等效滲透系數(shù)層狀地基的等效滲透系數(shù)小小 結(jié)結(jié)n 水頭與水力坡降水頭與水力坡降n 滲透試驗與達(dá)西定律滲透試驗與達(dá)西定律n 滲透系數(shù)的測定及影響滲透系數(shù)的測定及影響因素因素n 層狀地基的等效滲透系層狀地基的等效滲透系數(shù)數(shù) 總水頭總水頭=位置水頭位置水頭+壓力水頭壓力水頭 水頭是滲流的驅(qū)動力水頭是滲流的驅(qū)

23、動力 達(dá)西定律達(dá)西定律 滲透系數(shù)、滲透速度滲透系數(shù)、滲透速度 達(dá)西定律的適用條件達(dá)西定律的適用條件 常水頭試驗常水頭試驗 變水頭試驗變水頭試驗 抽水試驗抽水試驗 滲透系數(shù)影響因素滲透系數(shù)影響因素 水平等效滲透系數(shù)水平等效滲透系數(shù) 垂直等效滲透系數(shù)垂直等效滲透系數(shù)2.2 2.2 土的滲透性土的滲透性n平面問題：平面問題：滲流剖面和產(chǎn)生滲流的條件滲流剖面和產(chǎn)生滲流的條件沿某一個方向不發(fā)生變化，則在垂直該沿某一個方向不發(fā)生變化，則在垂直該方向的各個平面內(nèi)，滲流狀況完全一致。方向的各個平面內(nèi)，滲流狀況完全一致。對平面問題，常取對平面問題，常取dy=1m單位寬度的一單位寬度的一片來進(jìn)行分析片來進(jìn)行分析h

24、=h(x,z), v=v(x,z)與時間無關(guān)與時間無關(guān)n 穩(wěn)定滲流：穩(wěn)定滲流：滲流場中水頭及流速不隨時間發(fā)生變化的滲流滲流場中水頭及流速不隨時間發(fā)生變化的滲流h2.3 2.3 二維滲流及流網(wǎng)二維滲流及流網(wǎng) 一、一、二維滲流的基本方程及求解二維滲流的基本方程及求解 二維滲流的連續(xù)性方程二維滲流的連續(xù)性方程 單位時間流入微單元的水量單位時間流入微單元的水量: :二維滲流的連續(xù)性方程：二維滲流的連續(xù)性方程：0zvxvzx11dxvdzvdqzxe1)(1)(dxdzzvvdzdxxvvdqzzxxo 單位時間內(nèi)流出微單元的水量單位時間內(nèi)流出微單元的水量: :oedqdq 連續(xù)性條件連續(xù)性條件: :d

25、xdzvxdxxvvxxvzdzzvvzzxz2.3 2.3 二維滲流及流網(wǎng)二維滲流及流網(wǎng) 二維滲流的運動方程二維滲流的運動方程zhkikvxhkikvzzzzxxxx; 達(dá)西定律：達(dá)西定律：02222zhkxhkzx 滲流的連續(xù)性方程：滲流的連續(xù)性方程：0zvxvzx滲流的運動方程：滲流的運動方程：F特例：各向同性均質(zhì)土體特例：各向同性均質(zhì)土體 k kx x= =k kz z02222zhxhLaplaceLaplace方程，描述滲流場內(nèi)水頭的方程，描述滲流場內(nèi)水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程2.3 2.3 二維滲流及流網(wǎng)二維滲流及流網(wǎng) 與與kx, kz無關(guān)

26、無關(guān)滿足它的是兩個共軛調(diào)合函數(shù)滿足它的是兩個共軛調(diào)合函數(shù) 勢函數(shù)和勢函數(shù)和流函數(shù)流函數(shù) 描述滲流場內(nèi)部的測管水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的描述滲流場內(nèi)部的測管水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程式基本方程式2.3 2.3 二維滲流及流網(wǎng)二維滲流及流網(wǎng) 02222zhxh-Laplace-Laplace方程方程F數(shù)學(xué)解析法或近似解析法：數(shù)學(xué)解析法或近似解析法：求取滲流運動方程在特定邊界條件下求取滲流運動方程在特定邊界條件下的理論解，或者在一些假定條件下，求其近似解的理論解，或者在一些假定條件下，求其近似解F數(shù)值解法：數(shù)值解法：有限元、有限差分、邊界元法等，近年來得到迅速地有限元、有限差分、邊界元法

27、等，近年來得到迅速地發(fā)展發(fā)展F電比擬試驗法：電比擬試驗法：利用電場來模擬滲流場，簡便、直觀，可以用于利用電場來模擬滲流場，簡便、直觀，可以用于二維問題和三維問題二維問題和三維問題F流網(wǎng)法：流網(wǎng)法：簡便快捷，具有足夠的精度，可分析較復(fù)雜斷面的滲流簡便快捷，具有足夠的精度，可分析較復(fù)雜斷面的滲流問題問題滲流分析的方法滲流分析的方法2.3 2.3 二維滲流及流網(wǎng)二維滲流及流網(wǎng) 2.3 2.3 二維滲流及流網(wǎng)二維滲流及流網(wǎng) 二、流網(wǎng)的特征及繪制二、流網(wǎng)的特征及繪制 流網(wǎng)流網(wǎng)滲流場中的兩族相互正交曲線滲流場中的兩族相互正交曲線流線和等勢流線和等勢線所形成的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。線所形成的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。流線流線水

28、質(zhì)點運動的軌跡線水質(zhì)點運動的軌跡線。等勢線等勢線測管水頭相同的點之連線測管水頭相同的點之連線 。流網(wǎng)法流網(wǎng)法通過繪制流線與勢線的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇來求解通過繪制流線與勢線的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇來求解滲流問題。滲流問題。1.1.流網(wǎng)特征流網(wǎng)特征（1） 正交性：流線與等勢線互相正交正交性：流線與等勢線互相正交Hh0lblb（2） 各個網(wǎng)格的長寬比各個網(wǎng)格的長寬比c應(yīng)為常數(shù)。取應(yīng)為常數(shù)。取c=1c=1，即為曲邊正方形即為曲邊正方形（3） 相鄰等勢線之間的水頭損失相等相鄰等勢線之間的水頭損失相等2.3 2.3 二維滲流及流網(wǎng)二維滲流及流網(wǎng) （4） 各個流槽的滲流量相等各個流槽的滲流量相等1 1）確定邊界條件：邊界流

29、線和首尾）確定邊界條件：邊界流線和首尾等勢線等勢線2 2）研究水流的方向：流線的走向）研究水流的方向：流線的走向3 3）判斷網(wǎng)格的疏密大致分布）判斷網(wǎng)格的疏密大致分布4 4）初步繪制流網(wǎng)的雛形：正交性、）初步繪制流網(wǎng)的雛形：正交性、曲邊正方形曲邊正方形5 5）反復(fù)修改和檢查）反復(fù)修改和檢查 H=H1-H20H1H2不透水層不透水層要點：邊界條件、正交性、曲邊正方形、多練習(xí)要點：邊界條件、正交性、曲邊正方形、多練習(xí)lbabcdefgh2.3 2.3 二維滲流及流網(wǎng)二維滲流及流網(wǎng) 2.2.繪制方法繪制方法 相鄰等勢線之間的水頭損失為：相鄰等勢線之間的水頭損失為： 總水頭差：總水頭差： HH3.3.

30、滲流量計算滲流量計算dNHh/ lbNHklhkbAkiqd )1( 每個流槽的滲流量：每個流槽的滲流量：2.3 2.3 二維滲流及流網(wǎng)二維滲流及流網(wǎng) ABCDlbHH H00lb 若若b/l=1,則總滲流量（則總滲流量（m3/天）為：天）為：dfNiidNNHkNHkqf 1 Nd-等勢線條數(shù)減等勢線條數(shù)減1Nf-流線條數(shù)減流線條數(shù)減1小小 結(jié)結(jié)n 平面滲流的基本方平面滲流的基本方程及求解程及求解n 流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 連續(xù)性方程連續(xù)性方程 運動方程運動方程 邊界條件邊界條件 求解方法求解方法 勢函數(shù)勢函數(shù) 流函數(shù)流函數(shù) 流網(wǎng)及特性流網(wǎng)及特性 流網(wǎng)的畫法流網(wǎng)的畫法 流網(wǎng)的應(yīng)用流

31、網(wǎng)的應(yīng)用2.3 2.3 二維滲流及流網(wǎng)二維滲流及流網(wǎng) n hh=0 =0 靜水中，土骨架會受到靜水中，土骨架會受到浮力作用。浮力作用。n hh0 0 水在流動時，水流受到水在流動時，水流受到來自土骨架的阻力，同時流動的來自土骨架的阻力，同時流動的孔隙水對土骨架產(chǎn)生一個摩擦、孔隙水對土骨架產(chǎn)生一個摩擦、拖曳力。拖曳力。h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器ab滲透力滲透力j：滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，方：滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致向與滲流方向一致2.4 2.4 滲透破壞與控制滲透破壞與控制 一、滲透力一、滲透力（動水力）（動水力）滲透力滲透力- -

32、試驗觀察試驗觀察h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器ab土粒土粒滲滲 流流滲透力滲透力 j j：體積力：體積力滲透力滲透力j j：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力透水流的拖曳力2.4 2.4 滲透破壞與控制滲透破壞與控制 Gw = vv w + vs w V w= LA w wP1 = whwAwP2 = wh1AwP1 + Gw + T = P2 J=T = w h/L= win 水柱整體受力分析水柱整體受力分析- -滲流滲流h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器ab2.4 2.4 滲透破壞與控制滲透破壞與控制 GwT whwAw+

33、LA w w + TLAw = wh1Aw T = TLAw滲透力的大小和水力梯度成正比，方向與滲透方向一致。滲透力的大小和水力梯度成正比，方向與滲透方向一致。向上滲流存在時，濾網(wǎng)支持力減少向上滲流存在時，濾網(wǎng)支持力減少。當(dāng)濾網(wǎng)支持力為零時的水力坡降稱為當(dāng)濾網(wǎng)支持力為零時的水力坡降稱為臨界水力坡降臨界水力坡降icr，它是土體開始發(fā)生，它是土體開始發(fā)生流土流土破壞時的水力坡降：破壞時的水力坡降：滲透力滲透力- -受力分析受力分析滲透力滲透力- -受力分析受力分析 wi n 臨臨界界水力坡降水力坡降icr = h/L = / wedws1)1( ndedisscr1111由于由于icr取決于土的物

34、取決于土的物理性質(zhì)理性質(zhì)2.4 2.4 滲透破壞與控制滲透破壞與控制 h1hh200hwL土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器ab滲透力的性質(zhì)滲透力的性質(zhì)F物理意義：物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是一種體積力曳力，它是一種體積力F大?。捍笮。?J = J = w wi iF方向：方向：與水力坡降方向一致與水力坡降方向一致F作用對象：作用對象：土骨架土骨架2.4 2.4 滲透破壞與控制滲透破壞與控制 n土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞稱為滲透變形土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞稱為滲透變形或滲透破壞。滲透變形是土工建

35、筑物發(fā)生破壞的常見類型或滲透破壞。滲透變形是土工建筑物發(fā)生破壞的常見類型n基本類型：基本類型： 管涌管涌 流土流土 接觸流土接觸流土 接觸沖刷接觸沖刷滲透變形滲透變形單一土層滲透變形的兩種單一土層滲透變形的兩種基本型式基本型式2.4 2.4 滲透破壞與控制滲透破壞與控制 滲透變形滲透變形 - 流土流土n 流土：流土：在在向上向上的滲透力作用下，表層局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時發(fā)生懸浮、的滲透力作用下，表層局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象。任何類型的土，只要水力坡降達(dá)到一定的大小，都可發(fā)生流土破移動的現(xiàn)象。任何類型的土，只要水力坡降達(dá)到一定的大小，都可發(fā)生流土破壞壞粘性土粘性土k

36、1k2砂性土砂性土k2壩體壩體滲流滲流crii ediscr11 F 原因：原因：與土的密實度有關(guān)與土的密實度有關(guān)2.4 2.4 滲透破壞與控制滲透破壞與控制 壩體壩體滲透變形滲透變形 管涌管涌F 原因原因內(nèi)因：有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙內(nèi)因：有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙外因：滲透力足夠大外因：滲透力足夠大 n 管涌管涌：在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細(xì)小顆粒，通過較大顆粒所形成的在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細(xì)小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道孔隙發(fā)生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道滲流滲流1. 在滲透水流作用下，細(xì)

37、顆粒在滲透水流作用下，細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動在粗顆粒形成的孔隙中移動流失流失2. 孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度不孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶走水帶走3. 形成貫穿的滲流通道，造成形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷土體塌陷2.4 2.4 滲透破壞與控制滲透破壞與控制 流土與管涌的比較流土與管涌的比較 流土流土土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動管涌管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)生在只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中任何土中破壞過程短破壞過程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局

38、部滑動等現(xiàn)象現(xiàn)象位置位置土類土類歷時歷時后果后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動道移動可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級配的無粘性土一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土或分散性粘土破壞過程相對較長破壞過程相對較長導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口2.4 2.4 滲透破壞與控制滲透破壞與控制 scrFiiiFs: 安全系數(shù)安全系數(shù)1.52.0 i : 允許坡降允許坡降F i icr :土體發(fā)生流土破壞土體發(fā)生流土破壞n 工程設(shè)計：工程設(shè)計：流土可能性的判別流土可能性的判別n 在自下而上的滲流逸出處，任何土，

39、包括粘性土和無粘性土，只要滿在自下而上的滲流逸出處，任何土，包括粘性土和無粘性土，只要滿足滲透坡降大于臨界水力坡降這一水力條件，均要發(fā)生流土：足滲透坡降大于臨界水力坡降這一水力條件，均要發(fā)生流土：2.4 2.4 滲透破壞與控制滲透破壞與控制 n 問題：你們知道如何求水力坡度嗎？關(guān)鍵是求損失長度，就是問題：你們知道如何求水力坡度嗎？關(guān)鍵是求損失長度，就是滲流走過的所有的有能量損失的路徑長度。滲流走過的所有的有能量損失的路徑長度。n 土是否會發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)：土是否會發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)： 粘性土（分散性土例外）屬于非管涌土粘性土（分散性土例外）屬于非管涌土 無粘性土中發(fā)生管涌必須具備

40、相應(yīng)的無粘性土中發(fā)生管涌必須具備相應(yīng)的幾何條件幾何條件和和水力條件水力條件管涌可能性的判別管涌可能性的判別2.4 2.4 滲透破壞與控制滲透破壞與控制 較均勻土較均勻土（CuCu 1010） 幾何條件幾何條件 水力條件水力條件n 無粘性土管涌的無粘性土管涌的判別判別級配級配孔隙及細(xì)粒孔隙及細(xì)粒判定判定非管涌土非管涌土粗顆粒形成的粗顆粒形成的孔隙小于細(xì)顆?？紫缎∮诩?xì)顆粒不均不均勻土勻土（Cu10Cu10）不連續(xù)不連續(xù)連續(xù)連續(xù)d d0 0=0.25d=0.25d2020細(xì)粒含量細(xì)粒含量35%35%細(xì)粒含量細(xì)粒含量25%25%細(xì)粒含量細(xì)粒含量=25-35%=25-35%d d0 0 d d5 5d

41、d0 0 = d = d3 3-d-d5 5管涌土管涌土過渡型土過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過渡型土過渡型土P(%)lgd骨架骨架充填料充填料F發(fā)生管涌的發(fā)生管涌的必要條必要條件件：粗顆粒所構(gòu)成的：粗顆粒所構(gòu)成的孔隙直徑大于細(xì)顆?？紫吨睆酱笥诩?xì)顆粒直徑直徑2.4 2.4 滲透破壞與控制滲透破壞與控制 幾何條件幾何條件 水力條件水力條件n 無粘性土管涌的無粘性土管涌的判別判別F 滲透力能夠帶動細(xì)滲透力能夠帶動細(xì)顆粒在孔隙間滾動或顆粒在孔隙間滾動或移動?？捎霉苡颗R界移動?？捎霉苡颗R界水力坡降表示水力坡降表示0 5 10 15 20 25 30 35 1.51.00.50ic

42、rCu流土流土過渡過渡管涌管涌水力坡降水力坡降級配連續(xù)土級配連續(xù)土級配不連續(xù)土級配不連續(xù)土破壞坡降破壞坡降 icr0.20-0.400.1-0.3允許坡降允許坡降 i0.15-0.250.1-0.2伊斯托敏娜（蘇）伊斯托敏娜（蘇）中國學(xué)者中國學(xué)者 Cu 20時時, icr =0.25-0.30， 考慮安全系數(shù)后：考慮安全系數(shù)后： i=0.10-0.152.4 2.4 滲透破壞與控制滲透破壞與控制 透水層透水層不透水層不透水層防滲體防滲體壩體壩體浸潤線浸潤線滲透變形的防治措施滲透變形的防治措施 scrFiiiF減小減小i i：上游延長滲徑：上游延長滲徑 減小水壓差減小水壓差F增大增大i： 下游增

43、加透水下游增加透水 蓋重蓋重 改善幾何條件：滲流溢出部位設(shè)反濾層等改善幾何條件：滲流溢出部位設(shè)反濾層等 改善水力條件：減小水力梯度改善水力條件：減小水力梯度n 防治流土防治流土n 防治管涌防治管涌2.4 2.4 滲透破壞與控制滲透破壞與控制 小小 結(jié)結(jié)工程實例工程實例滲流問題滲流問題土的滲透性及滲土的滲透性及滲透規(guī)律透規(guī)律二維滲流及流二維滲流及流網(wǎng)網(wǎng)滲透力與滲透滲透力與滲透變形變形滲流中的水頭與水力坡降滲流中的水頭與水力坡降滲透試驗與達(dá)西定律滲透試驗與達(dá)西定律滲透系數(shù)的測定及影響因素滲透系數(shù)的測定及影響因素層狀地基的等效滲透系數(shù)層狀地基的等效滲透系數(shù)平面滲流的基本方平面滲流的基本方程及求解程及

44、求解流網(wǎng)的繪制流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用及應(yīng)用 滲透力：概念與計算滲透力：概念與計算滲透變形：類型、條件、防治滲透變形：類型、條件、防治2.4 2.4 滲透破壞與控制滲透破壞與控制 例題例題1如土所示，在長為如土所示，在長為10cm10cm、面積、面積8cm8cm2的圓筒內(nèi)裝的圓筒內(nèi)裝滿砂土。經(jīng)測定粉砂的滿砂土。經(jīng)測定粉砂的d ds=2.65=2.65，e=0.90, e=0.90, 筒下筒下端與管相連，管內(nèi)水位高出筒端與管相連，管內(nèi)水位高出筒5cm5cm（固定不變），（固定不變），水流自下而下通過試樣后溢流出去。試求水流自下而下通過試樣后溢流出去。試求（1 1）滲流力的大小，判別是否會產(chǎn)生流砂現(xiàn)象；（

45、滲流力的大小，判別是否會產(chǎn)生流砂現(xiàn)象；（2 2）臨界水力梯度值。臨界水力梯度值。土樣土樣10cm5cm解解（1 1）3/7.8109.01165.211mkNedws3/510510mkNLhiJww因為因為JJ，所以不會發(fā)生流砂。，所以不會發(fā)生流砂。(2)(2)87.0107.8wcri例題例題2某土石壩壩基表層土的平均滲透系數(shù)為某土石壩壩基表層土的平均滲透系數(shù)為K1=10-5cm/s，其下的土層滲透系數(shù)為，其下的土層滲透系數(shù)為K2=10-3cm/s ，壩下游各段的孔隙率如表所列，設(shè)計抗?jié)B透變形的安全系數(shù)采用壩下游各段的孔隙率如表所列，設(shè)計抗?jié)B透變形的安全系數(shù)采用1.751.75，請指出下列

46、（），請指出下列（）選項項段為實測水力坡降（水力梯度）大于容許滲透比降的土層分段。選項項段為實測水力坡降（水力梯度）大于容許滲透比降的土層分段。地基土層地基土層 分段分段表層土相對密度表層土相對密度dsds表層土的表層土的 孔隙率孔隙率n n實測水力實測水力 坡降坡降i i容許滲透容許滲透 比降比降2.72.70.5240.5240.420.422.72.70.5350.5350.430.432.722.720.5240.5240.410.412.72.70.5450.5450.480.48(2005年巖土工程師專業(yè)考試試題) (A) (A) 段；段； （B B）； （C C）； （D D）

47、解：計算解：計算段的臨界水力坡降：段的臨界水力坡降：8092.0524.0117.211ndiscr容許水力坡降：容許水力坡降：42.046.075.1/8092.0/Kiicr容容許許計算計算段的臨界水力坡降：段的臨界水力坡降：7335.0545.0117.211ndiscr容許水力坡降：容許水力坡降：48.044.075.1/7335.0/Kiicr容容許許答案：答案：（D D）正確）正確、段計算同上。段計算同上。滲流的邊界條件1）地下水下的不透水邊界為流線；2）水下的透水邊界上總水頭相等，所以為一條等勢線；3）水平的地下水位為一等勢線；4）浸潤線及下游出流線上壓力水頭為0，只有位置水頭，

48、它們也是流線。69 流網(wǎng)必須滿足的基本條件：流網(wǎng)必須滿足的基本條件： 流線和等勢線必須正交；流線和等勢線必須正交； 每個網(wǎng)格的長寬比為定值。每個網(wǎng)格的長寬比為定值。 流網(wǎng)具有的性質(zhì)：流網(wǎng)具有的性質(zhì)： 任意兩相鄰等勢線間的水頭損失相等；任意兩相鄰等勢線間的水頭損失相等； 任意兩相鄰流線間的滲流量相等。任意兩相鄰流線間的滲流量相等。 早期解決滲流問題的手段：早期解決滲流問題的手段：解析解、流網(wǎng)、電模擬解析解、流網(wǎng)、電模擬2.3 二維滲流與流網(wǎng)二維滲流與流網(wǎng)2.3.2 2.3.2 流網(wǎng)的繪制和應(yīng)用流網(wǎng)的繪制和應(yīng)用70均質(zhì)土壩流網(wǎng)等勢線等勢線 等壓線等壓線 h=z+p/浸潤線浸潤線 流線流線+等壓線等

49、壓線出溢區(qū)出溢區(qū) 等壓線等壓線2.3 二維滲流與流網(wǎng)二維滲流與流網(wǎng)71流網(wǎng)的繪制和應(yīng)用流網(wǎng)的繪制和應(yīng)用 h為總水頭差，為總水頭差，Nd為等勢線落差數(shù)為等勢線落差數(shù) q為相鄰兩條等勢線之間的水頭損失：為相鄰兩條等勢線之間的水頭損失： q為總流量，為總流量， Nf為流道數(shù)為流道數(shù) q為流網(wǎng)中任意兩相鄰流線間的單寬為流網(wǎng)中任意兩相鄰流線間的單寬流量流量/fqqN/dhhN72流網(wǎng)的繪制和應(yīng)用流網(wǎng)的繪制和應(yīng)用單位時間內(nèi)滲流水的體積單位時間內(nèi)滲流水的體積l為任一網(wǎng)格的平均流線長度為任一網(wǎng)格的平均流線長度s為同一網(wǎng)格的平均等勢線長度。為同一網(wǎng)格的平均等勢線長度。當(dāng)取當(dāng)取l=s時時/fqqN/dhhN73流網(wǎng)的繪制流網(wǎng)的繪制板樁墻板樁墻 板樁墻入土深度板樁墻入土深度6.0m，不透水層埋深，不透水層埋深8.6m。上。上游水位高游水位高4.5m，下游水位為，下游水位為0.50m。 AB、CD是等勢線是等勢線 基準(zhǔn)面設(shè)在下游水位，基準(zhǔn)面設(shè)在下游水位，CD上的總水頭為零，上的總水頭為零，AB上的總水頭為上的總水頭為4.0m。 BEC和和FG都是流線，其他流線則存在于都是流線，其他