第三章土的滲透性與工程降水土力學

1、第三章 土的滲透性與工程(gngchng)降水3.1概 述3.2滲流規(guī)律和滲透系數(shù)3.3二維滲流與流網(wǎng)3.4滲透(shntu)力和滲透(shntu)破壞3.5地下水和工程降水的常用方法共五十五頁土體具有被液體（如土中水(zhn shu)）透過的性質(zhì)稱為土的滲透性，或稱透水性。液體（如地下水、石油）在土孔隙中的流動稱為滲流。3.1概 述非飽和土的滲透性較復(fù)雜(fz)，此不作介紹。共五十五頁3.1概 述（1）滲流(shn li)量問題土的滲透性研究(ynji)內(nèi)容基坑開挖或施工圍堰時的滲水量及排水量堤壩身、壩基土中的滲水量水井的供水量或排水量三峽電站年發(fā)電量800億度，26臺機組，100度/s，8

2、00方/s共五十五頁石油(shyu)開采量共五十五頁滲濾液(ly)排放量尾礦(wi kun)污水排放共五十五頁3.1概 述（2）滲透(shntu)破壞問題土的滲透性研究(ynji)內(nèi)容土中的滲流會對土顆粒施加作用力，即滲流力（滲透力），當滲流力過大時就會引起土顆粒或土體的移動，產(chǎn)生滲透變形，甚至滲透破壞。試驗視頻共五十五頁工程(gngchng)案例2003年7月1日凌晨，建上海軌道交通4號線突發(fā)險情，造成若干地面(dmin)建筑遭到破壞，損失1.5億元。豎井與旁通道的開挖順序錯誤、冷凍設(shè)備出現(xiàn)故障（冷凍法施工）、地下承壓水導致噴沙共五十五頁3.1概 述（3）滲流(shn li)控制問題土的滲透

3、性研究(ynji)內(nèi)容當滲流量或滲透變形不滿足設(shè)計要求時，就要研究工程措施進行滲流控制。共五十五頁水在孔隙中流動的實際路線是不規(guī)則的，滲流的方向(fngxing)和速度都是變化3.2滲透(shntu)規(guī)律和滲透(shntu)系數(shù)3.2.1土的滲透性在滲流分析時，常將復(fù)雜滲流土體簡化為理想滲流模型滲流模型的基本假定：只分析主要流向整個空間為滲流所充滿同一過水斷面，滲流模型的流量等于真實流量；壓力與真實滲流壓力相等；連續(xù)介質(zhì)多孔介質(zhì)共五十五頁水在飽和土體中滲流時，在垂直于滲流方向取一個土體截面，該截面叫過水截面。過水截面包括(boku)土顆粒和孔隙所占據(jù)的面積。在時間t內(nèi)滲流通過該過水截面（其面積

4、為A）的滲流量為Q，則滲流速度為（3-1）1.滲流(shn li)速度共五十五頁滲流速度表征滲流在過水(u shu)截面上的平均流速，并不代表水在土中滲流的真實流速。水在飽和土體中滲流時，孔隙中實際平均流速為（3-2）共五十五頁水在土中任意一點(y din)的總水頭（3-3）2.水頭、水力(shul)梯度位置水頭壓力水頭速度水頭注意：位置水頭與基準面的選取有關(guān)土體中一般忽略速度水頭的影響（3-4）共五十五頁水力(shul)坡降（也稱水力(shul)梯度）2.水頭(shutu)、水力梯度（3-5）滲流是由總水頭差，而不是壓力水頭差產(chǎn)生的水頭損失/水頭差共五十五頁在t時段內(nèi)，滲流量Q與過水(u s

5、hu)斷面A和h成正比，與L成反比。（3-6）（3-7）達西（H.Darcy）進行了大量的滲流試驗，得出(d ch)了層流條件下土中水滲流速度和水頭損失之間關(guān)系的滲流規(guī)律，即達西定律。3.2.2達西定律及適用范圍共五十五頁例題(lt)3-1在恒定的總水頭差之下水自下而上(z xi r shn)透過兩個土樣，從土樣1頂面溢出，試求：（1）以c-c為基準面，求該面的總水頭和壓力水頭；（2）已知水流經(jīng)土樣2的水頭損失為總水頭差的30%，求b-b面的總水頭和壓力水頭。例題3-2若已知土樣2的滲透系數(shù)為0.05cm/s ，試求：（1）單位時間內(nèi)土樣橫截面單位面積的流量；（2）土樣1的滲透系數(shù)。共五十五頁

6、水在粗顆粒土中滲流時：（1）水流速度很小，粘滯(zhn zh)力占優(yōu)勢的層流，達西定律適用，雷諾數(shù)Re小于110之間的某一值；（2）水流速度增加到慣性力占優(yōu)勢的層流和層流向紊流過渡時，達西定律不再適用，雷諾數(shù)Re在10100之間；（3）隨著雷諾數(shù)Re的增大，水流進入紊流狀態(tài)，達西定律完全不適用。達西定律(dngl)適用范圍紊流層流共五十五頁在黏性土中自由水滲流會受到結(jié)合水膜粘滯阻力的影響，當水力坡降達一定值后滲流才能發(fā)生。存在(cnzi)一個達西定律有效范圍的下限值，即黏性土的起始水力坡降 i0。達西定律(dngl)適用范圍（3-8）共五十五頁3.2.3滲透系數(shù)的影響(yngxing)因素（1

7、）土的孔隙比孔隙比越大，滲透系數(shù)也就越大。（2）土顆粒的粒徑、級配和礦物成分細粒(x l)土的孔隙通道比粗粒土的小，滲透系數(shù)較??；黏性土滲透性小。級配良好的土，粗粒土間的孔隙被細粒土所填充，滲透系數(shù)比粒徑級配均勻的土??；共五十五頁Maximum permeability of soils19共五十五頁3.2.3滲透系數(shù)的影響(yngxing)因素（3）土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造絮凝結(jié)構(gòu)的黏性土，滲透系數(shù)比分散結(jié)構(gòu)的大成層土在水平方向的滲透系數(shù)遠大于垂直方向的。（4）土的飽和度（5）滲流水的性質(zhì)動力粘滯(zhn zh)度隨溫度的增加而減小，因此溫度升高一般會使土的滲透系數(shù)增加。共五十五頁土水特征(tzhng

8、)曲線非飽和滲透系數(shù)方程(fngchng)基質(zhì)吸力Soil- Water Characteristic Curve共五十五頁3.2.4滲透系數(shù)的測定(cdng)滲透系數(shù)的測定方法主要分室內(nèi)試驗(shyn)測定和現(xiàn)場測定兩大類。1.滲透系數(shù)的室內(nèi)試驗測定從試驗原理上大體可分為常水頭法和變水頭法兩種。常水頭試驗適用于測定透水性大的砂性土的滲透系數(shù)。黏性土滲透系數(shù)很小，滲透水量很少，須改用變水頭試驗。常水頭滲透試驗裝置共五十五頁常水頭(shutu)法待水頭差h和滲出流量Q穩(wěn)定(wndng)后，量測時間t內(nèi)流經(jīng)試樣的水量V（3-11）整個試驗過程中保持水頭差共五十五頁變水頭(shutu)法變水頭試驗法

9、就是(jish)試驗過程中水頭差一直在隨時間而變化dt時間內(nèi)流入試樣的水量為流出試樣的滲流量為（3-15）共五十五頁變水頭(shutu)法等式兩邊(lingbin)各取積分（3-18）測起始水頭差 h1，經(jīng)過時間t后，再測終了水頭差 h2 共五十五頁例題(lt)3-3設(shè)做變水頭滲透試驗(shyn)的黏土試樣的截面積為30cm2,厚度為4cm。滲透儀細玻璃管的內(nèi)徑為0.4cm，實驗開始時的水位差為145cm，經(jīng)過7min 25s觀察的水位差為100cm，試求試樣的滲透系數(shù)?！窘狻抗参迨屙?.2.4滲透系數(shù)的測定(cdng)2.滲透系數(shù)的現(xiàn)場(xinchng)測定常用現(xiàn)場井孔抽水試驗或注水試驗的

10、方法在現(xiàn)場打一口試驗井，貫穿要測定k值的砂土層，井在距井中心不同距離處設(shè)置一個或兩個觀測孔。然后自井中以不變的速率連續(xù)進行抽水。共五十五頁2.滲透系數(shù)的現(xiàn)場(xinchng)測定假定水流是水平流向，滲流過水斷面是一系列的同心圓柱面。測得的抽水量為Q，觀測孔距井軸線的距離分別為r1，r2，孔內(nèi)的水位高度為h1，h2，通過達西定律即可求出土層(t cn)的平均k值。單位時間自井內(nèi)抽出的水量為水力坡降等于地下水位線的坡度共五十五頁工程中許多滲流問題一般為二維或三維問題。如壩基、河灘路堤及基坑擋土墻等。先建立滲流微分方程，然后結(jié)合(jih)滲流邊界條件和初始條件進行求解。3.3二維滲流(shn li)

11、與流網(wǎng)共五十五頁3.3.1二維滲流連續(xù)(linx)方程在二維滲流(shn li)平面內(nèi)取一微元體假定：土體和水都是不可壓縮的土是均質(zhì)各向同性，即kx=kz 流入流出共五十五頁根據(jù)質(zhì)量守恒定理，流入的水量應(yīng)該(ynggi)等于流出的水量，（3-34）3.3.1二維滲流(shn li)連續(xù)方程二維穩(wěn)定滲流連續(xù)方程，拉普拉斯（Laplace）方程(1)穩(wěn)定滲流；(2)滿足達西定律；(3)水和土體是不可壓縮的；(4)均勻介質(zhì)或是分塊均勻介質(zhì)。共五十五頁數(shù)學解析法：求取滲流運動方程在特定邊界條件下的理論(lln)解，或者在一些假定條件下，求其近似解數(shù)值解法：有限元、有限差分、邊界元法等，近年來得到迅速地

12、發(fā)展電模擬試驗法：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圖繪流網(wǎng)法：簡便快捷，具有足夠的精度，可分析較復(fù)雜斷面的滲流問題共五十五頁流網(wǎng)是由流線（實線）和等勢線（虛線）兩組互相垂直交織的曲線所組成。在穩(wěn)定滲流情況下流線表示(biosh)水質(zhì)點的運動線路，而等勢線表示(biosh)勢能或水頭的等值線。3.3.2流網(wǎng)(liwng)的特征及應(yīng)用共五十五頁對于各向同性的均質(zhì)土體：（1）流線和等勢線是正交的；（2）各等勢線間的差值相等(xingdng)，各流線之間的差值也相等(xingdng)，各個網(wǎng)格的長寬之比為常數(shù)；（3）流網(wǎng)中流線密度越大的部位流速越大，等勢線密度越大的部位水力

13、坡降越大。3.3.2流網(wǎng)的特征(tzhng)及應(yīng)用1.流網(wǎng)的性質(zhì)共五十五頁流網(wǎng)繪制方法(fngf)概述根據(jù)(gnj)滲流場的邊界條件確定邊界流線和首尾等勢線正交性曲邊正方形流線等勢線反復(fù)修改，調(diào)整精度較高的流網(wǎng)圖初步繪制流網(wǎng)共五十五頁k =1 10-4 m/s Svflux cutoff example共五十五頁滲流引起的滲透破壞問題主要有兩大類：一是由于滲流力的作用，使土體顆粒流失或局部土體產(chǎn)生移動，導致土體變形甚至失穩(wěn)。主要表現(xiàn)(bioxin)為流砂和管涌。二是由于滲流作用，使水壓力或浮力發(fā)生變化，導致土體或結(jié)構(gòu)物失穩(wěn)。主要表現(xiàn)為岸坡滑動或擋土墻等構(gòu)造物整體失穩(wěn)。3.4滲透(shntu)力

14、和滲透(shntu)破壞共五十五頁3.4.1滲透力（1）水柱(shu zh)重力Gw：（2）水柱兩端(lin dun)面水壓力共五十五頁3.4.1滲流(shn li)力（3）單位土體內(nèi)(t ni)的滲流力J和土粒對水流阻力T，則 J=T。土粒對水流總阻力滲透力是一種體積力，量綱與 相同。滲透力的大小和水力梯度成正比，其方向與滲透方向一致。（3-43）共五十五頁若貯水器不斷上提，當h增大(zn d)到某一數(shù)值，向上的滲流力克服了向下的重力時，土體就要發(fā)生浮力或受到破壞。在向上的滲流力作用下，粒間有效應(yīng)力為零時，顆粒群發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象稱為流砂現(xiàn)象或流土現(xiàn)象。使土開始(kish)發(fā)生流砂現(xiàn)象時的

15、水力梯度稱為臨界水力梯度滲透力=浮容重共五十五頁3.4.2流砂或流土現(xiàn)象(xinxing)多發(fā)生在級配均勻的飽和細、粉砂和粉土層中。突發(fā)性，工程危害(wihi)極大。共五十五頁在長為10cm，面積8cm2的圓筒內(nèi)裝滿砂土。經(jīng)測定，粉砂的土粒比重ds=2.65，孔隙比e=0.9，筒下端與管相連(xin lin)，管內(nèi)水位高出筒5cm(固定不變)，流水自下而上通過試樣后可溢流出去。試求：（1）滲透力的大??；（2）臨界水力梯度icr值，判斷是否會產(chǎn)生流砂現(xiàn)象。例題(lt)3-4【解】（1）水力坡降 滲透力的大小為：共五十五頁（2）土的浮重度為：例題(lt)3-4臨界(ln ji)水力坡降因為所以不會

16、發(fā)生流砂現(xiàn)象。共五十五頁減小或消除水頭差，如坑外的井點降水法降低地下水位增長滲流路徑，如打板樁；滲流出口處用透水材料覆蓋壓重以平衡滲流力；土層加固處理(chl)。如凍結(jié)法、注漿法等。流砂現(xiàn)象的防治(fngzh)原則共五十五頁土中的細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動以至流失；土的孔隙不斷擴大，滲流(shn li)速度不斷增加，較粗的顆粒也相繼被水流逐漸帶走土體內(nèi)形成貫通的滲流通道，造成土體坍塌，稱為管涌。3.4.3管涌(un yn)和潛蝕現(xiàn)象湖南望城湘江大堤管涌共五十五頁工程(gngchng)案例1998年8月7日13:10，九江大堤發(fā)生管涌險情，很快形成寬62m的潰口，洪水滔滔，局面(jmin)一

17、時無法控制。洪水向九江市區(qū)蔓延，靠近決堤口的市民被迫向樓房轉(zhuǎn)移。經(jīng)軍民三晝夜的奮戰(zhàn)，10日堵口圍堰合龍。給國家造成巨大損失。共五十五頁2013年5月5日18時50分，蘭州市永登縣中堡鎮(zhèn)邢家灣村北部的翻山嶺水庫，在蓄水試驗階段，水庫左壩肩山體出現(xiàn)管涌(un yn)，水庫內(nèi)70萬立方米水在一小時內(nèi)傾瀉而下，造成2個村257戶人受災(zāi)，960畝農(nóng)田過水共五十五頁在自然界，在一定條件下同樣會發(fā)生上述滲透破壞(phui)作用，為了與人類工程活動所引起的管涌相區(qū)別，通常稱之為潛蝕。機械潛蝕是指滲流的機械力將細土粒沖走而形成洞穴；化學潛蝕是指水流溶解了土中的易溶鹽或膠結(jié)物使土變松散，細土粒被水沖走而形成洞穴。

18、3.4.3管涌(un yn)和潛蝕現(xiàn)象Fine particleCoarse particleInternal Erosion共五十五頁3.5.1地下水分類(fn li)（1）上層(shngcng)滯水積聚在局部隔水層上的水稱為上層滯水。這種水靠雨水補給，有季節(jié)性。上層滯水范圍不大，存在于雨季，旱季可能干涸。3.5地下水和工程降水的常用方法共五十五頁3.5.1地下水分類(fn li)（2）潛水(qinshu)埋藏在地表下第一個連續(xù)分布的穩(wěn)定隔水層以上，具有自由水面的重力水稱為潛水。自由水面為潛水面，水面的標高稱為地下水位。地面至潛水面的鉛直距離hw為地下水的埋藏深度。潛水由雨水與河水補給，水位也有季節(jié)性變化。共五十五頁3.5.1地下水分類(fn li)（3）承壓水埋藏在兩個連續(xù)分布的隔水層之間完全充滿的有壓地下水稱為承壓水。在地勢高處(o ch)水位高，對地勢低處產(chǎn)生靜水壓力。若打穿承壓水頂面的第一隔水層，則承壓水因有壓力自上涌。共五十五頁3.5.3地下水對工程(gngchng)影響施工(sh gng)降排水當?shù)叵滤宦癫販\、基礎(chǔ)埋深大