土的滲透性及水的滲流

1、土的滲透性及水的滲流 第二章碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動滲流水、氣等在土體孔隙中流動的現(xiàn)象滲透性土具有被水、氣等液體透過的性質(zhì)滲透特性強(qiáng)度特性變形特性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性2.1 概述能量差滲流量滲透變形土石壩防滲斜墻及鋪蓋浸潤線透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流1.一些與土體滲流有關(guān)的工程問題滲水壓力揚(yáng)壓力滲流量滲透變形透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流滲流量透水層不透水層天然水面1.3 水井滲流漏斗狀潛水面Q滲流量原地下水位滲流時地下水位渠道滲流滲流滑坡滲流滑坡2.2 土的滲透定律 補(bǔ)充概念：層流與紊流：水在流動時，其中任意質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，稱為流線， 如各流線互不相交

2、，那么稱為層流，反之，如流線相 交，那么水中出現(xiàn)漩渦，使水流形成不規(guī)那么狀態(tài)，那么稱 為紊流。一般情況下皆以層流出現(xiàn)，而紊流情況只有 在均勻的巨粒或粗粒石中才能產(chǎn)生。水 頭：單位重量水體所具有的能量，包括動能和位能。液體流動應(yīng)滿足：連續(xù)原理和能量方程，即伯努里()方程。ABL一土中滲流的總水頭差和水力梯度h1h2zAzBh00基準(zhǔn)面水力坡降線總水頭單位質(zhì)量水體所具有的能量z：位置水頭位能u/w：壓力水頭勢能V2/(2g)：流速水頭0動能A點(diǎn)總水頭：B點(diǎn)總水頭：總水頭：水力坡降梯度：總機(jī)械能h：A、B兩點(diǎn)間的總水頭差，液體從A點(diǎn)向B點(diǎn)流動時為克服阻力而損失的能量 L：為A、B兩點(diǎn)間的滲流途徑，即

3、為流程滲流路徑或滲流長度 i的物理意義：單位滲流長度上的水力損失 二. 達(dá)西定律水通過斷面A平均流速達(dá)西通過實驗證實，當(dāng)水在土中流動的形態(tài)為層流時，水滲流遵循以下規(guī)律： 那么有：此即為達(dá)西定律(Darcys law) 達(dá)西定律 滲透定律在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。注意：AAvV：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度Vs：實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度A AvQVA VsAvk: 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i1時的滲流速度單位：mm/s, cm/s, m/s, m/day粗粒土：礫石類土中的滲流不符合

4、達(dá)西定律砂土中滲透速度 vcr= 適用條件ivovcrivoi0層流線性流大局部砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土 兩種特例粘性土：致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 室內(nèi)試驗測定方法野外試驗測定方法常水頭試驗法變水頭試驗法井孔抽水試驗井孔注水試驗一. 測定方法 室內(nèi)試驗方法1常水頭試驗法1. 室內(nèi)測定方法結(jié)果整理試驗裝置：如圖試驗條件: h，A，L=const量測變量: Q，ti=h/Lv=Q/Atv=ki適用土類：透水性較大的砂性土 室內(nèi)試驗方法2變水頭試驗法試驗裝置：如圖試驗條件: h變化，A，L=const量測變量: h ，t透水性較小的

5、粘性土常水頭法僅適用于：透水性較大的砂性土tt+ t 室內(nèi)試驗方法2變水頭試驗法結(jié)果整理:理論依據(jù):設(shè)t時刻： 總水頭差為hdQ=a(h-dh)- h =- ad(h)q=kAidQ=dq那么dt時間內(nèi)滲流量：而dt內(nèi)流過土截面的水量：由連續(xù)性條件：有：q=dQ/dt=-ad(h) /dt=kA(h)/L選擇幾組h1, h2, t ，計算相應(yīng)的k，取平均值那么在tt+dt時，總水頭差由h h-dh常水頭試驗變水頭試驗條件測定算定取值h=consth變化h，A，LQ，t重復(fù)試驗后，取均值a，A，Lh，t 室內(nèi)試驗方法不同時段試驗，取均值適用粗粒土粘性土評 價優(yōu)點(diǎn)：室內(nèi)測定設(shè)備簡單，費(fèi)用較省。缺點(diǎn)

6、：不能很好地反映現(xiàn)場中土的實際滲透性質(zhì)。由于土的滲透性與土的結(jié)構(gòu)有關(guān)，水平方向和豎直方向的滲透性往往不一樣；取樣時土易擾動，特別是砂土。 野外測定方法抽水試驗和注水試驗法優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)2. 現(xiàn)場測定方法地下水位測壓管水面井抽水量Qr1rr2dhdrh1hh2不透水層觀察井A=2rhi=dh/dr缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時較長實驗方法：積分得：記錄觀測孔內(nèi)水位高度h1、h2和抽水量Q2.影響因素 粒徑大小及級配孔隙比礦物成分結(jié)構(gòu)二. 滲透系數(shù)的影響因素 水的動力粘滯系數(shù)飽和度含氣量 對k影響很大，封閉氣泡2.3 滲透力與滲透變形 一. 滲透力 試驗觀察h=0 靜水中，土骨架會受

7、到浮力作用。h0 水在流動時，水流受到來自土骨架的阻力，同時流動的孔隙水對土骨架產(chǎn)生一個摩擦、拖曳力。滲透力 j 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。滲透變形滲透力h1hh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abh1hh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab土粒滲 流jh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1W = LsatL( + w)P1 = whwP2 = wh2R = ?R + P2 = W + P1R + wh2 = L( + w) + whw R = L 土水整體分析h1hh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1W = LsatL( +

8、 w)P1 = whwP2 = wh1R = ?R + P2 = W + P1R + wh1 = L( + w) + whw R = L whR = L 滲流中的土體h1hh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abP2WP1R靜水中的土體A=1R = L whR = L 滲流中的土體水與土之間的作用力滲流的拖曳力總滲透力J = wh滲透力j = J/V = wh/L = wij = wi滲透力的性質(zhì)物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力j = wi大?。悍较颍号c滲流方向一致作用對象：土骨架根本類型 二.滲透變形滲透破壞 流土管涌土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞形成條

9、件 防治措施 1. 臨界水力梯度 水自上而下滲流：總反力：R = LA+ whA水自下而上滲流：總反力：R = LA- whA當(dāng)：LA=whA向上的滲透力已使土顆粒處于失重或懸浮狀態(tài)臨界水力梯度粘性土k1k2砂性土k2壩體2. 根本類型 流土在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時發(fā)生懸浮移動的現(xiàn)象滲流原因：管涌原因：內(nèi)因 有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙外因滲透力足夠大 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穿的管道。管涌管涌破壞流土與管涌的比較 流土土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中破壞過程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等現(xiàn)象位置土類歷時后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動可發(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或分散性粘土破壞過程相對較長導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口3.形成條件Fs: 平安系數(shù)1.52.0 i : 允許坡降i icr :土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞土體處于臨界狀態(tài)流土經(jīng)驗判斷：4. 防治措施 增大i：下游增加透水蓋重 防治