土的滲透性(最新)

1、第三章土的滲透性及滲流主講教師:13.2 土的滲透性與滲透規(guī)律 第三章 土的滲透性及滲流 3.3 二維滲流及流網(wǎng) 3.4 滲透破壞與控制 3.1 概述 23.1概 述滲流滲透性土具有被水、液體等透過的性質(zhì)水、液體等在土體孔隙中流動的現(xiàn)象碎散性多孔介質(zhì)三相體系孔隙流體流動能量差土土顆粒土中水滲流滲透特性強度特性變形特性互相關(guān)聯(lián)互相影響土力學(xué)重 要課題3透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流防滲體壩體浸潤線滲流問題：1. 滲流量？2. 滲透破壞？3. 滲透力？工程實例3.1概 述土的滲透性研究滲流量滲透破壞滲流控制三個問題工程應(yīng)用的需要4透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護下的基坑滲流：3.1概 述滲流問題

2、：1. 滲流量？2. 滲透破壞？3. 滲水壓力？工程實例5滲流問題：1. 滲流量Q？2. 降水深度？透水層不透水層天然水面水井滲流：漏斗狀潛水面Q3.1概 述6降雨入滲引起的滑坡滲流問題：1. 滲透力？2. 入滲過程？事故實例3.1概 述73.2 土的滲透性一滲流中的水頭與水力坡降二滲透試驗與達西定律三滲透系數(shù)的測定及影響因素能量方程滲流速度的規(guī)律滲透特性四層狀地基的等效滲透系數(shù)地基的滲透系數(shù)8ABL透水層不透水層基坑板樁墻滲流為水體的流動，應(yīng)滿足液體流動的三大基本方程：連續(xù)性方程、能量方程、動量方程一、滲流中的水頭與水力坡降3.2 土的滲透性9 總水頭（伯努利定理）： 單位重量水體所具有的能

3、量 位置水頭Z：水體的位置勢能（任選基準(zhǔn)面） 壓力水頭p/w：水體的壓力勢能（p孔隙水壓力） 流速水頭V2/(2g)：水體的動能（對滲流多處于層流0） 滲流的總水頭：滲流問題的水頭也稱測管水頭，是滲流的總驅(qū)動能，滲流總是從水頭高處流向水頭低處3.2 土的滲透性ABLhAhBzAzBh基準(zhǔn)面水力坡降線10 A點總水頭：水力梯度ABLhAhBzAzBh基準(zhǔn)面水力坡降線 B點總水頭：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 水力梯度 i：單位滲流長度上的水頭損失3.2 土的滲透性11滲流速度隨水力梯度變化土中的滲流基本處于層流狀態(tài)，即：3.2 土的滲透性123.2 土的滲透性LAh1h

4、2QQ透水石h二、滲透試驗與達西定律試驗前提：層流或1.滲透試驗試驗結(jié)果:試驗裝置：如圖試驗條件: h1，A，L=const量測變量: h2，V，t達西定律132. 達西定律滲透定律: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：V：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度Vr：實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度A ArqVA VrArk: 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/day3.2 土的滲透性143.2 土的滲透性粗粒土：在純礫以上的很粗的粗粒土如堆石體中，在水

5、力坡降較大時，達西定律不再適用適用條件ivovcrivib層流（線性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性較重的粘性土兩種特例粘性土：致密的粘土存在起始水力坡降 iib, v=k(i - ib )礫土密實粘土15三、滲透系數(shù)的測定及影響因素 室內(nèi)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1. 測定方法野外試驗測定方法3.2 土的滲透性16室內(nèi)試驗方法1常水頭試驗法結(jié)果整理：試驗裝置：如圖試驗條件: h，A，L=const量測變量:滲水量Q，ti=h/Lq=Q/t=Avv=ki適用土類：透水性較大的砂性土3.2 土的滲透性hL土樣AQ17 試驗條件:h變化 A，a，L=cons

6、t 量測變量: h，t 適用土類：透水性較小 的粘性土土樣At=t1h1t=t2h2LQ水頭測管開關(guān)a3.2 土的滲透性室內(nèi)試驗方法2變水頭試驗法18土樣At=t1t=t2 h1h2LQ水頭測管開關(guān)在tt+dt時段內(nèi)： 入流量： dVe= - adh 出流量： dVo=kiAdt=k (h/L)Adt 連續(xù)性條件：dVe=dVo -adh =k (h/L)Adt hdhtt+dt室內(nèi)試驗方法-變水頭試驗法選擇幾組量測結(jié)果 ，計算相應(yīng)的k，取平均值3.2 土的滲透性19常水頭試驗變水頭試驗條件已知測定算定取值h=consth變化h，A，LQ，t重復(fù)試驗后，取均值a，A，Lh，t 室內(nèi)試驗方法小結(jié)

7、不同時段試驗，取均值適用粗粒土粘性土3.2 土的滲透性20現(xiàn)場測定法3抽水試驗抽水量Qr1r2h1h2井不透水層 試驗條件: Q=const 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) 缺點：費用較高，耗時較長觀察井3.2 土的滲透性地下水位測壓管水面213.2 土的滲透性r抽水量Q=qtr1r2h1h2井不透水層dhdrh地下水位測壓管水面 計算公式：取過水?dāng)嗝鍭=2rhi=dh/dr22土粒愈粗、大小愈均勻、形狀愈圓滑，K值愈大。因由粗顆粒形成的大孔隙可被細顆粒充填，隨細粒含量增加，K值急劇下降。 土的性質(zhì) 水的性質(zhì)土的粒度成分孔隙比土的飽和

8、度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造2.影響因素 3.2 土的滲透性23是單位土體中孔隙體積的直接度量土愈密實，孔隙比愈小，K值愈小。 土的性質(zhì) 水的性質(zhì)土的粒度成分孔隙比（密實度）土的飽和度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造3.2 土的滲透性24一般情況下飽和度愈低，K值愈小。因為低飽和土的孔隙中存在較多氣泡會減小過水面積，甚至賭塞細小孔道。 土的性質(zhì) 水的性質(zhì)土的粒度成分孔隙比土的飽和度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造3.2 土的滲透性25擾動土樣比原狀土樣K值小粘性土層中有很薄的砂土夾層，常使得k水平k垂直 土的性質(zhì) 水的性質(zhì)土的粒度成分孔隙比土的飽和度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造3.2 土的滲透性26水的動力粘滯系數(shù)： 溫度，水粘滯性，k 土的性質(zhì) 水的溫度粒徑大小及級配

9、孔隙比土的飽和度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造3.2 土的滲透性（JTJ051-93）采用標(biāo)準(zhǔn)溫度200下的滲透系數(shù)：271.土粒大小與級配 細粒含量愈多，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。 2.土的密實度 3.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，土的滲透系數(shù)則愈大。4.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，土的滲透性愈小。影響滲透系數(shù)的因數(shù)28四、層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層

10、的ki根據(jù)滲流方向確定等效滲透系數(shù)天然土層多呈層狀3.2 土的滲透性多個土層用假想單一土層置換，使得其總體的透水性不變29hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水層等效滲透系數(shù): 已知條件:qx=vxH=kx i Hqix=ki ii Hi 達西定律: 等效條件:水平滲流3.2 土的滲透性kxL30H1H2H3Hhk1k2k3xzv承壓水kzvi = ki (hi / Hi ) 已知條件: 達西定律: 等效條件:v = kz (h / H )等效滲透系數(shù):3.2 土的滲透性豎直滲流313.2 土的滲透性H1H2H3Hhk1k2k3xzv承壓水垂直滲流 已知條件:32 算

11、例說明 按層厚加權(quán)平均，由較大值控制層厚倒數(shù)加權(quán)平均，由較小值控制H1H2H3Hk1k2k3xz3.2 土的滲透性33水平滲流情形垂直滲流情形條件已知等效推定3.2 土的滲透性層狀地基的等效滲透系數(shù)34小 結(jié)水頭與水力坡降滲透試驗與達西定律滲透系數(shù)的測定及影響因素層狀地基的等效滲透系數(shù) 總水頭=位置水頭+壓力水頭 水頭是滲流的驅(qū)動力達西定律滲透系數(shù)、滲透速度達西定律的適用條件 常水頭試驗 變水頭試驗 抽水試驗 滲透系數(shù)影響因素 水平等效滲透系數(shù) 垂直等效滲透系數(shù)3.2 土的滲透性35平面問題：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，則在垂直該方向的各個平面內(nèi)，滲流狀況完全一致。對平面問

12、題，常取dy=1m單位寬度的一片來進行分析h=h(x,z), v=v(x,z)與時間無關(guān) 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h3.3 二維滲流及流網(wǎng) 一、二維滲流的基本方程及求解 36二維滲流的連續(xù)性方程 單位時間流入微單元的水量:二維滲流的連續(xù)性方程： 單位時間內(nèi)流出微單元的水量: 連續(xù)性條件:dxdzvxvzxz3.3 二維滲流及流網(wǎng) 37二維滲流的運動方程 達西定律： 滲流的連續(xù)性方程：滲流的運動方程：特例：各向同性均質(zhì)土體 kx=kzLaplace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3.3 二維滲流及流網(wǎng) 38與kx, kz無關(guān)滿足它的是兩個共軛調(diào)合函

13、數(shù) 勢函數(shù)和流函數(shù) 特點描述滲流場內(nèi)部的測管水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程式3.3 二維滲流及流網(wǎng) -Laplace方程39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的理論解，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，近年來得到迅速地發(fā)展電比擬試驗法：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)雜斷面的滲流問題滲流分析的方法3.3 二維滲流及流網(wǎng) 403.3 二維滲流及流網(wǎng) 二、流網(wǎng)的特征及繪制 流網(wǎng)滲流場中的兩族相互正交曲線流線和等勢線所形成的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。流線水質(zhì)點運動的軌跡線。等

14、勢線測管水頭相同的點之連線 。流網(wǎng)法通過繪制流線與勢線的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇來求解滲流問題。411.流網(wǎng)特征（1） 正交性：流線與等勢線互相正交Hh0lblb（2） 各個網(wǎng)格的長寬比c應(yīng)為常數(shù)。取c=1，即為曲邊正方形（3） 相鄰等勢線之間的水頭損失相等3.3 二維滲流及流網(wǎng) （4） 各個流槽的滲流量相等421）確定邊界條件：邊界流線和首尾等勢線2）研究水流的方向：流線的走向3）判斷網(wǎng)格的疏密大致分布4）初步繪制流網(wǎng)的雛形：正交性、曲邊正方形5）反復(fù)修改和檢查H=H1-H20H1H2不透水層要點：邊界條件、正交性、曲邊正方形、多練習(xí)lbabcdefgh3.3 二維滲流及流網(wǎng) 2.繪制方法43相鄰等勢線

15、之間的水頭損失為：總水頭差： H3.滲流量計算 每個流槽的滲流量：3.3 二維滲流及流網(wǎng) ABCDlbHH00lb 若b/l=1,則總滲流量（m3/天）為：44小 結(jié)平面滲流的基本方程及求解流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 連續(xù)性方程 運動方程 邊界條件 求解方法 勢函數(shù) 流函數(shù) 流網(wǎng)及特性 流網(wǎng)的畫法 流網(wǎng)的應(yīng)用3.3 二維滲流及流網(wǎng) 45h=0 靜水中，土骨架會受到浮力作用。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。h1hh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab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3.4 滲透破壞與控制 一、滲透力（動水力

16、）試驗觀察46滲透力-試驗觀察h1hh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab土粒滲 流滲透力 j：體積力滲透力j：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力3.4 滲透破壞與控制 47 Gw = vv w + vs w V w= LA w wP1 = whwAwP2 = wh1AwP1 + Gw + T = P2 J=T = wh/L= wi 水柱整體受力分析-滲流h1hh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab3.4 滲透破壞與控制 GwTwhwAw+ 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。48向上滲流存在時，濾網(wǎng)支持力減少。當(dāng)濾網(wǎng)支持力為

17、零時的水力坡降稱為臨界水力坡降icr，它是土體開始發(fā)生流土破壞時的水力坡降：滲透力-受力分析滲透力-受力分析wi 臨界水力坡降icr = h/L =/w由于icr取決于土的物理性質(zhì)3.4 滲透破壞與控制 h1hh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab49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，它是一種體積力大?。?J = wi方向：與水力坡降方向一致作用對象：土骨架3.4 滲透破壞與控制 50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。滲透變形是土工建筑物發(fā)生破壞的常見類型基本類型： 管涌 流土 接觸流土 接觸沖刷滲透變形單一土層滲透變形的兩種基本型式

18、3.4 滲透破壞與控制 51滲透變形 - 流土流土：在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、移動的現(xiàn)象。任何類型的土，只要水力坡降達到一定的大小，都可發(fā)生流土破壞粘性土k1k2砂性土k2壩體滲流 原因：與土的密實度有關(guān)3.4 滲透破壞與控制 52壩體滲透變形 管涌 原因內(nèi)因：有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙外因：滲透力足夠大 管涌：在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，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滲流1. 在滲透水流作用下，細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動流失2. 孔隙不斷擴大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶走3.

19、 形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷3.4 滲透破壞與控制 53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3.4 滲透破壞與控制 54Fs: 安全系數(shù)1.52.0 i : 允許坡降 i icr :土體發(fā)生流土破壞 工程設(shè)計：流土可能性的判別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

20、力條件，均要發(fā)生流土：3.4 滲透破壞與控制 55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）屬于非管涌土無粘性土中發(fā)生管涌必須具備相應(yīng)的幾何條件和水力條件管涌可能性的判別3.4 滲透破壞與控制 56較均勻土（Cu10） 幾何條件 水力條件無粘性土管涌的判別級配孔隙及細粒判定非管涌土粗顆粒形成的孔隙小于細顆粒不均勻土（Cu10）不連續(xù)連續(xù)d0=0.25d20細粒含量35%細粒含量25%細粒含量=25-35%d0 d5d0 = d3-d5管涌土過渡型土非管涌土非管涌土管涌土過渡型土P(%)lgd骨架充填料發(fā)生管涌的必要條件：粗顆粒所構(gòu)成的孔隙直徑大于細顆粒直徑3.4 滲透破壞與控制

21、57 幾何條件 水力條件無粘性土管涌的判別 滲透力能夠帶動細顆粒在孔隙間滾動或移動。可用管涌臨界水力坡降表示0 5 10 15 20 25 30 35 1.51.00.50icrCu流土過渡管涌水力坡降級配連續(xù)土級配不連續(xù)土破壞坡降 icr0.20-0.400.1-0.3允許坡降 i0.15-0.250.1-0.2伊斯托敏娜（蘇）中國學(xué)者 Cu 20時, icr =0.25-0.30， 考慮安全系數(shù)后： i=0.10-0.153.4 滲透破壞與控制 58透水層不透水層防滲體壩體浸潤線滲透變形的防治措施 減小i：上游延長滲徑 減小水壓差增大i： 下游增加透水 蓋重 改善幾何條件：滲流溢出部位設(shè)反

22、濾層等 改善水力條件：減小水力梯度 防治流土 防治管涌3.4 滲透破壞與控制 59小 結(jié)工程實例滲流問題土的滲透性及滲透規(guī)律二維滲流及流網(wǎng)滲透力與滲透變形滲流中的水頭與水力坡降滲透試驗與達西定律滲透系數(shù)的測定及影響因素層狀地基的等效滲透系數(shù)平面滲流的基本方程及求解流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 滲透力：概念與計算滲透變形：類型、條件、防治3.4 滲透破壞與控制 60土壩，高90m，長1000m，1975年建成，次年6月失事滲透破壞：沖蝕 水力劈裂Teton壩失事現(xiàn)場現(xiàn)狀原因土石壩壩基壩身滲流破壞實例61廣州京廣廣場基坑塌方基坑滲流破壞62西藏易貢巨型滑坡時間：2000年4月9日約20時規(guī)模：滑坡體自相對高差近3330m的雪峰陽坡滑下，歷時約10分鐘，滑程8km。堆積體長、寬各約2500m，平均厚60m，最厚100m，體積約2.8億-3.0億m3。地質(zhì)：滑坡堆積體80%以上是砂性土險情：堵塞易貢藏布江成堰塞湖，湖水面積22km2，湖長17km，水位以每天0.5-0.6m的速度上漲，湖水無下泄通道，預(yù)計6月底湖水將上漲至堆積體頂，攔存湖水將達40億-60億m3 降雨入滲引起的滑坡63西藏易貢巨型高速滑坡降雨入滲引起的滑坡64西藏易貢巨型高速滑坡降雨入滲引起的滑坡65湖水每天上漲50cm！易貢巨型滑坡現(xiàn)場