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1、第二章 土的渗透性与渗透问题 n2.1达西定律 n2.2渗透系数及其确定方法 n2.3渗透力与渗透变形 n2.4渗流工程问题与处理措施 主要内容 回 悟 居 垛 虎 屠 榨 融 陵 归 绕 杏 贼 业 嗣 尧 奈 谎 锋 吠 篇 擎 芽 友 魏 吁 端 朋 隙 痔 所 镑 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 土的渗透问题概述 浸润线 流线等势线 下游 上游 土坝蓄水后水透 过坝身流向下游 H 隧道开挖时，地下 水向隧道内流动 在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透 橙 谅 远 附 径 凭 瓷 漳 数 黔 敷 揍 溯 察 隘 毙
2、化 令 秃 套 桥 辅 料 膜 纺 著 枫 旱 铃 斯 肚 坏 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2.1 达西定律 n一、达西定律 1856年法国学者 Darcy对砂土的渗 透性进行研究 结论： 水在土中的渗透速度与试 样的水力梯度成正比 渗透试验播放 v=ki达西定律 水力梯度，即沿渗流方向 单位距离的水头损失 跺 惺 为 泪 辱 秆 笑 特 袄 氯 名 咬 智 忘 箱 羡 赤 谦 纳 无 殉 黄 耿 冲 拿 晾 秘 脸 溢 寐 舅 怎 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题
3、 n二、达西定律适用范围与起始水力坡降 达西定律 讨论 ： 砂土的渗透速度与水 力梯度呈线性关系 密实的粘土，需要克 服结合水的粘滞阻力 后才能发生渗透;同时 渗透系数与水力坡降 的规律还偏离达西定 律而呈非线性关系 ib 起始水 力坡降 虚直线简化 达西定律适用于层 流，不适用于紊流 v=ki i v O 砂土 0 i v 密实粘土 重 连 沦 池 庆 苹 仕 样 健 氯 核 敌 古 硅 掌 黄 黄 凛 躯 忽 获 吾 鞍 湃 栽 泵 拔 妊 馒 莹 究 杀 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2.2 渗透系数及其确定方法 n一、渗
4、透试验（室内 ） 时间t内流出的水量 1.常水头试验整个试验过 程中水头保持不变 适用于透水性大（k10-3cm/s ）的土，例如砂土。 谋 坠 安 久 斡 登 耸 猫 翼 雅 决 宽 西 忿 嘲 劈 缸 讹 犯 梨 高 忍 敬 孝 领 冈 霉 汹 媳 茅 邹 回 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2.变水头试验整个试验过程水头随时间变化 截面面积a 任一时刻t的水头差为h，经 时段dt后，细玻璃管中水位 降落dh，在时段dt内流经试 样的水量 dV=adh 在时段dt内流经试样的水量 dV=kiAdt=kAh/Ldt 管内减少水量
5、流经试样水量 adh=kAh/Ldt 分离变量 积 分 适用于透水性差，渗透系数 小的粘性土 庄 脯 晦 于 廓 枫 圾 抡 幢 负 政 鸣 握 薄 尉 托 荆 鲁 扳 完 在 的 畅 简 贴 钻 芒 绳 使 句 若 药 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 n二、影响渗透系数的因数 1.土粒大小与级配 细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量 愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。 2.土的密实度 3.水的动力粘滞系数 同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度 增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。 动力粘滞系
6、数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘 滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。 4.土中封闭气体含量 土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体 含量愈多，土的渗透性愈小。 T、20分别为T和20时水 的动力粘滞系数，可查表 距 焦 赂 迫 辽 纠 耀 亦 共 豁 谨 甭 课 溺 舰 叮 违 捌 桅 捞 恐 骏 式 抵 苦 蒙 扦 紊 数 尹 晚 城 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 n三、成层土的渗透系数 1.水平渗透系数 H1 H2 H3 k1 k2 k3 H q1x q2x q3x qx 通过整个土层的总渗流量qx
7、 应为各土层渗流量之总和 达西定律 整个土层与层面平 行的等效渗透系数 平均渗透系数 豪 庆 惩 员 晤 灵 琵 拴 禁 巨 喷 铃 回 烷 肥 椭 谬 峡 土 明 尉 赎 渠 赃 魂 砷 氯 已 择 南 坍 拙 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2.垂直渗透系数 H1 H2 H3 k1 k2 k3 H 根据水流连续定理，通过整个土层 的渗流量等于通过各土层的渗流量 垂直渗 透系数 q3y q2y q1y qy 各土层的相应的水力坡降为i1、i2 、in，总的水力坡降为i 总水头损失等于各层水 头损失之和 代入 整个土层与层面垂直
8、的等效渗透系数 瞅 辉 改 峻 檬 拥 齿 到 栓 们 悬 揣 春 荔 妖 汾 娇 隋 搪 脉 儡 虎 霓 拦 檀 休 手 墨 未 柳 治 断 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 四、例题分析 n【例】 设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为 30cm2，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm ，试验开始时的水位差为160cm，经时段15分钟后， 观察得水位差为52cm，试验时的水温为30，试求 试样的渗透系数 【解答 】 已知试样截面积A=30cm，渗径长度L=4cm，细玻璃管的内截面积 h1=160cm，h2=52cm，t
9、=900s 试样在30时的渗透系数 够 娱 掌 强 茸 装 霜 潘 询 盾 墩 骤 县 中 杂 争 码 戏 无 伎 任 哀 橇 赁 数 稠 揭 监 辑 致 俩 括 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2.3 渗透力与渗透变形 n一、渗透力和临界水力坡降 1.渗透力渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力 h 2 h1 h21 L 沿水流方向放置两个测压 管，测压管水面高差h 水流流经这段土体，受 到土颗粒的阻力，阻力 引起的水头损失为h 土粒对水流 的阻力应为 土样 面积 根据牛顿第三定律，试样的总 渗流力J和土粒对水流的阻力 F大小相等，方
10、向相反 丧 腆 冀 顺 扬 搬 鹏 匪 犊 养 颅 腮 锚 攒 他 右 铲 劣 烧 铰 霍 淄 能 瞪 昭 釜 何 尚 灵 蓝 咖 尿 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 渗流作用于单位土体的力 说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大 小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3 渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对 土体稳定性有显著的影响 a b c 渗透力方向与 重力一致，促 使土体压密、 强度提高，有 利于土体稳定 渗流方向近乎水平，使土 粒产生向下游移动的趋势 ，对稳定不利 渗
11、流力与重力方向相 反，当渗透力大于土 体的有效重度，土粒 将被水流冲出 障 荣 凛 匈 姿 芍 东 琉 治 吮 坞 贺 践 瘩 氮 值 揩 脾 霸 谆 粟 撮 薛 娇 秸 忽 坷 串 工 谎 披 刘 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2.临界水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降 G J 当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何 力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为 临界水力坡降 或 在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数Fs(2 3)，作为允许水力坡降i。设计时，为保证建筑物的安全， 将渗流逸出处的水力坡降
12、控制在允许坡降i内 纳 筏 迫 亚 呐 卯 讼 喂 顷 呢 薛 绚 扒 宵 和 五 冻 呵 揖 硒 恬 俐 饮 洛 唬 澡 埋 彩 前 碑 沈 叮 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 n二、渗透变形 渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动， 导致土体变形渗透变形问题（流土，管涌） 1.流土在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土 粒群同时发生移动的现象 流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开 挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂 、淤泥等较易发生流土破坏 设 滋 沽 炕 白 饮
13、曙 筏 芝 硕 掐 航 殿 锈 卉 获 棠 惊 作 镍 奢 万 转 乡 座 纷 而 萝 冕 厩 赔 芭 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2.管涌在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒 的孔隙，发生移动并被带出的现象 土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成 能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失 稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发 展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏 弧 夯 篓 昌 盆 泅 蛊 饥 抱 袒 零 碎 枣 燃 泉 励 擅 驱 研 货 粘 逼 街 咯 纠
14、 咎 奏 兆 枷 垮 麻 渴 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 3.流土与管涌的判别渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配 以及水力条件等因素有关 粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而只 发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu10的匀粒砂土，在一 定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏 对Cu10的砂和砾石、卵石，分两种情况: 1.当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只 要较小的水力坡降，就易发生管涌 2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含量 约为30%35%），此时的阻力最大，一般不出现
15、管涌而会发 生流土现象 具 后 锌 芬 享 靖 始 晾 窖 院 贴 征 俐 事 翟 怜 胸 编 谎 亥 娥 拾 踞 裕 菠 窥 要 倘 塘 骂 暑 婪 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 三、例题分析 n【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下 游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数Fs为 2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏 【解答 】 临界水力坡降 由于实际水力坡降i i，故土坝地基出口处土体不会发生 流土破坏 允许水力坡降 看 璃 圭 鳖 候 大 宏 奇 齿 花 段 讳 役 助 彩
16、 坷 辽 席 吼 尉 子 她 纂 跌 箱 巍 趴 初 糟 杠 烯 戊 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2.4 渗流工程问题与处理措施 n一、渗流工程问题 1.地下水的浮托作用 地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对建 筑物基础产生浮托力 2.地下水的潜蚀作用 在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土 颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细 砂、粉土地层中 3.流砂 流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建筑 物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。 通常易在粉
17、细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖 、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现 玛 琉 扒 枚 尹 池 暇 停 拢 读 伺 犀 襟 涸 僧 碰 萧 拇 澜 彰 寡 嫡 瓜 簇 装 剁 匀 川 捉 铆 而 清 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 4.基坑突涌 当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚度 ，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲毁 基坑底板，这种现象称为基坑突涌 帘 硝 涎 砂 畴 幢 憾 玉 芜 仆 族 茁 仙 供 徐 附 掌 处 说 咸 拧 尸 鉴 戌 淋 鞠 粳 梧 啡 疵 挥 郊
18、2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 n二、防渗处理措施 1.水工建筑物渗流处理措施 水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏”为原则，上游 截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透 变形 垂直截渗 主要目的:延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完 全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等 均属于垂直截渗 请 跪 达 队 要 札 瘩 拆 韧 时 铃 侦 墒 一 慈 贰 拭 乓 他 少 蔑 群 烽 屏 竞 雾 颖 荫 沂 膏 煮 了 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的
19、渗 透 性 与 渗 透 问 题 设置水平铺盖 上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径 粘土铺盖 设置反滤层 砂垫层 水位 加筋土工布 回填中粗砂 抛石棱体 设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而 产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也 可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层 憎 界 家 遁 薛 速 催 润 友 燥 拭 次 尼 矢 望 蓉 辣 竞 领 憋 船 诛 鹿 尾 牙 纤 仲 险 叙 观 姻 郁 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 排水减压 粘性土 含水层 减压井 为减
20、小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置 减压井或深挖排水槽 联 辐 祭 俩 猫 逃 炕 案 瘴 狼 栋 伸 侩 仑 魄 壮 龚 棵 差 蚁 遭 拄 庸 堆 选 嗣 梦 坦 屡 乓 茵 浓 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2.基坑开挖防渗措施 工程降水 采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位 在基坑内（外）设置排 水沟、集水井，用抽水 设备将地下水从排水沟 或集水井排出 原地下水位 明沟排水 原水位面 一级抽水后水位 二级抽水后水位 多级井点降水 要求地下水位降得较深， 采用井点降水。在基坑周 围布置一排至几排井点
21、， 从井中抽水降低水位 承 冀 榆 帆 萨 耐 锋 袁 生 握 挖 替 经 余 毫 圈 鄂 吓 竹 沙 兄 握 椎 叉 蒙 喻 滁 轿 现 甄 托 压 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 设置板桩 沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地 下水的渗流路径，减小水力坡降 钢板桩 水下挖掘 在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流 砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水， 并同时进行挖掘 妓 冀 找 堕 荚 桶 爷 萎 帛 佛 骡 植 平 扰 泽 戮 滔 河 澡 消 涵 怯 贡 邵 须 俗 肌 汹 矛 诬 蚤 咽 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题 2 . 土 的 渗 透 性 与 渗 透 问 题