第二章 土的渗透性及渗流精选PPT.ppt

第二章 土的渗透性及渗流第1页，本讲稿共39页重点及难点：重点及难点：第二章土的渗透性及渗流土体渗透的基本概念；土体渗透的基本概念；达西定律；达西定律；渗流系数测定；渗流系数测定；影响渗流的因素；影响渗流的因素；流土和管涌现象。流土和管涌现象。第2页，本讲稿共39页渗透特性渗透特性强度特性强度特性变形特性变形特性非饱和土的渗透性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性饱和土的渗透性 第一节第一节 概述概述一、渗透的基本概念一、渗透的基本概念碎散性碎散性多孔介质多孔介质三相体系三相体系孔隙流体流动孔隙流体流动能量差能量差 第二章土的渗透性及渗流水在土体孔隙中透过的现象水在土体孔隙中透过的现象渗透性渗透性土体具有被液体透过的性质土体具有被液体透过的性质渗透渗透渗流渗流液体在土空隙或其它透水性介质中的流动液体在土空隙或其它透水性介质中的流动第3页，本讲稿共39页渗透力渗透力土中的渗流对土颗土中的渗流对土颗粒施加上的作用力粒施加上的作用力渗流量渗流量渗透变形渗透变形当渗流力过大当渗流力过大 时时就会引起土颗粒就会引起土颗粒或土体的移动，或土体的移动，产生渗透变形，产生渗透变形，甚至渗透破坏甚至渗透破坏透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙二、渗透现象和问题二、渗透现象和问题2.1板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流第一节第一节 概概 述述第4页，本讲稿共39页渗流量渗流量渗透变形渗透变形土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层2.2 土石坝坝身及坝基中的渗流土石坝坝身及坝基中的渗流土坝蓄水后水透过土坝蓄水后水透过坝身流向下游坝身流向下游第一节第一节 概概 述述第5页，本讲稿共39页渗流量渗流量透水层透水层不透水层不透水层天然水面天然水面2.3 水井渗流水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面第一节第一节 概概 述述第6页，本讲稿共39页渗流量渗流量原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位2.4 渠道渗流渠道渗流第一节第一节 概概 述述第7页，本讲稿共39页2.5 渗流滑坡渗流滑坡渗流造渗流造成变形成变形第一节第一节 概概 述述第8页，本讲稿共39页ABL透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙 第二节 土的渗透性一、渗流的基本概念一、渗流的基本概念1.11.1渗流中的水头差和水力梯度渗流中的水头差和水力梯度水在土中的渗流就是由于水头差引起的水在土中的渗流就是由于水头差引起的第9页，本讲稿共39页ABLh1h2zAzBh h00基准面基准面水力梯度线水力梯度线总水头总水头单位质量水体所具有的能量（单位质量水体所具有的能量（m）z：基准面高程：基准面高程V2/(m/s)：流速水头流速水头00A A点总水头：点总水头：B B点总水头：点总水头：总水头：总水头：水力梯度：水力梯度：1.11.1渗流中的水头差和水力梯度渗流中的水头差和水力梯度P P：水压（：水压（kPakPa）w w：水的重度（：水的重度（kN/mkN/m3 3)第10页，本讲稿共39页二、渗透试验与达西定律二、渗透试验与达西定律试验前提：试验前提：层流层流h，q A，q L，q断面平均流速断面平均流速水力坡降水力坡降2.12.1渗透试验渗透试验试验结果试验结果试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件:h1，A，L量测变量量测变量:h2，V，th=h1-h2q=Q/t（单位时间渗（单位时间渗出水量）出水量）概念：达西定律指层流条件下，反应土中水渗流速度与能量（水头）损失之间概念：达西定律指层流条件下，反应土中水渗流速度与能量（水头）损失之间关系的渗流规律关系的渗流规律第11页，本讲稿共39页2.2 2.2 达西定律达西定律 渗透定律在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v v与水力坡降与水力坡降i i的一次方的一次方成正比，并与土的性质有关。成正比，并与土的性质有关。注意：注意：AAvV V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度V Vr r：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A ArqVA VrArk:k:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力梯度物理意义：水力梯度i i1 1时的渗流速度时的渗流速度单位：单位：mm/s,cm/s,m/s,m/daymm/s,cm/s,m/s,m/day2.2.渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律第12页，本讲稿共39页土中水的渗流处于层流状态土中水的渗流处于层流状态vioib密实粘土：密实粘土：iib,v=k(i-ib)需要克服结合水的粘滞阻力后才能发需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透生渗透;同时渗透系数与水力梯度的规律还同时渗透系数与水力梯度的规律还偏离达西定律而呈非线性关系。偏离达西定律而呈非线性关系。Ib为开始发生渗透时的水力梯度，即为开始发生渗透时的水力梯度，即初始水力梯度初始水力梯度2.2.渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律2.32.3达西定律适用范围达西定律适用范围砾石类土中的渗流不符合达西定律砾石类土中的渗流不符合达西定律ivovct适于大部分砂土，粉土；疏松的粘土及适于大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土，渗流速度与水力梯度呈砂性较重的粘性土，渗流速度与水力梯度呈线性关系线性关系vio第13页，本讲稿共39页室内试验测定方法室内试验测定方法野外试验测定方法野外试验测定方法常水头试验法常水头试验法变水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔抽水试验井孔注水试验井孔注水试验 二、土的渗透性2.4 2.4 渗透系数渗透系数K K的测定的测定2.2.渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律第14页，本讲稿共39页 室内试验方法室内试验方法11常水头试验法常水头试验法结果整理结果整理试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件:h，A，L量测变量量测变量:Q，ti=h/Lq=Q/t=kAiv=ki适用土类：适用土类：透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土2.4 2.4 渗透系数渗透系数K K的测定的测定2.2.渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律第15页，本讲稿共39页 室内试验方法室内试验方法22变水头试验法变水头试验法试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件:h变化变化，A，L量测变量量测变量:h，t变水头法仅适用于：变水头法仅适用于：透水性较小的粘性土透水性较小的粘性土2.4 2.4 渗透系数渗透系数K K的测定的测定2.2.渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律第16页，本讲稿共39页tt+t 室内试验方法室内试验方法22变水头试验法变水头试验法结果整理结果整理:理论依据理论依据:t时刻：时刻：htdhdQ=-adhdQ=kiAdt=k(h/L)Adt流入量=流出量流入量流入量：流出量：流出量：连续性条件：连续性条件：-adh=k(h/L)Adt选择几组选择几组h1,h2,t，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值2.4 2.4 渗透系数渗透系数K K的测定的测定h1hh2第17页，本讲稿共39页常水头试验常水头试验变水头试验变水头试验条件条件已知已知测定测定算定算定取值取值h不不变变h变化变化h，A，LQ，t重复试验后，取均值重复试验后，取均值a，A，Lh1 h2，t室内试室内试验方法验方法不同时段试验，取均值不同时段试验，取均值适用适用透水性较大的砂性土透水性较大的砂性土透水性较小的粘性土透水性较小的粘性土2.4 2.4 渗透系数渗透系数K K的测定的测定2.2.渗透试验与达西定律渗透试验与达西定律 二、土的渗透性第18页，本讲稿共39页 野外测定方法野外测定方法抽水试验和注水试验法抽水试验和注水试验法优点：可获得现场较为可靠的优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数平均渗透系数地下水位地下水位测压管水面测压管水面井井抽水量抽水量q qr1rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层观察井观察井A=2rhi=dh/dr缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长实验方法：实验方法：理论依据：理论依据：2.4 2.4 渗透系数渗透系数K K的测定的测定第19页，本讲稿共39页3.3.影响渗透系数的因素影响渗透系数的因素.土粒大小与级配土粒大小与级配 一般土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，一般土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑，K值就越大，但粗粒中值就越大，但粗粒中含有细粒时，随细粒含量增加，含有细粒时，随细粒含量增加，K值急剧下降，例如砂土中粉粒及粘粒值急剧下降，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。含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。.土的密实度土的密实度 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，即大，孔隙比降低，土的渗透性也减小，即K值减小。值减小。.土的饱和度土的饱和度 一般情况下，土的饱和度越低，一般情况下，土的饱和度越低，K值愈小。值愈小。第20页，本讲稿共39页.水的温度水的温度 .土的结构：土的结构：细粒在天然状态下具有复杂的结构，结构一旦受扰动，细粒在天然状态下具有复杂的结构，结构一旦受扰动，原有的过水通道的形状及其分布就会发生改变，因而原有的过水通道的形状及其分布就会发生改变，因而K K值就不同。扰动值就不同。扰动土样与击实土样的土样与击实土样的K K值通常比同一密度的原状土的值通常比同一密度的原状土的K K值要小。值要小。动力黏滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水动力黏滞系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。的动力粘滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。T T、2020分别为分别为T T和和2020时水的时水的动力粘滞系数，可查表；动力粘滞系数，可查表；K K2020和和K KT T为为TT和和20 20 时土的渗透系数时土的渗透系数 3.3.影响渗透系数的因素影响渗透系数的因素.土的构造：土的构造：若在黏性土层中有很薄的砂土夹层的层理结构，会若在黏性土层中有很薄的砂土夹层的层理结构，会使土在水平方向上的使土在水平方向上的K K值比垂直方向的值比垂直方向的K K值大许多倍。值大许多倍。第21页，本讲稿共39页4.4.层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的确立各层的km考虑渗流方向考虑渗流方向天然土层多呈层状天然土层多呈层状第22页，本讲稿共39页H1H2H3Hhk1k2k3xzq1xq3xq2xL1122不透水层不透水层水平渗流水平渗流条件条件:等效渗透系数等效渗透系数:qx=vxH=kxiHqmx=kmimHm4.4.成层土的平均渗透系数成层土的平均渗透系数第23页，本讲稿共39页H1H2H3Hhk1k2k3xz竖直渗流竖直渗流:v承压水承压水条件条件:等效渗透系数等效渗透系数:4.4.成层土的平均渗透系数成层土的平均渗透系数第24页，本讲稿共39页算例算例 按层厚加权平均，由较大值控制按层厚加权平均，由较大值控制倒数按层厚加权平均，由较小值控制倒数按层厚加权平均，由较小值控制4.4.成层土的平均渗透系数成层土的平均渗透系数第25页，本讲稿共39页 三、渗透破坏与控制渗渗透透破破坏坏由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部产生移动，导致土体变形失稳，如流砂和管涌产生移动，导致土体变形失稳，如流砂和管涌由于渗流的作用，使水压力或浮力发生变化，由于渗流的作用，使水压力或浮力发生变化，导致土体或结构失稳，如岸坡滑动或挡土墙整体失稳导致土体或结构失稳，如岸坡滑动或挡土墙整体失稳第26页，本讲稿共39页1 1 渗流力：渗流力：单位体积土颗粒受到渗单位体积土颗粒受到渗流作用力称为渗流力流作用力称为渗流力 试验观察h=0 h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。静水中，土骨架会受到浮力作用。h0 h0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖曳力。个摩擦、拖曳力。渗透力渗透力 J J渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器ab 三、渗透破坏与控制渗透破坏试渗透破坏试验示意验示意第27页，本讲稿共39页h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b 水柱上下两端面的边界水压力，水柱上下两端面的边界水压力，w wh hw w和 w wh h1 1水柱重力水柱重力1.1.渗流力渗流力GwJ水柱水柱设单位土体内渗流力和土粒对水流阻力为设单位土体内渗流力和土粒对水流阻力为J J和和T T（J=TJ=T作用作用与反作用力），则总阻力与反作用力），则总阻力T=TLAwT=TLAw，方向竖直向下。由平衡条件：，方向竖直向下。由平衡条件：渗流力为一种体积力，单位与渗流力为一种体积力，单位与 w w相同，大小与相同，大小与水力梯度成正比，方向与渗透方向一致。水力梯度成正比，方向与渗透方向一致。第28页，本讲稿共39页2.流土流土在向上渗流力作用下，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流土在向上渗流力作用下，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流土或流砂，表现为局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动或流砂，表现为局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动 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 三、渗透破坏与控制第29页，本讲稿共39页2.流土流土在向上渗流力作用下，颗粒群发生悬浮、移动的现象在向上渗流力作用下，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流土或流砂，表现为局部土体表面隆起，或某一范围内土称为流土或流砂，表现为局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时发生移动粒群同时发生移动 三、渗透破坏与控制流土发生的临界状态：流土发生的临界状态：流土发生临界状态的水力梯度：流土发生临界状态的水力梯度：工程中利用容许水力梯度设计渗流逸出处水力梯度：工程中利用容许水力梯度设计渗流逸出处水力梯度：第30页，本讲稿共39页3.管涌管涌在渗流作用下，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隙，发生移动并被带出的现象，出现塌陷、溃口等出现塌陷、溃口等 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管道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。能穿越地基的细管状渗流管道，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。一般不均系数有个时间过程，是一种渐进性的破坏。一般不均系数CuCu大于大于1010才会才会发生管涌。发生管涌。第31页，本讲稿共39页4.流土与管涌的判别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力条件等因素有关 流土：流土：存在使流砂现象发生的临界水力梯度存在使流砂现象发生的临界水力梯度i ic c，当，当i ii ii ic c，土体发生流土破坏；当，土体发生流土破坏；当i=ii=ic c土体处于临界土体处于临界状态；状态；土不均匀系数越大，土不均匀系数越大，i ic c越小，土中细颗粒含量高，越小，土中细颗粒含量高，i ic c增大；增大；土的渗透系数愈大，土的渗透系数愈大，i ic c越小。越小。管涌：管涌：一般一般Cu10的土体才会发生管涌；的土体才会发生管涌；管涌多发生于砂性土中；管涌多发生于砂性土中；土中粗颗粒所构成的空隙直径必须大于细颗粒；土中粗颗粒所构成的空隙直径必须大于细颗粒；渗流力能够带动细颗粒渗流力能够带动细颗粒在空隙间滚动或是移动是发生管涌的水力条件；在空隙间滚动或是移动是发生管涌的水力条件；如孔隙中细粒含量较多，如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细粒含量约为以至塞满全部孔隙（此时细粒含量约为30%35%），此时的阻力最），此时的阻力最大，一般不出现管涌而会发生流土现象大，一般不出现管涌而会发生流土现象第32页，本讲稿共39页流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土土体局部范围的颗粒同时发土体局部范围的颗粒同时发生移动生移动管涌管涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可只要渗透力足够大，可发生在任何土中发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动道移动可发生于土体内部和渗流溢出处可发生于土体内部和渗流溢出处一般发生在特定级配的无粘性一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口 三、渗透破坏与控制第33页，本讲稿共39页 三、渗透破坏与控制5.5.防渗措施防渗措施5.1防治流土防治流土减小或消除水头差，如采用基坑外的井点降水法；减小或消除水头差，如采用基坑外的井点降水法；增长渗流路径，如打板桩；增长渗流路径，如打板桩；在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力；在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平衡渗流力；土层加固处理，如冻结法、注浆法。土层加固处理，如冻结法、注浆法。5.2防治管涌防治管涌改变水利条件，降低水力梯度，如打板桩；改变水利条件，降低水力梯度，如打板桩；改变几何条件，在渗流溢出部位铺设反虑层是防治改变几何条件，在渗流溢出部位铺设反虑层是防治管涌破坏的有效措施管涌破坏的有效措施第34页，本讲稿共39页5.3.水工建筑物渗流处理措施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水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏上堵下疏”为原则，上游截渗、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 垂直截渗垂直截渗 主要目的主要目的: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于垂直截渗 三、渗透破坏与控制第35页，本讲稿共39页设置水平铺盖设置水平铺盖 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 粘土铺盖粘土铺盖水位水位设置反滤层设置反滤层 砂垫层砂垫层加筋土工布加筋土工布回填中粗砂回填中粗砂抛石棱体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土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层 第36页，本讲稿共39页排水减压排水减压 粘性土粘性土含水层含水层减压井减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深挖排水槽。深挖排水槽。第37页，本讲稿共39页2.基坑开挖防渗措施基坑开挖防渗措施工程降水工程降水 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、在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水设备将地下集水井，用抽水设备将地下水从排水沟或集水井排出水从排水沟或集水井排出原地下水位原地下水位明沟排水明沟排水原水位面原水位面一级抽水后水位一级抽水后水位二级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水多级井点降水要求地下水位降得较深，采要求地下水位降得较深，采用井点降水。在基坑周围布用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，从井中置一排至几排井点，从井中抽水降低水位抽水降低水位 第38页，本讲稿共39页设置板桩设置板桩 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，减小水力坡降水的渗流路径，减小水力坡降钢板桩钢板桩水下挖掘水下挖掘 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。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，并同时进行挖掘为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，并同时进行挖掘 第39页，本讲稿共39页