土的渗透性和渗流问题.ppt

第第2 2章章 土的渗透性及渗透稳定土的渗透性及渗透稳定2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 土的渗透定律土的渗透定律-达西定律达西定律2.3 2.3 渗透系数的确定渗透系数的确定2.4 2.4 渗透系数的影响因素渗透系数的影响因素 2.5 2.5 成层土的渗透系数成层土的渗透系数2.62.6 二维渗流与流网二维渗流与流网2.7 2.7 渗透力及渗透变形渗透力及渗透变形一一 、几个概念、几个概念土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流渗透特性渗透特性强度特性强度特性变形特性变形特性2.1 2.1 概概 述述 1.1.渗流：水在重力作用下，透过土体发生运动，这一现渗流：水在重力作用下，透过土体发生运动，这一现象称为渗流。象称为渗流。2.2.土的渗透性：土体被水透过的性质。土的渗透性：土体被水透过的性质。3.3.产生原因：产生原因：土三相结构中土三相结构中存存在在孔隙通道，不孔隙通道，不同位置同位置水质点水质点存存在能量差。在能量差。1.土石坝坝基坝身渗流：土石坝坝基坝身渗流：二、几个工程实例二、几个工程实例浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层渗流量渗流量渗透变形渗透变形2.板桩围护下的基坑渗流：板桩围护下的基坑渗流：基坑基坑透水层透水层不透水层不透水层渗流量渗流量渗透变形渗透变形板桩墙板桩墙渗流时地下水位渗流时地下水位3.渠道渗流：渠道渗流：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4.水井渗流水井渗流：漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q 层流：流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向层流：流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑作平滑直线运动直线运动。恒定流恒定流-水力要素不随时间发生变化。水力要素不随时间发生变化。非恒定流非恒定流-水力要素随时间的变化而发生变化。水力要素随时间的变化而发生变化。均匀流均匀流-在恒定流中在恒定流中,当水力要素不随空间坐标发生变。当水力要素不随空间坐标发生变。非均流非均流-水力要素沿空间坐标发生变化的水流水力要素沿空间坐标发生变化的水流,流线流线不再不再是相互平行的直线。是相互平行的直线。紊流：当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场紊流：当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，称紊流。中有许多小漩涡，称紊流。补充：补充：水力学中几个概念水力学中几个概念2.2 2.2 土的渗透定律土的渗透定律-达西定律达西定律 渗流现象与渗流模型渗流现象与渗流模型1.1.土中水渗流的实际状况与轨迹、影响因素。土中水渗流的实际状况与轨迹、影响因素。2.2.渗流模型渗流模型不考虑路径、只分析主要流向不考虑路径、只分析主要流向不考虑颗粒间孔隙，以全部空间为研究对象不考虑颗粒间孔隙，以全部空间为研究对象土颗粒土颗粒土中水土中水渗流渗流 这样，土中水流可以这样，土中水流可以看做是连续空间内的连续看做是连续空间内的连续介质运动，象渠道、管道介质运动，象渠道、管道中的水流。中的水流。假设后的渗流模型还应符合下述特征：假设后的渗流模型还应符合下述特征：渗流渗流A在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流量；在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流量；在任意界面上，渗流模型的压力等于真实渗流压力；在任意界面上，渗流模型的压力等于真实渗流压力；在相同体积内，渗流模型所受阻力等于真实渗流所受阻力。在相同体积内，渗流模型所受阻力等于真实渗流所受阻力。3.3.结论。依据以上假设，结论。依据以上假设，某过水断面某过水断面A A上的渗流速度为：上的渗流速度为：注意：过流面积是A中的孔隙面积A；是假想的平均流速，而不是真实的流速 ；由于：以及 所以：4.4.以静水为例介绍以静水为例介绍几个概念：几个概念：zA00ABu0pazB基准面基准面静水静水位置水头：位置水头：某点某点到基准面的到基准面的竖直距离，代表单位重量液体竖直距离，代表单位重量液体从基准面算起所具有从基准面算起所具有位置势能位置势能。压力水头：压力水头：水压力所能引起水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位的自由水面的升高，表示单位重量液体所具有的重量液体所具有的压力势能压力势能。测管水头：测管水头：测管水面到基准测管水面到基准面的垂直距离，等于位置水头面的垂直距离，等于位置水头和压力水头之和，表示单位重和压力水头之和，表示单位重量液体的量液体的总势能总势能。注意：注意：在静止液体中各点的测管水头相等。在静止液体中各点的测管水头相等。00基准面基准面质量质量 m压力压力 u流速流速 vz2.2.2.12.1渗流实验与达西定律渗流实验与达西定律 （1 1）渗流中的水头渗流中的水头n位置势能：位置势能：mgzn压力势能：压力势能：n动能：动能：n总能量：总能量：n总水头：单位重量水体所具有的总水头：单位重量水体所具有的能量，是水流动的驱动力。能量，是水流动的驱动力。V值很小，能量构成可忽略。值很小，能量构成可忽略。渗流为水体的流动，渗流为水体的流动，应满足应满足液液体流动的体流动的三大基本方程：三大基本方程：连续性连续性方程、能量方程、动量方程。方程、能量方程、动量方程。ABLhAzA基准面基准面 位置水头位置水头Z Z：水体的位置势能（任选基准面）：水体的位置势能（任选基准面）压力水头压力水头u/u/w w：水体的压力势能（：水体的压力势能（u u孔隙水压力）孔隙水压力）流速水头流速水头V V2 2/2g/2g：水体的动能，忽略不计：水体的动能，忽略不计渗流的总水头：渗流的总水头：也称也称测管水头测管水头，是渗流的，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处。处流向水头低处。注意：注意：A A、B B点总水头可表示为：点总水头可表示为：（2 2）水力梯度水力梯度 U U孔隙水压力孔隙水压力，静静水中即水中即静水静水压力。压力。A A、B B两点总水头差反两点总水头差反映了两点间水流由于摩阻映了两点间水流由于摩阻力造成的能量损失。力造成的能量损失。水力梯度水力梯度 i：单位渗单位渗流长度上的水头损失。流长度上的水头损失。土中水在孔隙中渗流时，会土中水在孔隙中渗流时，会因因“阻力阻力”在沿程造成能量损失，在沿程造成能量损失，为了验证这一现象，为了验证这一现象，18561856年达西年达西在研究城市供水问题时进行了渗在研究城市供水问题时进行了渗流试验（如图），得到了流试验（如图），得到了能量损能量损失与渗流速度失与渗流速度之间的关系。之间的关系。A（3 3）渗透试验和达西定律）渗透试验和达西定律以上两式即为：以上两式即为：达西定律。达西定律。达达西西定定律律：在在层层流流状状态态的的渗渗流流中中，某某断断面面单单位位时时间间的的渗渗流量流量（或渗透速度）与水力坡降成正比，并与（或渗透速度）与水力坡降成正比，并与土的性质土的性质有关。有关。注意：注意：渗渗透透系系数数k:k:反反映映土土的的透透水水性性能能的的系系数数，其其物物理理意意义义为水力坡降为水力坡降i i1 1时的渗流速度，单位：时的渗流速度，单位：cm/s,m/s,m/daycm/s,m/s,m/day。渗渗透透速速度度v v：土土体体试试样样全全断断面面的的平平均均渗渗流流速速度度，也也称称假想渗流速度。假想渗流速度。试验要求：试验要求：上部水面保持恒定；上部水面保持恒定；测压管水头不变；测压管水头不变；砂土中的渗流为砂土中的渗流为恒定流恒定流。适用条件：适用条件：水力学：层流、均匀流；水力学：层流、均匀流；土力学：流速较小时，恒定流。土力学：流速较小时，恒定流。岩土工程中的绝大多数岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一渗流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围；般粘土，均属层流范围；在粗粒土孔隙中，水流在粗粒土孔隙中，水流形态可能会形态可能会随流速增大呈随流速增大呈紊流状态紊流状态，渗流不再服从，渗流不再服从达西定律。达西定律。2.01.51.00.50流速流速(m/h)0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5达西定律达西定律适用范围适用范围水水力力坡坡降降砾石砾石粗砂粗砂中砂中砂细砂细砂极细砂极细砂2.2.2.22.2达西定律的适用范围达西定律的适用范围n 两种特例两种特例粘土颗粒渗流结合水膜 在在很粗的土很粗的土（如堆石体）（如堆石体）中，当水力坡降较大时，达西中，当水力坡降较大时，达西定律不再适用。对定律不再适用。对致密的粘性致密的粘性土土，存在起始水力坡降，存在起始水力坡降 ，水，水力坡降大于力坡降大于 时，达西定律仍时，达西定律仍适用。适用。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2.3 2.3 渗透系数的确定渗透系数的确定 “k k”值的影响因素很多，建立理论公式比较困难，一般值的影响因素很多，建立理论公式比较困难，一般为试验或经验确定。为试验或经验确定。经验估算法经验估算法室内试验方法室内试验方法野外试验方法野外试验方法K K值的确定方法：值的确定方法：2.2.3.1 3.1 室内实验法室内实验法 1 1）常水头法：）常水头法：试验装置：试验装置：如图如图 在整个试验过程中，在整个试验过程中，水头保水头保持不变持不变。常水头法适用于透水性。常水头法适用于透水性强的强的无粘性土无粘性土。结果整理：结果整理：试验条件试验条件:hh，A A，L L量测变量量测变量:V V，t t试验装置试验装置:如图如图 2 2）变水头法）变水头法 设细玻璃管的内截面积为设细玻璃管的内截面积为a a，试验开始后任一时刻试验开始后任一时刻t t的水位差的水位差为为h h，经时段，经时段dtdt，细玻璃管中水，细玻璃管中水位下落位下落dhdh，则在时段，则在时段dtdt内流经试内流经试样的水量：样的水量：在整个试验过程中，水头是在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的，适用于透水随着时间而变化的，适用于透水性弱的粘性土。性弱的粘性土。试验条件试验条件:水位变化，水位变化，A A，L L量测变量量测变量:dh dh，t t -式中负号表示渗流量随式中负号表示渗流量随h h的减小而增加。的减小而增加。将上式两边积分，得：将上式两边积分，得：解上式可得到土的渗透系数：解上式可得到土的渗透系数：或者表示为：或者表示为：2.2.3.2 3.2 现场测试法（抽水、注水试验）现场测试法（抽水、注水试验）实验方法：实验方法：抽水井单位抽水量抽水井单位抽水量与周围渗入井内水量相与周围渗入井内水量相等，为等，为q q；地下水位形成稳定地下水位形成稳定的抽水漏斗；的抽水漏斗；设观测井设观测井1 1、2 2，距，距抽水井距离分别为抽水井距离分别为r r1 1、r r2 2；井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层 在观测井之间取某在观测井之间取某r处为过水断面，则水面高度为处为过水断面，则水面高度为h，同时该点处的水力坡降为：，同时该点处的水力坡降为：井井抽水量抽水量Q Qr1rr2dhdrh1hh2不透水层不透水层由达西定律并整理得：由达西定律并整理得：优点：可获得现场较为优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数。可靠的平均渗透系数。缺点：费用较高，耗时缺点：费用较高，耗时较长。较长。对两边积分得：对两边积分得：求解得：求解得：室内试验、现场试验及工程实践表明，土的渗透系数大小室内试验、现场试验及工程实践表明，土的渗透系数大小与颗粒粒径（尤其与颗粒粒径（尤其有效粒径有效粒径）、土的孔隙比（或孔隙率）和水）、土的孔隙比（或孔隙率）和水粘滞系数粘滞系数等有关。有关专家给出了如下经验公式和方法：等有关。有关专家给出了如下经验公式和方法：2.2.3.3 3.3 经验估算法经验估算法太沙基：太沙基：哈森：哈森：泰勒：泰勒：无资料时，参照规范给定的表格。如表无资料时，参照规范给定的表格。如表2-12-1（p84p84）2.4 2.4 K K值的影响因素值的影响因素 矿物成分矿物成分粒径大小及级配粒径大小及级配密实度（孔隙比）密实度（孔隙比）土的结构与构造土的结构与构造饱和度（含气量）饱和度（含气量）水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数土粒特性土粒特性流体特性流体特性主要因素：主要因素：2.4.1 土粒特性土粒特性 1.1.矿物成分矿物成分粘性土粘性土粗粒土粗粒土渗透系数（高岭石渗透系数（高岭石 伊里石伊里石 蒙脱石）蒙脱石）I Ip p综合反映颗粒大小和矿物成分。综合反映颗粒大小和矿物成分。只与只与颗粒颗粒大小、形状、级配有关。大小、形状、级配有关。4.4.结构与构造：结构与构造：一般对粘性土影响更大；一般对粘性土影响更大；层理的方向性（垂直与水平）；层理的方向性（垂直与水平）；天然粘性土沉积层，一般天然粘性土沉积层，一般 k kx x k ky y。3.3.孔隙比孔隙比是单位土体中孔隙体积的直接度量；是单位土体中孔隙体积的直接度量；对砂性土，对砂性土，k k值一般随孔隙比值一般随孔隙比e e增大而增大。增大而增大。2.2.粒径大小与级配：粒径大小与级配：级配越好，孔隙越少，级配越好，孔隙越少，k k值越小；值越小；土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。饱和度饱和度 s sr r(%)(%)渗透系数渗透系数k(10k(10-3-3cm/s)cm/s)8 87 76 65 54 43 32 280 90 10080 90 100 1.1.饱和度的影响：封闭气饱和度的影响：封闭气泡对泡对 k k 值影响很大，可减少值影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道。隙的通道。2.2.流体粘滞性的影响：温流体粘滞性的影响：温度高度高 粘滞性低粘滞性低 渗透系渗透系数大。数大。2.4.2 流体特性的影响流体特性的影响 天然土层具有天然土层具有层理性层理性，对于渗流方向与土层层面，对于渗流方向与土层层面平行平行或或者者垂直垂直的简单渗流，当各土层的渗透系数和厚度已知时，可的简单渗流，当各土层的渗透系数和厚度已知时，可求出整个土层渗流方向上的平均渗透系数求出整个土层渗流方向上的平均渗透系数-等效渗透系数等效渗透系数，作为进行渗流计算的依据。作为进行渗流计算的依据。2.5 2.5 成层土的渗透系数成层土的渗透系数 如右图所示，通过整个土层的总渗流量如右图所示，通过整个土层的总渗流量q qx x应为各土层渗流应为各土层渗流量之总和，即量之总和，即:1.1.与层面平行的渗流情况与层面平行的渗流情况根据达西定律，总渗流量又可表示为：根据达西定律，总渗流量又可表示为：对于：对于：所以：所以：因此：因此：或表示为：或表示为：H代表单位宽度面积代表单位宽度面积2.2.与层面垂直的渗流情况与层面垂直的渗流情况 如右图，垂直通过整个如右图，垂直通过整个土层的总渗流量土层的总渗流量q qy y应应等于等于通通过各土层的渗流量过各土层的渗流量q qiyiy，即，即:渗透水流经过渗透水流经过任意土层任意土层，水头损失为，水头损失为 ，假设对于假设对于整个土层整个土层水头损失为水头损失为：则整个土层的则整个土层的平均水力梯度平均水力梯度为：为：则：则：H代表渗流路径长度代表渗流路径长度因此，由达西定律总渗流量又可表示为：因此，由达西定律总渗流量又可表示为：所以：所以：又因：又因：所以：所以：由由k kx x、k ky y两个表达式可以看出，当两个表达式可以看出，当H Hi i大体相当，而大体相当，而k ki i相差悬相差悬殊时，可得下述结论：殊时，可得下述结论：kkx x取决于取决于最透水层最透水层的厚度的厚度H H 和渗透系数和渗透系数k k，且：，且：kky y取决于取决于最不透水层最不透水层的厚度的厚度H H和渗透系数和渗透系数k k，且：，且：2.6 2.6 二维渗流和流网的应用二维渗流和流网的应用h工程中的渗流现象：工程中的渗流现象：水坝、基坑、闸基等。水坝、基坑、闸基等。渗流特征：渗流特征：轴线很长、各轴线很长、各横断面上的渗流相同、认为横断面上的渗流相同、认为渗流发生在横断面内，即二渗流发生在横断面内，即二维渗流。维渗流。XOZY稳定渗流：稳定渗流：流场不随时间发生变化的渗流。流场不随时间发生变化的渗流。渗流分析的方法：渗流分析的方法：数学解析法或近似解析法：数学解析法或近似解析法：求取渗流运动方程在特定边界求取渗流运动方程在特定边界条件下的理论解，或者在一些假定条件下，求其近似解。条件下的理论解，或者在一些假定条件下，求其近似解。数值解法：数值解法：有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到迅速地发展。迅速地发展。流网法：流网法：简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题。的渗流问题。电比拟试验法：电比拟试验法：利用电场来模拟渗流场，简便、直观，可利用电场来模拟渗流场，简便、直观，可以用于二维问题和三维问题。以用于二维问题和三维问题。一、二维渗流的基本微分方程一、二维渗流的基本微分方程dz 取某横断面，建立如图所示取某横断面，建立如图所示的坐标系（取的坐标系（取dy=1dy=1）：）：取微元体取微元体dxdzdydxdzdy，沿，沿x x、z z方向的流速如图，则：方向的流速如图，则：dxzxvxvz 单位时间内单位时间内流入流入单元的水量单元的水量:单位时间内单位时间内流出流出单元的水量单元的水量:所以：所以：推求渗流的推求渗流的运动方程：运动方程：由达西定律：由达西定律：显然，对于流体显然，对于流体:dzdxzxvxvzdzdxzxvxvz若土体各向同性均质，则若土体各向同性均质，则 该式即为著名的该式即为著名的拉普拉斯方程拉普拉斯方程，描述渗流场内水头的分布，描述渗流场内水头的分布，是平面稳定渗流的是平面稳定渗流的基本方程基本方程，若给定，若给定边界条件边界条件即可求解。即可求解。所以，渗流的运动方程：所以，渗流的运动方程：二、流网及其性质二、流网及其性质 1.1.概念：平面稳定渗概念：平面稳定渗概念：平面稳定渗概念：平面稳定渗流的基本微分方程的解，流的基本微分方程的解，流的基本微分方程的解，流的基本微分方程的解，用该平面内两簇相互正用该平面内两簇相互正用该平面内两簇相互正用该平面内两簇相互正交的曲线表示的网格叫交的曲线表示的网格叫交的曲线表示的网格叫交的曲线表示的网格叫流网流网流网流网。一簇曲线称为一簇曲线称为一簇曲线称为一簇曲线称为等势线等势线等势线等势线，在任一条等势线上各点的总水头，在任一条等势线上各点的总水头，在任一条等势线上各点的总水头，在任一条等势线上各点的总水头是相等的；另一组曲线称为是相等的；另一组曲线称为是相等的；另一组曲线称为是相等的；另一组曲线称为流线流线流线流线，它们代表渗流的方向。，它们代表渗流的方向。，它们代表渗流的方向。，它们代表渗流的方向。2.2.流网的性质（特征）流网的性质（特征）对于对于各向同性各向同性的渗透介质，流网具有下列特征：的渗透介质，流网具有下列特征：流线与等势线彼此正交，即形成正交的网格；流线与等势线彼此正交，即形成正交的网格；每个网格的长宽比为常数（每个网格的长宽比为常数（l/b=1l/b=1）；）；任意两条相邻的等势线间的水头损失相等；任意两条相邻的等势线间的水头损失相等；各流槽（任一两条相邻的流线）的渗流量相等。各流槽（任一两条相邻的流线）的渗流量相等。三、流网的绘制三、流网的绘制手绘步骤如图所示：手绘步骤如图所示：按比例画出建筑物按比例画出建筑物及土层剖面。及土层剖面。确定边界流线及确定边界流线及等势线：等势线：逐步修改流网：网格对角线正交。逐步修改流网：网格对角线正交。根据流网性质，促根据流网性质，促步绘制流网形态。步绘制流网形态。注意：注意：正交、曲边正方形、与边界条件的过渡性、一般流线正交、曲边正方形、与边界条件的过渡性、一般流线绘绘3 34 4条即可。条即可。四、流网的应用四、流网的应用1.1.渗流速度的计算（一般指渗流速度的计算（一般指某一网格内某一网格内的流速，如图：）的流速，如图：）若上下游水头差为若上下游水头差为h h，共有，共有n n条等势线，网格面积为条等势线，网格面积为 ，则，则任意两条等势线间水头差任意两条等势线间水头差所以：所以：2.2.渗流量的计算（一般指渗流量的计算（一般指任意两条流线任意两条流线间流量间流量q q）若自上而下共有若自上而下共有 m m 条流线，任意网格中的流速为条流线，任意网格中的流速为 v v，如图：，如图：则：则：流经该断面的总流量：流经该断面的总流量：3.3.孔隙压力的计算（一般认为孔隙压力的计算（一般认为 ，H H为测管水头）为测管水头）若求位于第若求位于第 i i 条等势线上条等势线上 G G点点的孔隙压力，假设的孔隙压力，假设 EF EF 为为基准线，基准线，为为G G点的位置水头，点的位置水头，为为 G G点的测压管水柱高度，点的测压管水柱高度，为为 G G 点的总水头，点的总水头，为为 G G 点的水头损失，则：点的水头损失，则：Z1h1EFGZGGEFh1ZGZ1例例3-23-2一一 、渗透力、渗透力2.7 2.7 土的渗透稳定土的渗透稳定h200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b 静水中（静水中（h=0h=0），土），土骨架会受到浮力作用。骨架会受到浮力作用。水在流动时（水在流动时（h0h0），），水流受到来自土骨架的阻水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对力，同时流动的孔隙水对土骨架产生一个摩擦、拖土骨架产生一个摩擦、拖曳力。曳力。h1h土粒土粒渗渗 流流渗透力渗透力j j：h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b 渗渗透透力力j j：单单位位土土体体内内土土骨骨架架所所受受到到的的渗渗透透水水流流的的拖曳力。拖曳力。渗透力渗透力-受力分析受力分析h200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器abn 土水整体受力分析土水整体受力分析-静水静水截面积截面积A=1Wh1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bn 土水整体受力分析土水整体受力分析-渗流渗流截面积截面积A=1W=+WW Ww土水土水 =土骨架土骨架 +孔隙水孔隙水JRJ P1P2P1P2Rn土水土水隔离隔离受力分析受力分析 土骨架受力分析：土骨架受力分析：有效重量：有效重量：总渗透力：总渗透力：滤网的反力：滤网的反力：R 孔隙水受力分析：孔隙水受力分析：水压力：水压力：土对水的阻力等于渗透力：土对水的阻力等于渗透力：水重水重+浮力反力：浮力反力：若考虑孔隙水若考虑孔隙水“受力平衡受力平衡”：因此：因此：孔隙水受力分析：孔隙水受力分析：水压力：水压力：土对水的阻力等于渗透力：土对水的阻力等于渗透力：水重水重+浮力反力：浮力反力：WwJ P1P2则：则：所以：所以：若考虑土骨架受力平衡？若考虑土骨架受力平衡？渗透力的性质：渗透力的性质：作用对象：作用对象：土骨架。土骨架。物理意义：物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力。力，它是一种体积力。大小：大小：方向：方向：与水力梯度方向一致。与水力梯度方向一致。二二 、渗透变形、渗透变形单一土层渗透变形的单一土层渗透变形的两种基本型式两种基本型式 1.概念：土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或概念：土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称为渗透变形或渗透破坏。破坏称为渗透变形或渗透破坏。2.成因：成因：内因：颗粒结构；内因：颗粒结构；外因：水力条件。外因：水力条件。3.基本类型：基本类型：管涌管涌流土流土接触流失接触流失接触冲刷接触冲刷 流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或或颗粒群颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。同时发生悬浮、移动的现象。坝体粘性土k1砂性土k2渗流 任何类型的土，只要水力坡降达到一定的值，都可发生任何类型的土，只要水力坡降达到一定的值，都可发生流土破坏。流土破坏。k1k2i ic:土体发生流土破坏土体发生流土破坏i=icr:土体处于临界状态土体处于临界状态设计要求：设计要求：无压重时：无压重时：形成条件形成条件临界水力坡降：即临界水力坡降：即 时的水力坡降，用时的水力坡降，用 表示：表示：即：即：-可用于判断渗流时的状态。可用于判断渗流时的状态。K-K-安全系数安全系数2.02.02.52.5 管涌：在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗管涌：在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。与地表贯通的管道。坝体坝体渗流渗流成因：成因：内因：内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒的孔隙有足够多的粗颗粒形成大于细粒的孔隙外因：外因：有有足够大渗透力足够大渗透力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，只要渗透力足够大，可发生在任何土中可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土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生在特定级配的一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土无粘性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渗透变形的防治措施渗透变形的防治措施 改善几何条件：设反滤层等；改善几何条件：设反滤层等；改善水力条件：减小渗透坡降，如打板桩。改善水力条件：减小渗透坡降，如打板桩。n 防治流土防治流土n 防治管涌防治管涌透水层透水层不透水层不透水层防渗体防渗体坝体坝体浸润线浸润线 减小或消除减小或消除 ；增长；增长渗流路径；出口处用透水渗流路径；出口处用透水性材料或加盖覆重。性材料或加盖覆重。接触冲刷：当渗流沿着两种渗透系数不同的土层接触接触冲刷：当渗流沿着两种渗透系数不同的土层接触面，或建筑物与地基的接触面流动时，沿接触面带走细颗粒面，或建筑物与地基的接触面流动时，沿接触面带走细颗粒的现象的现象 接触流失：在层次分明，渗透系数相差悬殊的两土接触流失：在层次分明，渗透系数相差悬殊的两土层中层中,当渗流垂直于层面将渗透系数小的一层中的细颗粒带当渗流垂直于层面将渗透系数小的一层中的细颗粒带到渗透系数大的一层中的现象到渗透系数大的一层中的现象.例例3-33-3