第四章-土的渗透性和渗流问题--《土质学与土力学》教学课件.ppt

土质学与土力学第四章第四章 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 概述 土的渗透性土的渗透性 二维渗流与流网二维渗流与流网 渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形 孔隙水在水头差作用下渗透：水透过土体孔隙的现象 渗透性：土允许水透过的性能称为土的渗透性 造成水量损失，影响工程效益 引起土体内部应力状态的变化，从而改变水土建筑物或地基的稳定条件，甚者还会酿成破坏事故 本章将主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，以及渗透力、渗透变形等问题。概述渗流量渗透变形土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流概述渗流量透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q概述渗流量渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流概述概述Teton坝坝概况：概况：土坝，高土坝，高90m90m，长，长1000m1000m，建于，建于1972-751972-75年，年，19761976年年6 6月失事月失事损失：损失：直接直接80008000万美元，起诉万美元，起诉55005500起，起，2.52.5亿美元，亿美元，死死1414人，受灾人，受灾2.52.5万人，万人，6060万亩土地，万亩土地，3232公里铁公里铁路路原因：原因：渗透破坏水力劈裂渗透破坏水力劈裂概述Teton坝坝1111：0000左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加概述TetonTeton坝坝11:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。概述11:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下TetonTeton坝坝概述洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁TetonTeton坝坝失事现场目前的状况TetonTeton坝坝概述土的渗透性n二、达西定律适用范围与起始水力坡降二、达西定律适用范围与起始水力坡降达西定律达西定律讨论：讨论：砂土的渗透速度与水砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系力梯度呈线性关系 密实的粘土，需要克密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透后才能发生渗透;同时同时渗透系数与水力坡降渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定的规律还偏离达西定律而呈非线性关系律而呈非线性关系 ib起始水起始水力坡降力坡降虚直线简化虚直线简化达西定律适用于层达西定律适用于层流，不适用于紊流流，不适用于紊流v=kiivO O砂土砂土0iv密实粘土密实粘土土的渗透性水头：单位重量的水所具有的能量。水力梯度（坡降）总水头线总水头势水头压力水头动水头土的渗透性三、渗透系数及其确定方法渗透试验（室内）渗透试验（室内）时间时间t内流出的水量内流出的水量1.1.常水头试验常水头试验整个试验过程中整个试验过程中水头保持不变水头保持不变 适用于透水性大（适用于透水性大（k10-3cm/s）的土，）的土，例如砂土。例如砂土。土的渗透性 2.变水头试验整个试验过程水头随时间变化 截面面积截面面积a任一时刻任一时刻t的水头差为的水头差为h，经时段，经时段dt后，细玻璃管中水位降落后，细玻璃管中水位降落dh，在时，在时段段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dV=adh 在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dV=kiAdt=kAh/Ldt 管内减少水量流经试样水量 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 土的渗透性四、影响渗透系数的因素1.1.土粒大小与级配土粒大小与级配 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。2.2.土的密实度土的密实度 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分别为分别为T和和20时水时水的动力粘滞系数，可查表的动力粘滞系数，可查表 土的渗透性H1H2H3Hhk1k2k3xz五.层状地基的等效渗透系数竖直渗流:v承压水条件:等效渗透系数:vi=ki(hhi i/Hi)土的渗透性水平渗流情形水平渗流情形垂直渗流情形垂直渗流情形条件条件已知已知等效等效推定推定五五.层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数二维渗流与流网二维渗流与流网一、稳定渗流场中的拉普拉斯方程 与kx,kz无关满足它的是两个共轭调合函数 势函数和流函数 连续性条件达西定律假定 Laplace方程方程特点描述渗流场内部的测管水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程式1.1.基本方程基本方程二维渗流与流网二维渗流与流网二、流网的特征及应用 流 网渗流场中的两族相互正交曲线等势线和流线所形成的网络状曲线簇。流 线水质点运动的轨迹线。等势线测管水头相同的点之连线。流网法通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。Hh0二维渗流与流网二维渗流与流网二、流网的特征及应用 基本要求1.正交性：流线与等势线必须正交Hh0lsls2.各个网格的长宽比c应为常数。取c=1，即为曲边正方形5.在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。3.相邻等势线的水头损失相等 4.各流糟的渗流量相等 渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形 1.试验观察h=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。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个摩擦、拖曳力。渗透力 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。渗透变形渗透力h1hh200hwL土样滤网贮水器a b一、渗透力渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形h200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W=LsatsatL(+w)P1=whwP2=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whw R=L 土水整体分析土水整体分析一、渗透力渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形一、渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1W=LsatsatL(+w)P1=whwP2=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whw R=L whR=L 渗流中的土体渗流中的土体h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1R静水中的土体静水中的土体A=1R=L whR=L 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？水与土之间的作用力渗流的拖曳力水与土之间的作用力渗流的拖曳力总渗透力总渗透力J=wh渗透力渗透力 j=J/V=wh/L=wij=wi渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形一、渗透力渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形一、渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bP2WP1RA=1R=L wh渗流中的土体所受滤网支持力渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，滤网支持力减少向上渗流存在时，滤网支持力减少临界水力坡降临界水力坡降i=h/L=/wicr=/wL wh=0渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形一、渗透力P2WP1Rh1hh200hwL土土样样滤网滤网贮水器贮水器a bA=1P1+Ww+J=P2水体的平衡条件水体的平衡条件j=wiwhw+wL+jL=wh1WJWwJ=R+P2P1P1=whwP2=wh1Ww=Vvw+Vsw=Lw土水隔离分析土水隔离分析一、渗透力渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形渗流力的特征与计算 渗透力具有以下特征：(1)渗透力是一种体积力，量纲为KN/m3(2)渗透力与水力坡降成正比j=i(3)渗透力方向与渗流方向一致。当渗流场中各个网格的水力坡降ii求得后，应用式j i可确定单位渗透力ji=i；网格总的渗透力Ji=jiaili；其方向与流向一致。整个流场的总渗透力矢量J即为各网格渗透力的矢量和。渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形二、渗透变形基本类型 流土管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件 防治措施 渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形二、渗透变形粘性土k1k2砂性土k2坝体坝体1.基本类型 流土在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象渗流渗流原因：二、渗透变形渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形管涌原因：内因内因 有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因外因渗透力足够大 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，最终在土中形成与地表贯通的管道。管涌管涌破坏二、渗透变形渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形流土与管涌的比较 流土土体局部范围的颗粒同时发生移动管涌只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，可发生在任何土中破坏过程短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道移动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土或分散性粘土破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形2.形成条件F Fs s:安全系数1.52.0 i :i :允许坡降i icr:土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体处于临界状态流土经验判断：二、渗透变形渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形二、渗透变形较均匀土（Cu10）2.形成条件管涌几何条件水力条件一般发生在无粘性土中级配孔隙及细粒判定非管涌土粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒不均匀土（Cu10）不连续连续d d0 0=0.25d=0.25d2020细粒含量35%细粒含量25%细粒含量=25-35%d d0 0 d d d5 5d d0 0=d=d3 3-d-d5 5管涌土过渡型土非管涌土非管涌土管涌土过渡型土几何条件P(%)lgd骨架充填料P53d5d3水力条件：水力条件：i icr5 10 15 20 25 30 35 402.01.51.00.50icrCu流土过渡管涌2.形成条件Cu 20时时,icr =0.25-0.30 i=0.10-0.15前苏联：前苏联：中国：中国：水力坡降级配连续土级配不连续土破坏坡降破坏坡降i icrcr0.20-0.400.1-0.3允许坡降允许坡降ii0.15-0.250.1-0.2渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形二、渗透变形渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形三、渗流工程问题与处理措施 1.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 渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形三、渗流工程问题与处理措施 1.渗流工程问题(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渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形三、渗流工程问题与处理措施 2.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 渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形三、渗流工程问题与处理措施 2.防渗处理措施设置水平铺盖 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 渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形三、渗流工程问题与处理措施 2.防渗处理措施排水减压 粘性土含水层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，设置减压井或深挖排水槽 渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形三、渗流工程问题与处理措施 2.防渗处理措施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，从井中抽水降低水位 渗透力和渗透变形渗透力和渗透变形三、渗流工程问题与处理措施 2.防渗处理措施设置板桩 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