02第2章土的渗透性与渗流.ppt

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1、土力学土力学第第2章章 土的渗透性与渗流土的渗透性与渗流 第第2章土的渗透性与渗流章土的渗透性与渗流n2.1 概述概述n2.2 土的渗透性土的渗透性n2.3 二维渗流与流网二维渗流与流网n2.4 渗流力与渗流破坏渗流力与渗流破坏22.1 概述概述 n地下水地下水地表下岩、土中的水地表下岩、土中的水n渗流渗流水在土岩体水在土岩体孔隙孔隙中流动中流动n土的渗透性研究主要包括下述三个方面：土的渗透性研究主要包括下述三个方面：(1)水在多孔介质中的运动（水在多孔介质中的运动（土对水的作用土对水的作用）渗流量、水头分布问题渗流量、水头分布问题(2)水水对对土土及及结结构构的的作作用用渗渗透透破破坏坏问问

2、题题、压压力力分布问题分布问题(3)水水的的运运动动与与土土的的变变形形间间的的相相互互影影响响固固结结、剪切强度剪切强度 后面各章均与渗流相关后面各章均与渗流相关 3水在多孔介质中的运动水在多孔介质中的运动水水利利工工程程堤堤、闸闸、坝坝基基渗渗流流；土土坝坝、堤堤身身渗流渗流建筑基坑建筑基坑基坑内降水、周围水位下降基坑内降水、周围水位下降水水资资源源与与环环境境抽抽水水问问题题、污污水水运运动动、城城市市地下开发引起的地下水变化、水库浸没地下开发引起的地下水变化、水库浸没关心的是水压力、流速、浸润线等关心的是水压力、流速、浸润线等2.1 概述概述4北江大堤北江大堤堤后承压水堤后承压水2.1

3、 概述概述5水对多孔介质及水对多孔介质及结构的作用结构的作用水水利利工工程程坝坝基基扬扬压压力力、渗渗透透破破坏坏、水水位位骤降骤降滑坡、堤基渗漏、管涌流土滑坡、堤基渗漏、管涌流土基坑基坑支护的水压力、底拱支护的水压力、底拱地下结构地下结构浮力浮力土质边坡土质边坡降雨或水管破裂引起边坡破坏降雨或水管破裂引起边坡破坏关心的是水力坡降、土及结构的强度等关心的是水力坡降、土及结构的强度等2.1 概述概述6管涌现象及处理管涌现象及处理2.1 概述概述7潮州西溪电厂基坑潮州西溪电厂基坑局部涌水冒砂局部涌水冒砂（开挖到（开挖到7m深）深）开挖开挖18m深，承压水头深，承压水头21m。用减压井降压。用减压井

4、降压减压井减压井2.1 概述概述8治理前治理前疏导排水治理后疏导排水治理后堤脚因流土引起塌陷堤脚因流土引起塌陷2.1 概述概述9某水闸消力池斜坡段被某水闸消力池斜坡段被扬压力扬压力(渗流压力渗流压力)和和水跃水跃联合作用掀翻联合作用掀翻2.1 概述概述10水的运动与多孔介质的变形间水的运动与多孔介质的变形间的相互影响的相互影响土的固结土的固结加载、排水与土的变形关系加载、排水与土的变形关系土的强度土的强度孔隙水压力与强度的关系孔隙水压力与强度的关系环境环境降水引起地面沉降降水引起地面沉降n关心的是孔隙水压力、加载与排水过程关心的是孔隙水压力、加载与排水过程n这一问题贯穿土力学课程始终这一问题贯

5、穿土力学课程始终2.1 概述概述11建筑物完工后，地面持续沉降（珠海三灶）建筑物完工后，地面持续沉降（珠海三灶）排水固结加速沉降过程排水固结加速沉降过程沉降速度与排水条件相关沉降速度与排水条件相关2.1 概述概述12不同排水条件下三轴试验结果不同不同排水条件下三轴试验结果不同 2.1 概述概述132.2 土的渗透性土的渗透性n2.2.1 土的渗透定律土的渗透定律达西定律达西定律 水头、水头差、水头、水头差、水力梯度（坡度）水力梯度（坡度）渗透系数渗透系数与与达西定律达西定律、适用范围、适用范围n2.2.2 渗透试验渗透试验 室内测定方法：室内测定方法：常水头、变水头常水头、变水头 现场测定方法

6、：抽水试验现场测定方法：抽水试验n2.2.3 影响渗透系数的因素影响渗透系数的因素n2.2.4 层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数 平行、垂直层面的等效渗透系数平行、垂直层面的等效渗透系数142.2.1 土的渗透定律土的渗透定律达西定律达西定律水头的概念水头的概念nz为为位置水头，是相对位置水头，是相对于于基准面基准面的高差。的高差。np为压力，也有用为压力，也有用un基准面可以任意选定基准面可以任意选定基准面基准面基准面基准面基准面基准面2.2 土的渗透性土的渗透性n总水头总水头n测压管水头测压管水头15室内试验常用下游水位作为基准面室内试验常用下游水位作为基准面实际工程通常用高程

7、实际工程通常用高程0点点162.2 土的渗透性土的渗透性n水头差：水头差：n不同的基准面，水头差的数值相同不同的基准面，水头差的数值相同n水力坡降（水力梯度）水力坡降（水力梯度）n水力坡降是矢量水力坡降是矢量(下降为正下降为正)n水不是向水不是向位置低位置低处流，也不是向处流，也不是向压力低压力低处流，处流，是向是向水头低水头低处流！处流！水头差、水力坡降水头差、水力坡降2.2.1 土的渗透定律土的渗透定律达西定律达西定律图中两条水管在实际工程中是不存在的，最好不图中两条水管在实际工程中是不存在的，最好不要要依赖依赖这种表述方法！这种表述方法！我们教材中的图有点问题我们教材中的图有点问题pAh

8、A17如果以如果以A点为基准面，结果怎样？点为基准面，结果怎样？陈仲颐书中的例题陈仲颐书中的例题2.2 土的渗透性土的渗透性 2.2.1 土的渗透定律土的渗透定律达西定律达西定律-5-20-32.5-4000-20-40如果是两种土层，其渗透性差别很大，如果是两种土层，其渗透性差别很大，也可忽略也可忽略透水性强的土层透水性强的土层内水头损失内水头损失粗砂粗砂18达西定律达西定律n达西试验达西试验n对不同尺寸的圆筒和不对不同尺寸的圆筒和不同类型及长度的土样进同类型及长度的土样进行的试验行的试验n试验结果：试验结果：单位时间内渗出水量单位时间内渗出水量Q与与圆筒断面积圆筒断面积A和和水力梯水力梯度

9、度 i=H/L成正比成正比 且与且与土的透水性质土的透水性质有关有关 2.2 土的渗透性土的渗透性 2.2.1 土的渗透定律土的渗透定律达西定律达西定律19达西定律达西定律nv断面平均渗流速度，断面平均渗流速度，cm/s（m/day）ni水力梯度水力梯度nQ单位时间渗水量，单位时间渗水量，cm3/s（m3/day，l/s）nk土的渗透系数。相当于水力梯度土的渗透系数。相当于水力梯度i=1时的渗时的渗流速度，量纲与渗流速度相同，流速度，量纲与渗流速度相同，cm/s（m/day）n1cm/s=864m/day 1cm3/s=0.0864m3/day2.2 土的渗透性土的渗透性 2.2.1 土的渗透

10、定律土的渗透定律达西定律达西定律20渗透速度与实际速度渗透速度与实际速度n1、水质点的运动速度、水质点的运动速度水质点真实运动速度，水质点真实运动速度，难以量测。难以量测。n2、渗透速度、渗透速度单位时间内流过单位时间内流过土的单位断面土的单位断面面积面积的水量：的水量：v=Q/A 或或 v=dQ/dAn3、孔隙中平均流速、孔隙中平均流速单位时间内流过土的单位时间内流过土的单单位断面中孔隙面积位断面中孔隙面积的水量的水量(水质点运动平均速度水质点运动平均速度)vs=Q/(nA)或或 vs=dQ/(ndA)(nne)n4、水压力传递速度水压力传递速度上限为应力波（声波）上限为应力波（声波）传递速

11、度，与渗透系数及土的压缩性有关。传递速度，与渗透系数及土的压缩性有关。2.2 土的渗透性土的渗透性 2.2.1 土的渗透定律土的渗透定律达西定律达西定律21渗透系数渗透系数n常用单位：常用单位：cm/s m/dayn换算：换算：1 cm/s=864m/dayn通常表述方法：通常表述方法：量级表述量级表述土类土类孔隙率孔隙率n有效孔隙率有效孔隙率ne渗透系数渗透系数k(cm/s)砂质砾砂质砾砾质砂砾质砂中砂中砂粉砂粉砂砂壤土砂壤土粘壤土粘壤土粉质粘土粉质粘土0.250.350.280.350.300.380.330.400.350.450.400.550.450.650.200.250.150.

12、200.100.150.080.120.050.100.030.080.020.053x10-15x10-21x10-12x10-24x10-21x10-22x10-21x10-35x10-31x10-45x10-41x10-610-6a10-n cm/s 称为称为-n次方次方称为称为-2次方次方22达西定律的适用范围达西定律的适用范围n在在一般砂土一般砂土中水的流动符合达西定律中水的流动符合达西定律n砾砾类类土土和和巨巨粒粒土土中中，在在较较大大的的水水力力梯梯度度下下，水水在在土土中中的的流流动动即即进进入入紊紊流流状状态态，呈呈非非线线性性关关系系，此此时达西定律不能适用时达西定律不能适

13、用 2.2 土的渗透性土的渗透性 2.2.1 土的渗透定律土的渗透定律达西定律达西定律23达西定律的适用范围达西定律的适用范围n在在密密实实粘粘性性土土中中，当当水水力力梯梯度度达达到到起起始始梯梯度度i1后才开始发生渗流。后才开始发生渗流。n粘性土的达西定律：粘性土的达西定律：n近期研究近期研究 起始梯度不存在起始梯度不存在 对工程应用影响不大对工程应用影响不大 2.2 土的渗透性土的渗透性 2.2.1 土的渗透定律土的渗透定律达西定律达西定律242.2.2 渗透试验渗透试验n测定渗透系数的方法测定渗透系数的方法 室内试验、现场抽水试验室内试验、现场抽水试验2.2 土的渗透性土的渗透性252

14、.2.2.1 室内试验方法室内试验方法 粗粒土粗粒土用用常水头常水头试验试验 细粒土细粒土用用变水头变水头试验试验2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.2 渗透试验渗透试验26粗粒土的粗粒土的常水头试验常水头试验2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.2.1 室内试验方法室内试验方法由达西定律由达西定律希望能由图直接推导而不希望强记希望能由图直接推导而不希望强记靠溢水控制稳定水头靠溢水控制稳定水头用量筒记录渗水量用量筒记录渗水量2.2.2 渗透试验渗透试验27细粒土细粒土变水头变水头试验试验n水通过一根面积为水通过一根面积为a的玻璃管的玻璃管流经土样。测定水流面从流经土样。测定水流面从h0降降至至h

15、1所需的时间所需的时间t1。2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.2.1 室内试验方法室内试验方法2.2.2 渗透试验渗透试验基准面基准面液面液面下降下降A液液面面下下降降基准面必须是基准面必须是出水口高程！出水口高程！28变水头试验变水头试验公式推导公式推导2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.2.1 室内试验方法室内试验方法2.2.2 渗透试验渗透试验hA玻璃管玻璃管面积面积a t1期间，水面由期间，水面由h0变为变为h1任一时间任一时间t，水面高度为水面高度为h按达西定律：按达西定律：换底公式换底公式或或整理整理最后得最后得29室内试验方法比较室内试验方法比较 粗粒土粗粒土用用常水头常水头试

16、验试验 细粒土细粒土用用变水头变水头试验试验2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.2.1 室内试验方法室内试验方法2.2.2 渗透试验渗透试验实测流量实测流量q计算瞬计算瞬时流量时流量q302.2.2.2 现场试验方法现场试验方法n室室内内试试验验测测出出的的 k 值值常常常常不不能能很很好好地地反反映映现现场土的实际渗透性质。场土的实际渗透性质。n1、土土的的渗渗透透性性与与土土的的结结构构有有很很大大的的关关系系，地地层层中中水水平平方方向向和和垂垂直直方方向向的的渗渗透透性性往往往往不不一样；一样；n2、取取样样时时的的扰扰动动造造成成不不易易取取得得具具有有代代表表性性的原状土样，特别是

17、砂土。的原状土样，特别是砂土。2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.2.2 现场试验方法现场试验方法2.2.2 渗透试验渗透试验31抽水试验抽水试验2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.2 渗透试验渗透试验2.2.2.2 现场试验方法现场试验方法32抽水试验抽水试验nr1和和r2为为观观测测孔孔与与抽抽水水井井之之间间的的距距离离，h1和和h2为为观观测测孔的水位高度。孔的水位高度。n水力坡降：水力坡降：n距距井井中中心心为为r处处水水流流经经过过的的面积为面积为n代入达西定律：代入达西定律：出水出水q为正，基准面在底面为正，基准面在底面2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.2 渗透试验渗透试验2.

18、2.2.2 现场试验方法现场试验方法33抽水试验抽水试验潜水井公式潜水井公式2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.2 渗透试验渗透试验2.2.2.2 现场试验方法现场试验方法或或34补充：补充：承压井承压井、潜水井潜水井比较比较承压井承压井潜水井潜水井2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.2 渗透试验渗透试验2.2.2.2 现场试验方法现场试验方法35潜水井潜水井承压井、潜水井比较承压井、潜水井比较承压井承压井2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.2 渗透试验渗透试验2.2.2.2 现场试验方法现场试验方法36其他确定渗透系数的方法其他确定渗透系数的方法n固结过程确定（第固结过程确定（第3章介绍）章

19、介绍）n渗透系数渗透系数k的经验确定方法的经验确定方法2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.2 渗透试验渗透试验372.2.3 影响渗透系数的因素影响渗透系数的因素n(1)土的粒径大小与级配土的粒径大小与级配n(2)土的孔隙比土的孔隙比n(3)土的结构与矿物成分土的结构与矿物成分n(4)土中封闭气体含量（饱和度）土中封闭气体含量（饱和度）n(5)水的动力粘滞系数（温度影响）水的动力粘滞系数（温度影响）2.2 土的渗透性土的渗透性土类土类孔隙率孔隙率n有效孔隙率有效孔隙率ne渗透系数渗透系数k(cm/s)砂质砾砂质砾砾质砂砾质砂中砂中砂粉砂粉砂砂壤土砂壤土粘壤土粘壤土粉质粘土粉质粘土0.250.3

20、50.280.350.300.380.330.400.350.450.400.550.450.650.200.250.150.200.100.150.080.120.050.100.030.080.020.053x10-15x10-21x10-12x10-24x10-21x10-22x10-21x10-35x10-31x10-45x10-41x10-610-6（主要对粗粒土）（主要对粗粒土）（仅就同种粗粒土间比较）（仅就同种粗粒土间比较）（主要对含较多粘粒的土）（主要对含较多粘粒的土）标准：标准：20 C C382.2.4 层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数1.土层各向异性土层各向异

21、性 天天然然沉沉积积土土层层、路路堤堤、土土坝坝分层碾压土等。分层碾压土等。渗渗透透系系数数在在水水平平方方向向大大，竖竖直方向小直方向小2.2.土土层层由由渗渗透透性性不不同同且且厚厚薄薄不不一的多层土组成。一的多层土组成。n把把几几个个土土层层等等效效为为厚厚度度等等于于各各土土层层之之和和、渗渗透透系系数数为为等等效渗透系数效渗透系数的的单一土层单一土层。2.2 土的渗透性土的渗透性392.2 土的渗透性土的渗透性2.2.4 层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数多层土多层土40水平渗流（层面平行方向）情况水平渗流（层面平行方向）情况n各各土土层层的的渗渗透透系系数数及及厚厚度度为

22、为：k1，k2，kn和和h1，h2，hnn总土层厚度为总土层厚度为h。n沿沿与与层层面面平平行行方方向向水水力力梯度为梯度为 i=h/An总总渗渗透透量量qx 等等于于各各分分层层渗流量之和渗流量之和2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.4 层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数41定义等效渗透系数为定义等效渗透系数为kx，使得：，使得：等效渗透系数为各层渗透等效渗透系数为各层渗透系数的系数的加权平均值加权平均值2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.4 层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数按达西定律，第按达西定律，第j层有层有代入代入42与层面垂直方向的等效渗透系数与层面垂直方向的等

23、效渗透系数n土层厚土层厚h，总水头差总水头差h，i=h/h hn各层土厚各层土厚hj,水头差为水头差为hj，ij=hj/hjn流经每一层土的单位流量相同流经每一层土的单位流量相同2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.4 层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数43与层面垂直方向的等效渗透系数与层面垂直方向的等效渗透系数或或将将带入带入得得2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.4 层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数44等效渗透系数特性等效渗透系数特性nkx近近似似地地由由最最透透水水的的土土层层的的渗渗透系数和厚度控制透系数和厚度控制nkz近近似似地地由由最最不不透透水水的的土土层层的

24、的渗透系数和厚度控制渗透系数和厚度控制n层层状状土土的的水水平平方方向向渗渗透透系系数数总是大于总是大于竖直方向渗透系数竖直方向渗透系数。2.2 土的渗透性土的渗透性2.2.4 层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数452.3 二维渗流与流网二维渗流与流网n2.3.1 2.3.1 势流方程势流方程 假定土假定土均质均质和和各向同性各向同性，渗透系数为常数渗透系数为常数。n2.3.1.1 2.3.1.1 连续方程连续方程n3.3.1.2 3.3.1.2 势函数与流函数势函数与流函数n2.3.2 2.3.2 流网的绘制和应用流网的绘制和应用 流网原来具有流网原来具有计算计算和和表述表述功能，

25、目前主要功能，目前主要用到后者。用到后者。462.3.12.3.1 势流方程势流方程 n达西定律的广义形式：达西定律的广义形式：l土体单元边长分别土体单元边长分别dx、dy和和dz，l渗流流速分量分别是渗流流速分量分别是 vx和和vyl流速变化率分别为流速变化率分别为 和和 2.3 二维渗流与流网二维渗流与流网472.3.1.1 连续方程连续方程n单位时间内进入和流出土单位时间内进入和流出土单元的水量差等于土体单单元的水量差等于土体单元的体积变化量元的体积变化量n进入单元的水量进入单元的水量n流出单元的水量流出单元的水量n土体单元的体积变化量土体单元的体积变化量2.3 二维渗流与流网二维渗流与

26、流网2.3.1 势流方程势流方程48连续方程连续方程 n上式称为上式称为二维渗流连续方程二维渗流连续方程。n如如果果土土体体单单元元的的体体积积不不变变并并假假定定水水不不可可压压缩缩，则则流流入入和和流流出出土单元的水量应相等：土单元的水量应相等：l上式称为二维上式称为二维稳定渗流稳定渗流连续方程。连续方程。2.3 二维渗流与流网二维渗流与流网2.3.1 势流方程势流方程2.3.1.1 连续方程连续方程49连续方程连续方程:n将将达达西西定定律律代代入入稳稳定定渗渗流流连连续方程得：续方程得：l将将达达西西定定律律代代入入非非稳稳定定渗渗流流连连续续方方程程，并并引引入入贮贮水水率率s（当当

27、水水头头降降低低一一个个单单位位时时，土土释释放放出出的水量）得：的水量）得：l在一维竖向固结条件下在一维竖向固结条件下2.3 二维渗流与流网二维渗流与流网2.3.1 势流方程势流方程2.3.1.1 连续方程连续方程502.3.1.2 2.3.1.2 势函数与流函数势函数与流函数 n如果函数如果函数(x，z)给定为一个常数值给定为一个常数值，它就代表它就代表一一条曲线条曲线，沿着该曲线各点的，沿着该曲线各点的总水头为常数总水头为常数。n如果流函数如果流函数(x，z)给定为一个常数值给定为一个常数值1，在由在由(x，z)=1 代表的代表的曲线上任何一点的切线代表了该曲线上任何一点的切线代表了该点

28、合速度的方向点合速度的方向，该曲线也就代表了，该曲线也就代表了渗流路径渗流路径。2.3 二维渗流与流网二维渗流与流网51n流网必须满足的基本条件：流网必须满足的基本条件：流线和等势线必须正交；流线和等势线必须正交；每个网格的长宽比为定值。每个网格的长宽比为定值。n流网具有的性质：流网具有的性质：任意两相邻等势线间的水头损失相等；任意两相邻等势线间的水头损失相等；任意两相邻流线间的渗流量相等。任意两相邻流线间的渗流量相等。n早期解决渗流问题的手段：早期解决渗流问题的手段：解析解、流网、电模拟解析解、流网、电模拟2.3 二维渗流与流网二维渗流与流网2.3.2 流网的绘制和应用流网的绘制和应用52均

29、质土坝流网等势线等势线 等压线等压线 h=z+p/浸润线浸润线 流线流线+等压线等压线出溢区出溢区 等压线等压线2.3 二维渗流与流网二维渗流与流网53n渗流自由面的进出口处的交切方式渗流自由面的进出口处的交切方式2.3 二维渗流与流网二维渗流与流网54流网的绘制和应用流网的绘制和应用nh为为总总水水头头差差，Nd为为等等势线落差数势线落差数nq为为相相邻邻两两条条等等势势线线之间的水头损失：之间的水头损失：nq为为总总流流量量，Nf为为流流道道数数nq为为流流网网中中任任意意两两相相邻流线间的单宽流量邻流线间的单宽流量55流网的绘制和应用流网的绘制和应用单位时间内渗流水的体积单位时间内渗流水

30、的体积l为任一网格的平均流线为任一网格的平均流线长度长度s为同一网格的平均等势为同一网格的平均等势线长度。线长度。当取当取l=s时时56流网的绘制流网的绘制板桩墙板桩墙n板桩墙入土深度板桩墙入土深度6.0m，不透不透水层埋深水层埋深8.6m。上游水位高上游水位高4.5m，下游水位为下游水位为0.50m。nAB、CD是等势线是等势线n基准面设在下游水位，基准面设在下游水位，CD上上的总水头为零，的总水头为零，AB上的总水上的总水头为头为4.0m。nBEC和和FG都是流线，其他流都是流线，其他流线则存在于线则存在于BEC和和FG之间的之间的区域内。区域内。57流网的绘制流网的绘制板桩墙板桩墙nAB

31、线上近板桩墙附近的线上近板桩墙附近的H点流点流线线HJ，该曲线该曲线与与AB、CD线正线正交交，并平缓地绕过墙底。，并平缓地绕过墙底。n在流线在流线BEC和和HJ之间作多条等之间作多条等势线，使这些等势线与该两条势线，使这些等势线与该两条流线正交，形成一组曲边正方流线正交，形成一组曲边正方形。形。n从从AB线上的第二个点线上的第二个点(K)开始开始作流线作流线KL，并将已有的等势并将已有的等势线延长。这些等势线也必须与线延长。这些等势线也必须与该流线正交。该流线正交。n重复上述步骤，直至到达边界重复上述步骤，直至到达边界FG。58流网的绘制流网的绘制板桩墙板桩墙n作作第第一一次次草草图图时时通

32、通常常最最后后一一条条流线与边界线流线与边界线FGFG不一致。不一致。n调调整整第第一一条条流流线线的的位位置置，从从而而调调整整整整个个流流网网的的布布局局，使使得得误误差减小。差减小。n经经过过三三次次调调整整，最最后后一一次次流流线线与边界线与边界线FGFG基本一致。基本一致。n一般来说，在最后一条流线与一般来说，在最后一条流线与下部边界线之间的网格都不是下部边界线之间的网格都不是方形，但在此流道中的每一个方形，但在此流道中的每一个网格的长宽比都不变。网格的长宽比都不变。n不要画太多流线，一般有不要画太多流线，一般有45条流道即可。条流道即可。59用流网计算用流网计算板桩墙板桩墙n流流道

33、道数数Nf为为4.3，等等势势线线落落差差数数 Nd为为 12，因因 此此 Nf/Nd=0.36。等等势势线线的的编编号号(以以nd表表示示)从从下下游游边边界界(nd=0)计计起起。任任意意两两条条相相邻邻等等势势线线之之间间的的总水头损失为：总水头损失为：l任任一一等等势势线线(nd)上上各各点点的的总总水水头头均均为为ndh。单位时间内流过板桩墙下单位长度的水量为：单位时间内流过板桩墙下单位长度的水量为：60用流网计算用流网计算板桩墙板桩墙l该该点点在在基基准准面面以以下下的的距距离离为为zp，故故该该点点的的位位头头为为-zp。该该点的孔隙水压力为：点的孔隙水压力为：l跨跨越越流流网网

34、网网格格的的水水力力梯梯度度与与网网格格的的尺尺寸寸大大小小有有关关。在在最最小小的的网网格格中中的的水水力力梯梯度度最最大大(从从而而使使渗渗透透速速度度最最大大)，反之亦然。，反之亦然。h=z+p/n在在P点点处处，相相应应的的等等势势线线以以nd=10表示，该点的总水头为：表示，该点的总水头为：61用流网计算用流网计算例例2-1 板桩墙板桩墙n 板板桩桩墙墙下下游游水水位位为为4.0m，上上游游水水位位为为6.50m。试求作用在板桩墙上的水压力分布图。试求作用在板桩墙上的水压力分布图。h=z+p/62用流网计算用流网计算例例2-2混凝土坝扬压力混凝土坝扬压力n某某混混凝凝土土坝坝的的截截

35、面面图图，已已知知地地基基土土的的渗渗透透系系数数为为2.5x10-5m/s，试试求求坝坝基基的的渗渗流流量量并并绘绘制制作作用用在在坝坝底底上上的的扬扬压压力力(水水压力压力)分布图。分布图。63用流网计算用流网计算例例2-3板桩围堰基坑板桩围堰基坑n围围堰堰基基坑坑，水水深深2.5m，河河床床土土为为砂砂土土，埋埋深深8.25m，其其下下为为不不透透水水岩岩层层。基基坑坑开开挖挖深深度度2.0m。板板桩桩 入入 土土 深深 度度 6.0m。抽抽 水水 量量 为为0.25m3/h，求求砂砂土土层层的的渗渗透透系系数数以及基坑底面下的水力坡降。以及基坑底面下的水力坡降。n解解：基基坑坑剖剖面面

36、及及流流网网如如图图共共有有6.0条条流流道道，10级级等等势势差差。总总头头损损失失为为4.5m。64双双层层土土流流网网6566淹没的板桩流网淹没的板桩流网67潜水的板桩流网潜水的板桩流网682.4 渗流力与渗流破坏渗流力与渗流破坏 n土土样样的的截截面面积积为为A，进进、出出水水口口测测压压管管差差为为h，表表示示水水流流过过厚厚度度为为l的的土土样样，必必须须克克服服土土样样内内土土粒粒对对水水流流阻力：阻力：n F=whAn作作用用于于土土样样的的总总渗渗流流力力J应应和和土土体体中土粒对水流的阻力中土粒对水流的阻力F相等：相等：n J=F=whA n渗渗流流作作用用于于单单位位土土

37、体体的的力力(即即渗渗流流力力)为：为：692.4 渗流力与渗流破坏渗流力与渗流破坏 n渗渗流流力力是是体体积积力力，量量纲纲与与w相相同同，大大小小与与水力梯度成正比，方向与渗流方向一致。水力梯度成正比，方向与渗流方向一致。n当当渗渗流流方方向向与与土土的的重重力力方方向向一一致致时时，渗渗流流力力对对土土骨骨架架起起渗渗流流压压密密作作用用，这这对对土土体体稳稳定有利；定有利；n当当渗渗流流方方向向与与土土的的重重力力方方向向相相反反时时，渗渗流流力力对对土土体体起起浮浮托托作作用用，这这对对土土体体的的稳稳定定十十分不利。分不利。n渗流力过大，会使土体浮起和破坏。渗流力过大，会使土体浮起

38、和破坏。70土的渗流破坏土的渗流破坏n在在渗渗流流力力的的作作用用下下，土土体体内内部部的的受受力力情情况况发发生生变化。变化。n土土工工建建筑筑物物及及地地基基由由于于渗渗流流作作用用而而出出现现的的变变形形或破坏称为渗流变形或渗流破坏。或破坏称为渗流变形或渗流破坏。n渗渗流流破破坏坏至至今今仍仍是是水水工工建建筑筑物物发发生生破破坏坏的的重重要要原因之一。原因之一。n按照渗流所引起的破坏特征，渗流破坏可分为按照渗流所引起的破坏特征，渗流破坏可分为流土和管涌两种基本形式。流土和管涌两种基本形式。71流土流土n渗渗透透水水流流作作用用下下，表表层层土土局局部部范范围围内内的的土土体体或或颗颗粒

39、粒群群同同时时发发生悬浮和移动的现象称为流土。生悬浮和移动的现象称为流土。n水水流流向向上上渗渗流流时时，渗渗流流力力的的作作用用使使土土体体重重力力减减小小，当当渗渗流流力力j等等于于土土体体的的单单位位有有效效重重力力时时，土土体体处处于流土的临界状态。于流土的临界状态。n如如果果水水力力梯梯度度继继续续增增大大，土土中中的的渗渗流流力力将将大大于于土土的的有有效效重重度度，此此时时土土体体将将被被冲冲出出而而发发生生流流土土。发发生流土的条件为：生流土的条件为：72流土流土n与与流流土土的的临临界界状状态态相相对对应应的的水水力力梯梯度度icr称称为为临临界水力梯度或临危梯度，可按下式计

40、算：界水力梯度或临危梯度，可按下式计算：一般土类，一般土类，icr在在0.8至至1.2之间，粗估时可近似取之间，粗估时可近似取1粘性土，渗流力的作用往往使渗流逸出处某一范围粘性土，渗流力的作用往往使渗流逸出处某一范围内的土体出现表面隆起变形；内的土体出现表面隆起变形；粉砂、细砂及粉土等粘聚性差的土，当水力梯度大粉砂、细砂及粉土等粘聚性差的土，当水力梯度大于临界值于临界值icr时，常常出现砂土随水流向外涌出的砂时，常常出现砂土随水流向外涌出的砂沸现象，工程上将这种流土现象称为流砂。沸现象，工程上将这种流土现象称为流砂。737475流土流土n流土常发生在堤坝下游渗流逸出处。流土常发生在堤坝下游渗流

41、逸出处。n流砂现象发生于采用坑内抽水的基坑开挖过程中。流砂现象发生于采用坑内抽水的基坑开挖过程中。n在在自自下下而而上上的的渗渗流流逸逸出出处处，无无论论是是粘粘性性土土还还是是无无粘粘性性土土，只只要要满满足足水水力力梯梯度度大大于于临临界界水水力力梯梯度度，均均会会发生流土。发生流土。n设设计计时时要要保保证证有有一一定定的的安安全全系系数数，把把渗渗流流逸逸出出处处的的水力梯度水力梯度 i 限制在容许水力梯度限制在容许水力梯度i以内，即以内，即式中式中K为流土安全系数，取为流土安全系数，取K=1.52.0。76防止发生流土措施防止发生流土措施n(1)人人工工降降低低地地下下水水位位：将将

42、地地下下水水位位降降至至可可能能产产生流土的土层以下，然后再开挖；生流土的土层以下，然后再开挖；n(2)打打板板桩桩：其其目目的的一一方方面面是是加加固固坑坑壁壁，另另一一方方面面是是改改善善地地下下水水的的迳迳流流条条件件，即即增增长长渗渗流流路路径径，减小地下水力梯度和流速；减小地下水力梯度和流速；n(3)水水下下开开挖挖：在在基基坑坑开开挖挖期期间间，使使基基坑坑中中始始终终保保持持足足够够的的水水头头(可可加加水水)，尽尽量量避避免免产产生生流流土土的水头差，增加基坑侧壁土体的稳定性；的水头差，增加基坑侧壁土体的稳定性；n(4)其其他他方方法法：如如冻冻结结法法、化化学学加加固固法法、

43、加加重重法法和爆炸法等。和爆炸法等。77管涌管涌n地地基基土土在在具具有有某某种种渗渗透透速速度度(或或梯梯度度)的的渗渗透透水水流流作作用用下下，其其细细小小颗颗粒粒被被冲冲走走，岩岩土土的的孔孔隙隙逐逐渐渐增增大大，慢慢慢慢形形成成一一种种能能穿穿越越地地基基的的细细管管状状渗渗流流通通路路，从从而而掏掏空空地地基基或或坝坝体体，使使地地基基或或斜斜坡坡变形、失稳，此现象称为管涌或潜蚀。变形、失稳，此现象称为管涌或潜蚀。n管管涌涌通通常常是是由由于于工工程程活活动动而而引引起起的的，但但在在有有地地下下水水出出露露的的斜斜坡坡、岸岸边边或或有有地地下下水水溢溢出出的的地地带带，也也可可能能

44、发发生生。管管涌涌破破坏坏一一般般有有个个时时间间发发展展过过程程，是是一一种种渐渐进进性性的的破破坏坏。管管涌涌发发生生的的部部位位可可以以在在渗流逸出处，也可以在土体内部。渗流逸出处，也可以在土体内部。78管涌产生的条件管涌产生的条件n管管涌涌多多发发生生在在非非粘粘性性土土中中，其其特特征征是是：颗颗粒粒大大小小比比值值差差别别较较大大，缺缺少少某某种种粒粒径径，磨磨圆圆度度较较好好，孔孔隙隙直直径径大大而而互互相相连连通通，细细粒粒含含量量较较少少，不不能能全全部部充充满满孔孔隙隙。颗颗粒粒多多由由比比重重较较小小的的矿矿物物组组成成，易易随随水水流流移移动动，有有较较大大和良好的渗透

45、水流出路等。具体条件包括：和良好的渗透水流出路等。具体条件包括：n土土由由粗粗颗颗粒粒(粒粒径径为为D)和和细细颗颗粒粒(粒粒径径为为d)组组成成，其其粒径比粒径比D/d10；n土的不均匀系数土的不均匀系数d60/d1010；n两种互相接触土层渗透系数之比两种互相接触土层渗透系数之比k1/k223；n渗透水流的水力梯度大于某一临界值。渗透水流的水力梯度大于某一临界值。79管涌的防治管涌的防治n在在可可能能发发生生管管涌涌的的地地层层上上修修建建大大坝坝和和挡挡土土结结构构，或或进进行行基基坑坑排排水水工工程程时时，为为了了防防止止发发生生管管涌涌，设设计计时时必必须须控控制制地地下下水水出出逸

46、逸点点处处的的水水力力梯梯度度，使其小于容许的水力梯度。使其小于容许的水力梯度。n防防止止管管涌涌的的方方法法与与防防止止流流土土类类似似，主主要要是是降降低低水力梯度、打板桩等。水力梯度、打板桩等。80本章小结本章小结n1.达西定律：达西定律：水头表述方法、达西定律及试水头表述方法、达西定律及试验装置、适用条件验装置、适用条件n2.渗透系数：渗透系数：掌握常水头、变水头，层状地掌握常水头、变水头，层状地基等效公式；基等效公式；了解抽水试验了解抽水试验n3.了解渗流基本方程了解渗流基本方程n4.掌握流网的应用掌握流网的应用n5.渗透力和临界水力坡降：渗透力和临界水力坡降：把握渗透力概念把握渗透力概念n6.理解渗透变形概念及破坏类型：理解渗透变形概念及破坏类型：管涌、流管涌、流土土81作业作业n袁聚云袁聚云的习题集中的习题集中n2-13、2-202-26共共8题。题。n国庆后上课前交国庆后上课前交n适当做些选择题（适当做些选择题（不必交，有问题可讨论不必交，有问题可讨论）82