土力学第3章土的渗透性及渗流.pptx

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1、会计学1土力学第土力学第3章土的渗透性及渗流章土的渗透性及渗流3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 3.3 3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制第三章：土的渗透性和渗流第三章：土的渗透性和渗流第1页/共74页3.1 3.1 概述概述土体中的渗流土体中的渗流土颗粒土颗粒土中水土中水渗渗流流n土是一种碎散的多孔介质，土是一种碎散的多孔介质，其孔隙在空间互相连通。其孔隙在空间互相连通。当饱和土中的两点存在能当饱和土中的两点存在能量差时，水就在土的孔隙量差时，水就在土的孔隙中从能量高的点向能量低中从能量高的

2、点向能量低的点流动的点流动F 水在土体孔隙中流动的现象称为水在土体孔隙中流动的现象称为渗流渗流F 土具有被水等液体透过的性质称为土的土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性渗透性第2页/共74页3.1 3.1 概述概述土体中的渗流土体中的渗流对土的渗透问题研究主要包括下述三个方面：对土的渗透问题研究主要包括下述三个方面：渗流量问题渗流量问题 渗透变形（渗透破坏）问题渗透变形（渗透破坏）问题 渗流控制问题渗流控制问题第3页/共74页透水层透水层不透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流土石坝坝基坝身渗流3.1 3.1 概述概述-渗流问题渗流问题防渗体防渗体坝体坝体浸润浸润线线渗流问题：渗流问题：1.渗流

3、量？渗流量？2.渗透破坏？渗透破坏？3.渗透力？渗透力？工程实例工程实例第4页/共74页板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流3.1 3.1 概述概述-渗流问题渗流问题渗流问题：渗流问题：1.渗流量？渗流量？2.渗透破坏渗透破坏？3.渗水压力渗水压力？透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙工程实例工程实例第5页/共74页渗流问题：渗流问题：1.渗流量渗流量Q？2.降水深度？降水深度？透水层透水层不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Q3.1 3.1 概述概述-渗流问题渗流问题第6页/共74页渗流问题：渗流问题：1.渗流量？渗流量？2.地下水影响地下

4、水影响 范围？范围？渠道、河流渗流渠道、河流渗流3.1 3.1 概述概述-渗流问题渗流问题原地下水位原地下水位渗流时地下水位渗流时地下水位第7页/共74页3.1 3.1 概述概述-渗流问题渗流问题降雨入渗引起的滑坡降雨入渗引起的滑坡渗流问题：渗流问题：1.渗透力？渗透力？2.入渗过程入渗过程？事故实例事故实例第8页/共74页渗流量渗流量扬压力扬压力渗水压力渗水压力渗透破坏渗透破坏渗流速度渗流速度渗水面位渗水面位置置挡水建筑物挡水建筑物 集水建筑物集水建筑物 引水结构物引水结构物 基础工程基础工程地下工程地下工程边坡工程边坡工程渗透特性变形特性强度特性土的渗透特性土的渗透特性3.1 3.1 概述

5、概述-土渗流特性土渗流特性第9页/共74页3.1 3.1 概述概述 3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 3.3 3.3 土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制第三章：土的渗透性和渗流问题第三章：土的渗透性和渗流问题第10页/共74页3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律F水头与水力坡水头与水力坡降降F土的渗透试验土的渗透试验与达西定律与达西定律F渗透系数的测渗透系数的测定及影响因素定及影响因素F层状地基的等层状地基的等效渗透系数效渗透系数土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律渗流的驱动能量渗流的驱动能量反映渗流

6、特点的定律反映渗流特点的定律土的渗透性土的渗透性地基的渗透系数地基的渗透系数第11页/共74页n位置水头：到基准面的竖直距离，位置水头：到基准面的竖直距离，代表单位重量的液体从基准面算代表单位重量的液体从基准面算起所具有的位置势能起所具有的位置势能n压力水头：水压力所能引起的自压力水头：水压力所能引起的自由水面的升高，表示单位重量液由水面的升高，表示单位重量液体所具有的压力势能体所具有的压力势能n测管水头：测管水面到基准面的测管水头：测管水面到基准面的垂直距离，等于位置水头和压力垂直距离，等于位置水头和压力水头之和，表示单位重量液体的水头之和，表示单位重量液体的总势能总势能n在静止液体中各点的

7、测管水头相在静止液体中各点的测管水头相等等3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律位置、压力和测管水头位置、压力和测管水头zA00ABu0pazB基准面基准面静水静水第12页/共74页3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律水流动的驱动力水流动的驱动力水往低处流水往低处流水往高处水往高处“跑跑”速度速度v v压力压力u u位置：使水流从位置势能位置：使水流从位置势能高处流向位置势能低处高处流向位置势能低处流速：水具有的动能流速：水具有的动能压力：水所具有的压力势能压力：水所具有的压力势能也可使水流发生流动也可使水流发生流动第13页/共74页n位置势能：位置势能：

8、mgzn压力势能：压力势能：00基准面基准面质量质量 m压力压力 u流速流速 vzn动能：动能：n总能量：总能量：称为总水头，是水流动称为总水头，是水流动的驱动力的驱动力n单位重量水流的能量：单位重量水流的能量：3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律水流动的驱动力水流动的驱动力-水头水头第14页/共74页渗流中的水头与水力坡降渗流中的水头与水力坡降3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律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渗流为水体的流动，应渗流为水体的流动，应满足液体流动的三大基满足液体流动的三大基本方程：连续性方程、本方程：连续性方程、能

9、量方程、动量方程能量方程、动量方程第15页/共74页3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律ABLhAzA基准面基准面n 总水头：总水头：单位重量水体所具有的能量单位重量水体所具有的能量 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（对渗流多处于层流：水体的动能（对渗流多处于层流00）n 渗流的总水头：渗流的总水头：渗流问题的水头渗流问题的水头也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总是从水

10、头高处流向水头低处也称测管水头，是渗流的总驱动能，渗流总是从水头高处流向水头低处第16页/共74页 A A点总水头：点总水头：3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律水力坡降水力坡降ABLhAhBzAzBh h基准面基准面水力坡降线水力坡降线 B B点总水头：点总水头：二点总水头差：反映了二点总水头差：反映了两点间水流由于摩阻力两点间水流由于摩阻力造成的能量损失造成的能量损失 水力坡降水力坡降 i i：单位渗流长度上的水头损失：单位渗流长度上的水头损失第17页/共74页达西渗透试验达西渗透试验3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律LAh1h2QQ透水石1856

11、 1856 年达西年达西(Darcy)(Darcy)在研究城市供水问题时进行的渗流试验在研究城市供水问题时进行的渗流试验或：或：其中，其中，A A是试样的断面积是试样的断面积第18页/共74页达西定律达西定律3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律n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，渗渗透透速速度度v v与与水水力力坡坡降降i i的一次方成正比，并与土的性质有关的一次方成正比，并与土的性质有关n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比比例例系系数数，其其物物理理意意义义为为水水力力坡坡降降i i1 1时时的的渗渗流流速速度度，单单位位

12、：cm/s,cm/s,m/s,m/s,m/daym/dayn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，也也称称假假想想渗流速度渗流速度其中，其中，V Vs s为实际平均流速，孔隙断面的平均流速为实际平均流速，孔隙断面的平均流速第19页/共74页达西定律的适用范围达西定律的适用范围3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律n 适用条件：层流（线性流动）适用条件：层流（线性流动）岩土工程中的绝大多数渗岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般流问题，包括砂土或一般粘土，均属层流范围粘土，均属层流范围在粗粒土孔隙中，水流形在粗粒土孔隙中，水流形

13、态可能会随流速增大呈紊态可能会随流速增大呈紊流状态，渗流不再服从达流状态，渗流不再服从达西定律。可用雷诺数进行西定律。可用雷诺数进行判断判断 ：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2.01.51.00.50水水力力坡坡降降流速流速(m/h)砾石砾石粗砂粗砂中砂中砂细砂细砂极细砂极细砂h10dvRe=R Re e5时层流时层流R Re e 200时紊流时紊流200 R Re e 5 5时为过渡区时为过渡区 第20页/共74页达西定律的适用范围达西定律的适用范围3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡

14、降较大时，达西定律不再适用，此时：在纯砾以上的很粗的粗粒土如堆石体中，在水力坡降较大时，达西定律不再适用，此时：ivoi0n 两种特例两种特例对致密的粘性土，存在起始水力坡降对致密的粘性土，存在起始水力坡降i i0 0？ivovcrii0,v=k(i-i0)第21页/共74页渗透系数的测定方法渗透系数的测定方法 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3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律F 室内试验方法室内试验方法F 野外试验方法野外试验方法第22页/共74页室内试验方法室内试验方法-常水头试验法常水头试验法n

15、试验条件试验条件:h h，A A，L=constL=constn 量测变量量测变量:体积体积V V，t tn 适用土类：透水性较大的砂性土适用土类：透水性较大的砂性土3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律i=h/LV=Qt=vAtv=kihL土样土样AVQ第23页/共74页室内试验方法室内试验方法-变水头试验法变水头试验法n 试验条件试验条件:h h变化变化 A，a，L=constn 量测变量量测变量:h，tn 适用土类：透水性较小适用土类：透水性较小的粘性土的粘性土3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律土样土样At=t1h1t=t2h2LQ水水头头测测管管

16、开开关关a第24页/共74页土样土样At=t1t=t2h1h2LQ水头水头测管测管开关开关在在tt+dt时段内：时段内：入流量入流量：dVe=-adh 出流量：出流量：dVo=kiAdt=k(h/L)Adt 连续性条件：连续性条件：dVe=dVo-adh=k(h/L)Adthdhtt+dt3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律室内试验方法室内试验方法-变水头试验法变水头试验法选择几组量测结果选择几组量测结果，计算相应的，计算相应的k，取平均值，取平均值第25页/共74页室内试验方法室内试验方法小结小结3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律常水头试验常水头试验

17、变水头试验变水头试验条件条件已知已知测定测定公式公式取值取值h=consth变化变化h，A，LV，t重复试验后，取均值重复试验后，取均值a，A，Lh，t不同时段试验，取均值不同时段试验，取均值适用适用粗粒土粗粒土粘性土粘性土第26页/共74页3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律现场测定法抽水试验现场测定法抽水试验抽水量抽水量Q Qr1r2h1h2井井不透水层不透水层n 试验条件试验条件:Q=constn 量测变量量测变量:r=r1，h1=？r=r2，h2 2=？优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数 缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较

18、高，耗时较长观察井观察井第27页/共74页3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律A=2 rhi=dh/drn 计算公式：计算公式：r抽水量抽水量Q Qr1r2h1h2井井不透水层不透水层dhdrh地下水位地下水位测压管水面测压管水面现场测定法抽水试验现场测定法抽水试验第28页/共74页n影响影响孔隙系统的构成和方向性孔隙系统的构成和方向性，对粘性土影响更大对粘性土影响更大n在宏观构造上，天然沉积层状在宏观构造上，天然沉积层状粘性土层，扁平状粘土颗粒常粘性土层，扁平状粘土颗粒常呈水平排列，常使得呈水平排列，常使得k水平水平kk垂直垂直n在微观结构上，当孔隙比相同在微观结构上，当

19、孔隙比相同时，凝聚结构将比分散结构具时，凝聚结构将比分散结构具有更大的透水性有更大的透水性n水的动力粘滞系数：水的动力粘滞系数：温度温度，水粘滞性，水粘滞性，k n饱和度（含气量）：封闭气泡饱和度（含气量）：封闭气泡对对k影响很大，可减少有效渗透影响很大，可减少有效渗透面积，还可以堵塞孔隙的通道面积，还可以堵塞孔隙的通道n是土中是土中孔隙直径大小孔隙直径大小的主要的主要影响因素影响因素n因由粗颗粒形成的大孔隙可因由粗颗粒形成的大孔隙可被细颗粒充填，故土体孔隙被细颗粒充填，故土体孔隙的大小一般由细颗粒所控制。的大小一般由细颗粒所控制。因此，土的渗透系数常用因此，土的渗透系数常用有有效粒径效粒径d

20、10来表示，如哈臣公来表示，如哈臣公式：式：n是单位土体中是单位土体中孔隙体积孔隙体积的直的直接度量接度量n对于砂性土，常建立孔隙比对于砂性土，常建立孔隙比e与渗透系数与渗透系数k之间的关系，如：之间的关系，如：饱和曲线饱和曲线含水量含水量 wWop干容重干容重 d max 1含水量含水量 w渗透系数渗透系数 k絮状结构絮状结构 分散结构分散结构n对粘性土，影响对粘性土，影响颗粒的表面力颗粒的表面力n不同粘土矿物之间渗透系数相不同粘土矿物之间渗透系数相差极大，其渗透性大小的次序差极大，其渗透性大小的次序为高岭石为高岭石 伊里石伊里石 蒙脱石蒙脱石 ；当；当粘土中含有可交换的钠离子越粘土中含有可

21、交换的钠离子越多时，其渗透性将越低多时，其渗透性将越低n塑性指数塑性指数IpIp综合反映土的颗粒综合反映土的颗粒大小和矿物成份，常是渗透系大小和矿物成份，常是渗透系数的参数数的参数3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 土的性质土的性质水的性质水的性质土的构造土的构造粒径大粒径大小及级小及级配配孔隙比孔隙比矿物成矿物成分分结构结构渗透系数的影响因素 n土的构造因素对土的构造因素对k值影响很大，如值影响很大，如粘土层最后那个夹薄层砂土，则粘土层最后那个夹薄层砂土，则水平向水平向K值比垂直向值比垂直向K值大很多。值大很多。第29页/共74页3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的

22、渗透性与渗透规律渗透系数经验确定方法渗透系数经验确定方法n洁净的不含细粒土的洁净的不含细粒土的松砂松砂n对于对于粘土粘土的渗透系数的渗透系数第30页/共74页3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律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等效渗透系数 确立各层土的确立各层土的k ki i 根据渗流方向确定等效渗流系数根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状天然土层多呈层状多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变多个土层用假想单一土层置换，使得其总体的透水性不变第31页/共74页hH1H2H3Hk1k2k3xzq1xq3xq2x1122不透水层不透水

23、层3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律等效渗透系数等效渗透系数:kxn 已知条件已知条件:qx=vxH=kx i Hqix=ki ii Hin 达西定律达西定律:n 等效条件等效条件:层状地基的水平等效渗透系数层状地基的水平等效渗透系数第32页/共74页层状地基的垂直等效渗透系数层状地基的垂直等效渗透系数3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律H1H2H3Hhk1k2k3xzv承压水承压水kzvi=ki(hi/Hi)n 已知条件已知条件:n 达西定律达西定律:n 等效条件等效条件:v=kz(h/H)等效渗透系数等效渗透系数:第33页/共74页n 算例说明算例

24、说明 按层厚加权平均，由较大值控制按层厚加权平均，由较大值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制层厚倒数加权平均，由较小值控制层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律H1H2H3Hk1k2k3xz第34页/共74页层状地基的等效渗透系数层状地基的等效渗透系数3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律水平渗流情形水平渗流情形垂直渗流情垂直渗流情形形条件条件已知已知等效等效公式公式第35页/共74页3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律小小 结结n水头与水力坡水头与水力坡降降n渗透试验与达渗透试验与达西定律西定

25、律n渗透系数的测渗透系数的测定及影响因素定及影响因素n层状地基的等层状地基的等效渗透系数效渗透系数 总水头总水头=位置水头位置水头+压力水头压力水头 水头是渗流的驱动力水头是渗流的驱动力达西定律达西定律渗透系数、渗透速度渗透系数、渗透速度达西定律的适用条件达西定律的适用条件 常水头试验常水头试验 变水头试验变水头试验 抽水试验抽水试验 渗透系数影响因素渗透系数影响因素 水平等效渗透系数水平等效渗透系数 垂直等效渗透系数垂直等效渗透系数第36页/共74页3.1 3.1 概述概述 3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 3.3 3.3 二维渗流与流网二维渗流与流网3.4 3.4

26、渗透破坏与控制渗透破坏与控制第三章：土的渗透性和渗流问题第三章：土的渗透性和渗流问题平面渗流的基平面渗流的基本方程及求解本方程及求解 流网的绘制及流网的绘制及应用应用第37页/共74页n平面问题：渗流剖面和产生平面问题：渗流剖面和产生渗流的条件沿某一个方向不渗流的条件沿某一个方向不发生变化，则在垂直该方向发生变化，则在垂直该方向的各个平面内，渗流状况完的各个平面内，渗流状况完全一致。全一致。对平面问题，常取对平面问题，常取dy=1mdy=1m单单位宽度的一片来进行分析位宽度的一片来进行分析3.3 3.3 平面渗流与流网平面渗流与流网h=h(x,z),v=v(x,z)与时间无关与时间无关n 稳定

27、渗流：流场不随时间发生变化的渗流稳定渗流：流场不随时间发生变化的渗流h平面稳定渗流平面稳定渗流第38页/共74页3.3 3.3 平面渗流与流网平面渗流与流网渗流的连续性方程渗流的连续性方程 单位时间流入单元的水量单位时间流入单元的水量:渗流的连续性方程：渗流的连续性方程：单位时间内流出单元的水量单位时间内流出单元的水量:连续性条件连续性条件:dxdzvxvzxz第39页/共74页渗流的运动方程渗流的运动方程 达西定律：达西定律：渗流的连续性方程：渗流的连续性方程：渗流的运动方程：渗流的运动方程：3.3 3.3 平面渗流与流网平面渗流与流网F特例：各向同性均质土体特例：各向同性均质土体 k kx

28、 x=k=kz zLaplaceLaplace方程，方程，描述渗流场内水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程描述渗流场内水头的分布，是平面稳定渗流的基本方程第40页/共74页3.3 3.3 平面渗流与流网平面渗流与流网渗流的边界条件渗流的边界条件H1h1H2h2z举例举例：两层土样保持常水头，渗流两层土样保持常水头，渗流沿竖向沿竖向z方向。方向。则Laplace方程：求土层求土层1的系数的系数：边界条件：Z=0,h=h1Z=H1,h=h2代入Laplace方程解得：求土层求土层2的系数的系数：边界条件：Z=H1,h=h2Z=H1+H2,h=0第41页/共74页3.3 3.3 平面渗流与流网平面渗

29、流与流网渗流的边界条件渗流的边界条件H1h1H2h2z根据连续性原理根据连续性原理：通过土层1和土层2的水量相等或：代入下式：解得：根据公式可以根据公式可以得到任意位置得到任意位置的水头的水头h第42页/共74页3.3 3.3 平面渗流与流网平面渗流与流网H1H212354渗流的边界条件渗流的边界条件课堂讨论：土石坝渗流问题的边界条件课堂讨论：土石坝渗流问题的边界条件渗流域渗流域不透水层不透水层第43页/共74页3.3 3.3 平面渗流与流网平面渗流与流网H1H212314水头边界条件水头边界条件 在边界在边界 1 1上给定水头上给定水头12 流速边界条件流速边界条件 在边界在边界 2 2上给

30、定法向流速上给定法向流速43 渗出面渗出面 在边界在边界 3 3上上H=zH=z，v vn n00自由水面自由水面*在边界在边界 4 4上上H=zH=z，v vn n=0=0渗流的边界条件渗流的边界条件第44页/共74页平面稳定渗流问题描述平面稳定渗流问题描述n 运动方程：运动方程：n 边界条件：边界条件：水头边界条件水头边界条件 在边界在边界 1 1上给定水头上给定水头12 流速边界条件流速边界条件 在边界在边界 2 2上给定法向流速上给定法向流速43 渗出面渗出面 在边界在边界 3 3上上h=zh=z，v vn n00自由水面自由水面*在边界在边界 4 4上上h=zh=z，v vn n=0

31、=03.3 3.3 平面渗流与流网平面渗流与流网或：或：第45页/共74页3.3 3.3 平面渗流与流网平面渗流与流网F数学解析法或近似解析法：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，求其近似解数学解析法或近似解析法：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F数值解法：有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到迅速地发展数值解法：有限元、有限差分、边界元法等，近年来得到迅速地发展F电比拟试验法：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电比拟试验法：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F流网法：简

32、便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题流网法：简便快捷，具有足够的精度，可分析较复杂断面的渗流问题渗流分析的方法渗流分析的方法第46页/共74页流网及其特性流网及其特性F流线和等势线正交流线和等势线正交F流网中每一网格的边长比流网中每一网格的边长比为常数，通常取为为常数，通常取为1 1F相邻等势线之间的水头损相邻等势线之间的水头损失相等失相等F各个流槽的渗流量相等各个流槽的渗流量相等n在流场中，流线和等势线在流场中，流线和等势线（等水头线）组成的网格称（等水头线）组成的网格称为流网为流网+d+dvsl3.3 3.3 平面渗流与流网平面渗流与流网流线：水质点的流动路线，流线上任一点的

33、切线方向就是流速流线：水质点的流动路线，流线上任一点的切线方向就是流速矢量方向矢量方向等势线：渗流场中势能或水头的等值线等势线：渗流场中势能或水头的等值线第47页/共74页流网的画法流网的画法1 1）确定边界条件：边界流）确定边界条件：边界流线和首尾等势线线和首尾等势线2 2）研究水流的方向：流线）研究水流的方向：流线的走向的走向3 3）判断网格的疏密大致分）判断网格的疏密大致分布布4 4）初步绘制流网的雏形：）初步绘制流网的雏形：正交性、曲边正方形正交性、曲边正方形5 5）反复修改和检查）反复修改和检查 H=H1-H20H1H2不透水层不透水层3.3 3.3 平面渗流与流网平面渗流与流网要点

34、：边界条件、正交性、曲边正方形、多练习要点：边界条件、正交性、曲边正方形、多练习lsabc defgh第48页/共74页 H=H1-H20H1H2不透水层不透水层f流网的应用流网的应用3.3 3.3 平面渗流与流网平面渗流与流网n 测管水头测管水头 h hn 确定孔压确定孔压n 确定流速确定流速n 确定流量确定流量n 水力坡降水力坡降hhhH1-hH1H1-2hqqqq流道数流道数第49页/共74页小小 结结n平面渗流的平面渗流的基本方程及基本方程及求解求解n流网的绘制流网的绘制及应用及应用 连续性方程连续性方程 运动方程运动方程 边界条件边界条件 求解方法求解方法 势函数势函数 流函数流函数

35、 流网及特性流网及特性 流网的画法流网的画法 流网的应用流网的应用3.3 3.3 平面渗流与流网平面渗流与流网第50页/共74页3.1 3.1 概述概述 3.2 3.2 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 3.3 3.3 平面渗流与流网平面渗流与流网 3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制第三章：土的渗透性和渗流问题第三章：土的渗透性和渗流问题渗透力渗透力临界水力坡临界水力坡降降渗透变形渗透变形（渗透破坏）（渗透破坏）第51页/共74页3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗透力渗透力-试验观察试验观察nh=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

36、用。nh0 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。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。h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b渗透力渗透力j j：渗透作用中，孔隙水对土骨：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架的作用力，方向与渗流方向一致第52页/共74页3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗透力渗透力-试验观察试验观察h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b土粒土粒渗渗 流流渗透力渗透力 j j：体积力：体积力渗渗透透力力j j：单单位位土

37、土体体内内土土骨骨架架所受到的渗透水流的拖曳力所受到的渗透水流的拖曳力第53页/共74页截面积截面积A=13.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制h200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器ab渗透力渗透力-受力分析受力分析WW=L sat L(+w)P1=whwP2=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whw R=L n 土水整体受力分析土水整体受力分析-静水静水第54页/共74页3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗透力渗透力-受力分析受力分析截面积截面积A=1渗透力渗透力-受力分析受力分析WW=L sat L(+w)P1=whwP2=wh1R=?R+P2=W+

38、P1R+wh1=L(+w)+whw R=L-w hn 土水整体受力分析土水整体受力分析-渗流渗流h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b第55页/共74页3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗透力渗透力-受力分析受力分析渗透力渗透力-受力分析受力分析R=L-w hn 土水整体受力分析土水整体受力分析-对比对比h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b 静水中的土体静水中的土体 渗流中的土体渗流中的土体向上渗流存在时，滤向上渗流存在时，滤网支持力减少网支持力减少R=L 减少的部分由谁承担？减少的部分由谁承担？总渗透力：总渗透力：J=J=w w h hF 渗透力渗

39、透力j j：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力j=J/V=w h/L=wi第56页/共74页向上渗流存在时，滤网支持向上渗流存在时，滤网支持力减少。当滤网支持力为零力减少。当滤网支持力为零时的水力坡降称为时的水力坡降称为临界水力临界水力坡降坡降i icrcr，它是土体开始发生，它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降：流土破坏时的水力坡降：3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗透力渗透力-受力分析受力分析渗透力渗透力-受力分析受力分析R=L-w h=0n 临界水力坡降临界水力坡降h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bicr=h

40、/L=/w由于由于i icrcr取决于土取决于土的物理性质的物理性质第57页/共74页=+WW Ww土水土水 =土骨架土骨架 +孔隙水孔隙水JRJ P1P2P1P2Rn土水隔离受力分析土水隔离受力分析3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗透力渗透力-受力分析受力分析渗透力渗透力-受力分析受力分析R=L-w h 土骨架受力分析：土骨架受力分析：有效重量：有效重量：W W=L=L 总渗透力：总渗透力：J=LjJ=Lj滤网的反力：滤网的反力：R R 孔隙水受力分析：孔隙水受力分析：水压力：水压力：P P1 1=w wh hw w P P2 2=w wh h1 1总渗透力：总渗透力：J J=J

41、=J水重水重+浮力反力：浮力反力：W Ww w=V=Vv v w w+V+Vs s w w=L=L w w孔隙水受力平衡孔隙水受力平衡j=wi土骨架受力平衡土骨架受力平衡第58页/共74页渗透力的性质渗透力的性质F物理意义：单位土体内土骨架所受到物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是一种体积的渗透水流的拖曳力，它是一种体积力力F大小：大小：j=j=w wi iF方向：与水力坡降方向一致方向：与水力坡降方向一致F作用对象：土骨架作用对象：土骨架3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制第59页/共74页3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制n土工建筑物及地基由于渗流作用

42、而出现的变形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。渗透变形是或破坏称为渗透变形或渗透破坏。渗透变形是土工建筑物发生破坏的常见类型土工建筑物发生破坏的常见类型n基本类型：基本类型：管涌管涌 流土流土 接触流土接触流土 接触冲刷接触冲刷渗透变形渗透变形单一土层渗透变形单一土层渗透变形的两种基本型式的两种基本型式第60页/共74页3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗透变形渗透变形-流土流土n流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏流土：在向上的渗透作用下，表层局

43、部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体体渗流渗流F 原因：原因：与土的性质有关与土的性质有关土的不均匀系数愈大，土的不均匀系数愈大，icr值越小；土中细颗粒含量高，值越小；土中细颗粒含量高，icr值增大；渗透系数愈大，值增大；渗透系数愈大，icr值越低。值越低。第61页/共74页坝体体3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗透变形渗透变形 管涌管涌F 原因原因内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙外因：渗透力足够大外因：渗透力足够大

44、 n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渗流渗流过程演示过程演示1.在渗透水流作用下，在渗透水流作用下，细颗粒在粗颗粒形细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动流成的孔隙中移动流失失2.孔隙不断扩大，渗孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，流速度不断增加，较粗颗粒也相继被较粗颗粒也相继被水带走水带走3.形成贯穿的渗流通形成贯穿的渗流通道，造成土体塌陷道，造成土体塌陷第62页/共74页3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗

45、透变形渗透变形 管涌管涌 在自然界中得渗透破坏作用称为潜蚀。以在自然界中得渗透破坏作用称为潜蚀。以区别人类工程活动中得管涌。区别人类工程活动中得管涌。潜蚀分类：潜蚀分类：机械潜蚀：机械潜蚀：化学潜蚀：化学潜蚀：指渗流的机械力将细土粒冲走而形指渗流的机械力将细土粒冲走而形成洞穴。成洞穴。指水流溶解了土中的易溶盐或胶指水流溶解了土中的易溶盐或胶结物使土变松散，细粒土被水冲结物使土变松散，细粒土被水冲走而形成洞穴。走而形成洞穴。第63页/共74页3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制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土体局部范围的颗粒同时发生移动发生移动管涌管涌只

46、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破坏过程短短导致下游坡面产生局部滑动导致下游坡面产生局部滑动等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破坏过程相对较长长导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口第64页/共74页3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制Fs:安全系数安全系数1.5

47、2.0 i :允许坡降允许坡降F i icr:土体发生流土破坏土体发生流土破坏n 工程设计：工程设计：流土可能性的判别流土可能性的判别n在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡和无粘性土，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件，均要发生流土：降这一水力条件，均要发生流土：第65页/共74页3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制n土是否会发生管涌，取决于土的性质：土是否会发生管涌，取决于土的性质：粘性土（分散性土例外）属于粘性土（分散性土例外）属于非管涌土非管涌土无粘性土中发生管涌必须具备无粘性土中

48、发生管涌必须具备相应的相应的几何条件几何条件和和水力条件水力条件管涌可能性的判别管涌可能性的判别第66页/共74页3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制较均匀土较均匀土（CuCu 1010）几何条件几何条件 水力条件水力条件n无粘性土无粘性土管涌的判管涌的判别别级配级配孔隙及细粒孔隙及细粒判定判定非管涌土非管涌土粗颗粒形成的粗颗粒形成的孔隙小于细颗粒孔隙小于细颗粒不均不均匀土匀土（Cu10Cu10）不连续不连续连续连续D D0 0=0.25d=0.25d2020细粒含量细粒含量35%35%细粒含量细粒含量25%25%细粒含量细粒含量=25-35%=25-35%D D0 0 d d5 5D

49、 D0 0=d=d3 3-d-d5 5管涌土管涌土过渡型土过渡型土非管涌土非管涌土非管涌土非管涌土管涌土管涌土过渡型土过渡型土P(%)lgd骨架骨架充填料充填料F发生管涌的发生管涌的必必要条件：要条件：粗颗粗颗粒所构成的孔粒所构成的孔隙直径大于细隙直径大于细颗粒直径颗粒直径第67页/共74页3.4 3.4 渗透破坏与控制渗透破坏与控制 几何条件几何条件 水力条件水力条件n无粘性土无粘性土管涌的判管涌的判别别F 渗透力能够渗透力能够带动细颗粒在孔带动细颗粒在孔隙间滚动或移动。隙间滚动或移动。可用管涌可用管涌临界水临界水力坡降力坡降表示表示0 5 10 15 20 25 30 35 1.51.00

50、.50icrCu流土流土过渡过渡管涌管涌水力坡降水力坡降级配连续土级配连续土 级配不连续土级配不连续土破坏坡降破坏坡降 icr0.20-0.400.1-0.3允许坡降允许坡降 i0.15-0.250.1-0.2伊斯托敏娜（苏）伊斯托敏娜（苏）中国学者中国学者 Cu 20时时,icr =0.25-0.30，考虑安全系数后：考虑安全系数后：i=0.10-0.15第68页/共74页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浸润线线渗透变形的防治措施渗透变形的防治措施 F减小减小i i：上游延长渗径：上游延长渗径 下游减小水压下游减小水压F增大增大 ii：下游增加透水下游增加透水 盖重盖重F