土的滲透性及水的滲流

1、土的滲透性及水的滲流 第二章2本章特點(diǎn)本章特點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)主要難點(diǎn)主要難點(diǎn)有較嚴(yán)格的理論（水流的一般規(guī)律）有較嚴(yán)格的理論（水流的一般規(guī)律）有經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律（散粒體多孔介質(zhì)特性）有經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律（散粒體多孔介質(zhì)特性）注重對物理概念和意義的深入理解注重對物理概念和意義的深入理解注意土是散粒體（多孔介質(zhì)）這一特點(diǎn)注意土是散粒體（多孔介質(zhì)）這一特點(diǎn) 水頭及水力坡降水頭及水力坡降二維流網(wǎng)及其應(yīng)用二維流網(wǎng)及其應(yīng)用滲透力及其分析方法滲透力及其分析方法2 土的滲透性及水的滲流 碎散性碎散性多孔介質(zhì)多孔介質(zhì)三相體系三相體系孔隙流體流動(dòng)孔隙流體流動(dòng)滲流滲流水、氣等在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象水、氣等在土體孔隙中流動(dòng)的現(xiàn)象滲

2、透性滲透性土具有被水、氣等流體透過的性質(zhì)土具有被水、氣等流體透過的性質(zhì)滲透特性滲透特性強(qiáng)度特性強(qiáng)度特性變形特性變形特性非飽和土的滲透性非飽和土的滲透性飽和土的滲透性飽和土的滲透性概述概述能量差能量差土顆粒土顆粒土中水土中水滲流滲流2 土的滲透性及水的滲流 4水在土體中的滲透，一方面會(huì)造成水量的損失，影響工程效益；另一方面將引起土體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而改變水工建筑物或地基的穩(wěn)定條件，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)釀成破壞事故。土的滲透性的強(qiáng)弱，對土體的固結(jié)、強(qiáng)度以及工程施工都有非常重要的影響。 2 土的滲透性及水的滲流 5水的問題水的問題指在工程中由于水本身引起的工程問題，比如基坑、隧道等開挖工程中普遍存在地

3、下水滲出而出現(xiàn)需要排水的問題；相反在以蓄水為目的的土壩中會(huì)由于滲透造成水量損失而出現(xiàn)需要擋水的問題；另外還有一些像污水的滲透引起地下水污染，地下水開采引起大面積地面沉降及沼澤枯竭等地下水環(huán)境的問題。也就是說，水自身的量（涌水量，滲水量）、質(zhì)（水質(zhì)）、賦存位置（地下水位）的變化所引起的問題。 2 土的滲透性及水的滲流 6土的問題l土的問題是指由于水的滲透引起土體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化或土體、地基本身的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等狀態(tài)的變化，從而影響建筑物或地基的穩(wěn)定性或產(chǎn)生有害變形的影響，在坡面、擋土墻等結(jié)構(gòu)物中常常會(huì)由于水的滲透而造成內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的變化而失穩(wěn)；土壩、堤防、基坑等結(jié)構(gòu)物會(huì)由于管涌逐漸改變地基土內(nèi)的結(jié)

4、構(gòu)而釀成破壞事故；非飽和的坡面會(huì)由于水分的滲透而造成土的強(qiáng)度的降低而引起滑坡。由于滲透而引起的代表性例子就是地下水開采造成的地面下沉問題。 2 土的滲透性及水的滲流 概述滲流量滲透變形土石壩土石壩防滲斜墻及鋪蓋防滲斜墻及鋪蓋浸潤線浸潤線透水層透水層不透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流2 土的滲透性及水的滲流 8滲流作用造成大壩塌方2 土的滲透性及水的滲流 9滲水壓力揚(yáng)壓力滲流量滲透變形透水層透水層不透水層不透水層基坑基坑板樁墻板樁墻板樁圍護(hù)下的基坑滲流概述2 土的滲透性及水的滲流 10滲流量透水層透水層不透水層不透水層天然水面天然水面水井滲流漏斗狀潛水面漏斗狀潛水面q概述2 土的滲透性及水的滲流

5、 11滲流量原地下水位原地下水位滲流時(shí)地下水位滲流時(shí)地下水位渠道滲流概述2 土的滲透性及水的滲流 12滲流滑坡滲流滑坡概述2 土的滲透性及水的滲流 13滲流量滲透變形滲水壓力滲流滑坡土的滲透性及滲流穩(wěn)定土的滲透性及滲流穩(wěn)定二維滲流及流網(wǎng)二維滲流及流網(wǎng)滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形揚(yáng)壓力土坡穩(wěn)定分析土坡穩(wěn)定分析擋水建筑物 集水建筑物 引水結(jié)構(gòu)物 基坑等地下施工多雨地區(qū)邊坡概述2 土的滲透性及水的滲流 14第二章 土的滲透性及水的滲流 2.3 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2.1 2.1 土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律2.2 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 152.1

6、 土的滲透性與滲透規(guī)律 一滲流中的水頭與水力坡降一滲流中的水頭與水力坡降二滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律二滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律三滲透系數(shù)的測定及影響因素三滲透系數(shù)的測定及影響因素四層狀地基的等效滲透系數(shù)四層狀地基的等效滲透系數(shù)16abl2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 透水層透水層不透水層不透水層基坑基坑板樁墻板樁墻一滲流中的水頭與水力坡降一滲流中的水頭與水力坡降2 土的滲透性及水的滲流 17abl一滲流中的水頭與水力坡降h1h2zawau wbu zbh h00基準(zhǔn)基準(zhǔn)面面水力坡降線水力坡降線g2vuzh2w waa1uzh wbb2uzh 12hhh wuzh lhi 總水頭總水頭單

7、位重量水體所具有的能量z：位置水頭：位置水頭u/u/w w：壓力水頭：壓力水頭v2/(2g)：流速水頭流速水頭00a a點(diǎn)總水頭：點(diǎn)總水頭：b b點(diǎn)總水頭：點(diǎn)總水頭：總水頭：總水頭：水力坡降：水力坡降：2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 水頭差：水頭差：測管水頭測管水頭2 土的滲透性及水的滲流 二二. . 滲透試驗(yàn)與滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律達(dá)西定律試驗(yàn)前提試驗(yàn)前提：層流層流h，q a，q l， qlhaq 斷面平均流速斷面平均流速水力坡降水力坡降aqv lhi iv 1.1.滲透試驗(yàn)滲透試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)裝置：試驗(yàn)裝置：如圖如圖試驗(yàn)條件試驗(yàn)條件: : h1，a，l=const

8、量測變量量測變量: : h2，v，th=h1-h2q=v/t2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2 土的滲透性及水的滲流 2.2.達(dá)西定律達(dá)西定律vk isvvvn 滲透定律在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)。二. 滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律vi注意：注意：aavvanav：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度vs：實(shí)際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度實(shí)際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度a avqva vsavk: :

9、 反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)反映土的透水性能的比例系數(shù)，稱為滲透系數(shù)物理意義：物理意義：水力坡降水力坡降i1 1時(shí)的滲流速度時(shí)的滲流速度單位：單位：mm/s, cm/s, m/s, m/day2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2 土的滲透性及水的滲流 202. 2. 達(dá)西定律達(dá)西定律 適用條件：適用條件：層流（線性流）層流（線性流）2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 二. 滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律 巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問題，包括砂土或一般粘土，均題，包括砂土或一般粘土，均屬層流范圍。屬層流范圍。 在粗粒土孔隙中，水流形

10、態(tài)可在粗粒土孔隙中，水流形態(tài)可能會(huì)隨流速增大呈紊流狀態(tài)，能會(huì)隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達(dá)西定律。滲流不再服從達(dá)西定律。 可用雷諾數(shù)可用雷諾數(shù)re進(jìn)行判斷：進(jìn)行判斷：re5時(shí)層流時(shí)層流re 200時(shí)紊流時(shí)紊流200 re 5時(shí)為過渡區(qū)時(shí)為過渡區(qū) 10ev dr2 土的滲透性及水的滲流 21層流紊流層流紊流2 土的滲透性及水的滲流 222. 2. 達(dá)西定律達(dá)西定律（1）粗粒土：）粗粒土：礫石類土中的滲流常不符合達(dá)西定律礫石類土中的滲流常不符合達(dá)西定律砂土中滲透速度砂土中滲透速度 vcr=0.3-0.5cm/sivovcrivoi0 兩種特例：兩種特例：（2）粘性土：）粘性土：致密的粘土致密

11、的粘土 i i0, v = k(i - i0 )(1)mvkim2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 二. 滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律2 土的滲透性及水的滲流 三三. . 滲透系數(shù)的測定及影響因素滲透系數(shù)的測定及影響因素 室內(nèi)試驗(yàn)測定方室內(nèi)試驗(yàn)測定方法法野外試驗(yàn)測定方野外試驗(yàn)測定方法法常水頭試驗(yàn)法常水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法井孔抽水試驗(yàn)井孔抽水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)1. 1. 測定方法測定方法2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2 土的滲透性及水的滲流 24 室內(nèi)試驗(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法1 1常水頭試驗(yàn)法常水頭試驗(yàn)法三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 1. 1.

12、 測定方法測定方法結(jié)果整理結(jié)果整理試驗(yàn)裝置：試驗(yàn)裝置：如圖如圖試驗(yàn)條件試驗(yàn)條件: : h，a，l=const量測變量量測變量: : v，ti=h/lv=qt=vatv=kihtavlk 適用土類：適用土類：透水性較大的砂性土透水性較大的砂性土2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 hl土樣土樣avq 室內(nèi)試驗(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法2 2變水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法透水性較小的粘性土透水性較小的粘性土?2 土的滲透性及水的滲流 第七次課至此詹第七次課至此詹25三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 1. 1. 測定方法測定方法 室內(nèi)試驗(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法2 2變水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法試驗(yàn)裝置：試驗(yàn)裝置

13、：如圖如圖試驗(yàn)條件試驗(yàn)條件: : h變化變化，a，l=const量測變量量測變量: : h ，t2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 土樣土樣at=t1h1t=t2h2lq水頭水頭測管測管開關(guān)開關(guān)a2 土的滲透性及水的滲流 26三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 1. 1. 測定方法測定方法 室內(nèi)試驗(yàn)方法室內(nèi)試驗(yàn)方法2 2變水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法結(jié)果整理結(jié)果整理: :理論依據(jù)理論依據(jù): :t時(shí)刻：時(shí)刻： hdtdhdve= - adhdvo=kiadt=k (h/l)adtdve=dvo流入量流入量：流出量：流出量：連續(xù)性條件：連續(xù)性條件：-adh =k (h/l)adthdhka

14、aldt21lnhhkaalt21lnhhatalk選擇幾組選擇幾組h1, h2, t ，計(jì)算相應(yīng)的，計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值，取平均值2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 土樣土樣at=t1h1t=t2h2lq水頭水頭測管測管開關(guān)開關(guān)ahdhtt+dthdhkaalt dhht2102 土的滲透性及水的滲流 第七次課至此鐵第七次課至此鐵 野外測定方法野外測定方法抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)法優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場較為可優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場較為可靠的平均滲透系數(shù)靠的平均滲透系數(shù)1. 1. 測定方法測定方法三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 地下水位地下水位測壓管水面測壓管水面井井抽水

15、量抽水量q qr1rr2dhdrh1hh2不透水層不透水層觀察井觀察井a(chǎn)=2rhi=dh/drdrdhkrh2akiq khdh2rdrq )hh(krrlnq212212 212212hh)r/rln(qk 缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)方法：理論依據(jù)：理論依據(jù)：2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 積分積分2 土的滲透性及水的滲流 第七次課至此城第七次課至此城2.影響因素 粒徑大小及級配粒徑大小及級配孔隙比孔隙比礦物成分礦物成分結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)kf( 土土粒粒特特性性、流流體體特特性性）三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 飽和度（含氣量）飽和度（含氣量）

16、水的動(dòng)力粘滯系數(shù)水的動(dòng)力粘滯系數(shù)2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2 土的滲透性及水的滲流 292.2.影響因素影響因素 三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 粒徑大小及級配：粒徑大小及級配：是土中孔隙直徑大小的主要影響因素；因由粗顆粒形是土中孔隙直徑大小的主要影響因素；因由粗顆粒形成的大孔隙可被細(xì)顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細(xì)顆粒所控制。成的大孔隙可被細(xì)顆粒充填，故土體孔隙的大小一般由細(xì)顆粒所控制。（1）土粒特性的影響）土粒特性的影響孔隙比：孔隙比：是單位土體中孔隙體積的直接度量；對于砂性土，滲透系數(shù)是單位土體中孔隙體積

17、的直接度量；對于砂性土，滲透系數(shù)k一般隨孔隙比一般隨孔隙比e增大而增大。增大而增大。礦物成分：礦物成分：對粘性土，影響顆粒的表面力；不同粘土礦物之間滲透系對粘性土，影響顆粒的表面力；不同粘土礦物之間滲透系數(shù)相差極大，其滲透性大小的次序?yàn)楦邘X石數(shù)相差極大，其滲透性大小的次序?yàn)楦邘X石伊里石伊里石蒙脫石；塑性指蒙脫石；塑性指數(shù)數(shù)ip綜合反映土的顆粒大小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的參數(shù)。綜合反映土的顆粒大小和礦物成份，常是滲透系數(shù)的參數(shù)。結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：影響孔隙的構(gòu)成和方向性，對粘性土影響更大；在宏觀構(gòu)造上，影響孔隙的構(gòu)成和方向性，對粘性土影響更大；在宏觀構(gòu)造上，天然沉積層狀粘性土層，常使得天然沉積層狀粘性

18、土層，常使得 k水平水平 k垂直垂直；在微觀結(jié)構(gòu)上，當(dāng)孔隙；在微觀結(jié)構(gòu)上，當(dāng)孔隙比相同時(shí)，凝聚結(jié)構(gòu)將比分散結(jié)構(gòu)具有更大的透水性。比相同時(shí)，凝聚結(jié)構(gòu)將比分散結(jié)構(gòu)具有更大的透水性。2 土的滲透性及水的滲流 30飽和度飽和度 s sr r(%)(%)滲透系數(shù)滲透系數(shù)k(10k(10-3-3cm/s)cm/s)8 87 76 65 54 43 32 280 90 10080 90 100飽和度的影響飽和度的影響流體粘滯性的影響流體粘滯性的影響溫度高溫度高粘滯性低粘滯性低滲透系數(shù)大滲透系數(shù)大封閉氣泡對封閉氣泡對k影響很大，可影響很大，可減少有效滲透面積，還可減少有效滲透面積，還可以堵塞孔隙的通道以堵塞孔

19、隙的通道2.2.影響因素影響因素 三. 滲透系數(shù)的測定及影響因素 2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 （2）流體特性的影響）流體特性的影響2 土的滲透性及水的滲流 四四. .層狀地基的等效滲透系數(shù)層狀地基的等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù)確立各層的確立各層的km考慮滲流方向考慮滲流方向天然土層多呈層狀天然土層多呈層狀2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2 土的滲透性及水的滲流 32h1h2h3hhk1k2k3xzq1xq3xq2xl四.層狀地基的等效滲透系數(shù)1122不透水層不透水層水平滲流水平滲流條件條件: :mhiil xmxqqmhh等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù):

20、:qx=vxh=kxihqmx=kmimhmxmm1kk hh 2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2 土的滲透性及水的滲流 33h1h2h3hhk1k2k3xz四.層狀地基的等效滲透系數(shù)豎直滲流豎直滲流:v承壓水承壓水條件條件:mvvmhh mhh等效滲透系數(shù)等效滲透系數(shù): :mmmvhhk zkvhh mzmvhvhkk zmmhkhk mzmh11kh k 2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 mmmmhvkh 2 土的滲透性及水的滲流 算例算例 day/m100k,m0 . 1hday/m1k,m0 . 1hday/m01. 0k,m0 . 1h332

21、211 按層厚加權(quán)平均，由較大值控制按層厚加權(quán)平均，由較大值控制倒數(shù)按層厚加權(quán)平均，由較小值控制倒數(shù)按層厚加權(quán)平均，由較小值控制day/m67.33hhkkiix day/m03. 0khhkiiz 四.層狀地基的等效滲透系數(shù)2.12.1土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 2 土的滲透性及水的滲流 352.1 2.1 土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 第二章 土的滲透性及水的滲流 2.2 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2.3 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 362.2 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) zxzvxvdxxvvxx dzzvvzz hh h恒定

22、恒定穩(wěn)定滲流穩(wěn)定滲流h=h(x,z), v=v(x,z)對單寬對單寬dydy=1=1，取一微小單元，取一微小單元dxdx, , dzdz與時(shí)間無關(guān)與時(shí)間無關(guān)xz2 土的滲透性及水的滲流 37laplace方程方程（基本方程）（基本方程）連續(xù)性條件連續(xù)性條件達(dá)西定律達(dá)西定律流線方程流線方程假定假定kx=kz2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 流線描述流線描述水頭描述水頭描述勢函數(shù)的勢函數(shù)的基本方程基本方程 流函數(shù)的流函數(shù)的基本方程基本方程 勢函數(shù)勢函數(shù) 流函數(shù)流函數(shù)共軛調(diào)和，等值線正交共軛調(diào)和，等值線正交求解（流網(wǎng)）求解（流網(wǎng)）邊界條件邊界條件基本要求基本要求繪制方法繪制方法主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)實(shí)

23、際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用2 土的滲透性及水的滲流 382.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) zxzvxvdxxvvxx dzzvvzz 0zvxvzx 連續(xù)性條件連續(xù)性條件dxvdzvdqzxe dx)dzzvv(dz)dxxvv(dqzzxxo oedqdq 一一. . 平面滲流的基本方程及求解平面滲流的基本方程及求解 1. 基本方程基本方程水頭描述水頭描述2 土的滲透性及水的滲流 392.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 0zvxvzx zhkv;xhkvzzxx 連續(xù)性條件連續(xù)性條件 達(dá)西定律達(dá)西定律0zhxh2222 0zhkxhk22z22x laplace方程方程描述滲流場內(nèi)部的測管水頭描述

24、滲流場內(nèi)部的測管水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程式之一基本方程式之一 假定假定 kx=kz 水頭描述水頭描述22220 xz h：勢函數(shù)：勢函數(shù)與滲透系數(shù)無關(guān)與滲透系數(shù)無關(guān) 等價(jià)于水頭等價(jià)于水頭一. 平面滲流的基本方程及求解 1. 1. 基本方程基本方程 2 土的滲透性及水的滲流 402.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 1. 基本方程基本方程流線描述流線描述一. 平面滲流的基本方程及求解 22220 xz xz+ddql 同一條流線上，流函數(shù)的值為常數(shù)，流線不能相交同一條流線上，流函數(shù)的值為常數(shù)，流線不能相交l 兩條流線流函數(shù)的差值等于其間通過的流量兩條流線流函數(shù)

25、的差值等于其間通過的流量v vx xv vz zdzdz- -dxdx(x,z)2 土的滲透性及水的滲流 410zhxh2222 2222ff0 xz22220 xz 22220 xz 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 一. 平面滲流的基本方程及求解 流線描述流線描述1. 1. 基本方程基本方程 laplace方程方程1 1）勢函數(shù)和流函數(shù)均滿足拉普拉斯方程）勢函數(shù)和流函數(shù)均滿足拉普拉斯方程2 2）勢函數(shù)等值線和流函數(shù)）勢函數(shù)等值線和流函數(shù)等值線等值線正交，任一點(diǎn)兩線的斜率互成負(fù)倒數(shù)正交，任一點(diǎn)兩線的斜率互成負(fù)倒數(shù)3 3）勢函數(shù)和流函數(shù)為共軛調(diào)和函數(shù)，兩者完備地描述了一滲流場）勢函數(shù)和流函

26、數(shù)為共軛調(diào)和函數(shù)，兩者完備地描述了一滲流場 +d +d ba2 土的滲透性及水的滲流 42一. 平面滲流的基本方程及求解 2. 求解方法求解方法 確定滲流場內(nèi)各點(diǎn)的確定滲流場內(nèi)各點(diǎn)的測管水頭測管水頭h h的分布的分布基本方程基本方程邊界條件邊界條件定解條件定解條件2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 其它各量其它各量2 土的滲透性及水的滲流 43一. 平面滲流的基本方程及求解 2. 2. 求解方法求解方法 邊界條件邊界條件2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 透水層透水層不透水層不透水層基坑基坑板樁墻板樁墻水頭邊界條件：水頭邊界條件：首尾等水頭線首尾等水頭線12 流速邊界條件：流速邊界條件：邊

27、界流線邊界流線3 其它邊界條件：其它邊界條件：滲出面、滲出面、自由水面自由水面11222 土的滲透性及水的滲流 44一. 平面滲流的基本方程及求解 2. 2. 求解方法求解方法 解析方法解析方法 試驗(yàn)比擬方法試驗(yàn)比擬方法 （電比擬方法）（電比擬方法） 數(shù)值方法數(shù)值方法 圖解法圖解法 流網(wǎng)流網(wǎng)近似求解方法近似求解方法 適用于邊界條件簡單的情況適用于邊界條件簡單的情況 通解：兩個(gè)共軛調(diào)和函數(shù)通解：兩個(gè)共軛調(diào)和函數(shù)勢函數(shù)勢函數(shù)( (x,zx,z) )流函數(shù)流函數(shù)( (x,zx,z) )等勢線等勢線流線流線相互正交相互正交邊界條件邊界條件特定解特定解差分法、有限元方法，精度高，應(yīng)用愈來愈廣泛差分法、有

28、限元方法，精度高，應(yīng)用愈來愈廣泛 利用滲流場和電場均服從利用滲流場和電場均服從laplacelaplace方程這一特點(diǎn)，按一定比例制方程這一特點(diǎn)，按一定比例制作模型，用電場中的等勢線和流線來模擬滲流場中的等勢線和流線，作模型，用電場中的等勢線和流線來模擬滲流場中的等勢線和流線，以達(dá)到確定滲流場中滲流要素的目的。以達(dá)到確定滲流場中滲流要素的目的。理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)：解析法的結(jié)果解析法的結(jié)果2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2 土的滲透性及水的滲流 45二二. .流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 流流 網(wǎng)網(wǎng)滲流場中的兩族相互正交曲線滲流場中的兩族相互正交曲線等勢線和流線所形成的等勢線和流線所形

29、成的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇。 流流 線線水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡線。水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡線。 等勢線等勢線測管水頭相同的點(diǎn)之連線測管水頭相同的點(diǎn)之連線 。 流網(wǎng)法流網(wǎng)法通過繪制流線與勢線的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇來求解滲流問題。通過繪制流線與勢線的網(wǎng)絡(luò)狀曲線簇來求解滲流問題。hh02.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2 土的滲透性及水的滲流 46 基本要求基本要求1. 正交性：流線與等勢線（等水頭線）必須正交正交性：流線與等勢線（等水頭線）必須正交二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 hh0lsls2. 等間隔流線與等間隔等勢線形成的流網(wǎng)中，各個(gè)網(wǎng)格等間隔流線與等間隔等勢線形成的流網(wǎng)中，各個(gè)網(wǎng)格的長寬比的長寬比c c應(yīng)為常數(shù)。

30、取應(yīng)為常數(shù)。取c=1c=1，即為曲邊正方形即為曲邊正方形3. 在邊界上滿足流場邊界條件要求，保證解的唯一性。在邊界上滿足流場邊界條件要求，保證解的唯一性。2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) +d +d badvaadvbb dhlcds 通解通解數(shù)學(xué)描述數(shù)學(xué)描述幾何表示幾何表示2 土的滲透性及水的滲流 47abcdlshh h00ls二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 繪制方法繪制方法一個(gè)高精度的流網(wǎng)圖，需經(jīng)過一個(gè)高精度的流網(wǎng)圖，需經(jīng)過多次的修改后才能完成。多次的修改后才能完成。根據(jù)滲流場根據(jù)滲流場的邊界條件的邊界條件確定邊界流線確定邊界流線和首尾等勢線和首尾等勢線正交性正交性曲邊正方形曲邊正方形初步繪制

31、流網(wǎng)初步繪制流網(wǎng)流線流線等勢線等勢線反復(fù)修改，調(diào)整反復(fù)修改，調(diào)整精度較高的流網(wǎng)圖精度較高的流網(wǎng)圖2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 工具：工具：鉛筆橡皮鉛筆橡皮2 土的滲透性及水的滲流 48 主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)與上下游水位變化無關(guān)與上下游水位變化無關(guān) hh=const=const；與與k k無關(guān)；無關(guān)；等勢線上各點(diǎn)測管水頭等勢線上各點(diǎn)測管水頭h h相等。相等。二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 hh0lsls2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2 土的滲透性及水的滲流 49 測管水頭測管水頭 h h 實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用l /hi ）（zhhiiikv hmkmqq;hkslhkqiiii 確定孔壓確定孔壓

32、確定流速確定流速 確定流量確定流量二.流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用 水力坡降水力坡降hh0lsls2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) m: 流道數(shù)流道數(shù)h= h/n: 相鄰等勢線間的水頭損失相鄰等勢線間的水頭損失2 土的滲透性及水的滲流 50laplace方程方程（基本方程）（基本方程）連續(xù)性條件連續(xù)性條件達(dá)西定律達(dá)西定律假定假定kx=kz流線方程流線方程水頭描述水頭描述勢函數(shù)勢函數(shù) 流線描述流線描述流函數(shù)流函數(shù)共軛、正交共軛、正交理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)邊界條件邊界條件小結(jié)2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 求解求解平面滲流的基本方程及求平面滲流的基本方程及求解解流網(wǎng)的繪制及應(yīng)流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用用實(shí)際應(yīng)用實(shí)際

33、應(yīng)用基本要求基本要求主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)繪制方法繪制方法2 土的滲透性及水的滲流 51土的滲透性及水的滲流 第二章522.1 2.1 土的滲透性與滲透規(guī)律土的滲透性與滲透規(guī)律 第二章 土的滲透性及水的滲流 2.2 2.2 平面滲流與流網(wǎng)平面滲流與流網(wǎng) 2.3 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 532.3 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一一. 滲透力滲透力1、試驗(yàn)觀察滲透變形滲透變形滲透力滲透力二二. .滲透變形（滲透破壞）滲透變形（滲透破壞） 2、物理本質(zhì)3、計(jì)算方法土水整體分析土水整體分析土水隔離分析土水隔離分析54一一. . 滲透力滲透力1、試驗(yàn)觀察hh=0 =0 靜水中，

34、土骨架會(huì)受到浮力作用。靜水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。hh0 0 水在流動(dòng)時(shí)，水流受到來自土骨架的阻力，同時(shí)流動(dòng)的孔隙水對土骨水在流動(dòng)時(shí)，水流受到來自土骨架的阻力，同時(shí)流動(dòng)的孔隙水對土骨架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。滲透力滲透力 j j 滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致。h1hh200hwl土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a b2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 土的滲透性及水的滲流 55一. 滲透力h1hh200hwl土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a b土土粒粒滲滲 流流j2.3 滲透力與滲透變

35、形滲透力與滲透變形 滲透力與浮力有何區(qū)別？滲透力與浮力有何區(qū)別？2、物理本質(zhì)2 土的滲透性及水的滲流 56h200hwl土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bp2wp1r靜水中的土體靜水中的土體a=1w = = lsatsatl( + w)p1 = = whwp2 = = wh2r = ?r + p2 = w + p1r + wh2 = l( + w) + whw r = l 土水整體分析土水整體分析2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一. 滲透力3、計(jì)算方法2 土的滲透性及水的滲流 57h1hh200hwl土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bp2wp1r靜水中的土體靜水中的土體a=1w =

36、= lsatsatl( + w)p1 = = whwp2 = = wh1r = ?r + p2 = w + p1r + wh1 = l( + w) + whw r = l whr = l 滲流中的土體滲流中的土體2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一. 滲透力土水整體分析土水整體分析3 3、計(jì)算方法、計(jì)算方法2 土的滲透性及水的滲流 58h1hh200hwl土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bp2wp1r靜水中的土體靜水中的土體a=1r = l whr = l 滲流中的土體滲流中的土體向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少減少的部分由誰承擔(dān)？減少的部分由誰承擔(dān)？水與土

37、之間的作用力滲流的拖曳力水與土之間的作用力滲流的拖曳力總滲透力總滲透力j = wh滲透力滲透力 j = j/v = wh/l = wij = wi2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一. 滲透力土水整體分析土水整體分析3 3、計(jì)算方法、計(jì)算方法2 土的滲透性及水的滲流 59h1hh200hwl土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a bp2wp1ra=1r = l wh滲流中的土體所受濾網(wǎng)支持力滲流中的土體所受濾網(wǎng)支持力向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少臨界水力坡降臨界水力坡降i = h/l = /wicr = / /w l wh = 0e1)1g(ws e11giscr

38、 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一. 滲透力土水整體分析土水整體分析3 3、計(jì)算方法、計(jì)算方法2 土的滲透性及水的滲流 60p2wp1rh1hh200hwl土樣土樣濾網(wǎng)濾網(wǎng)貯水器貯水器a ba=1p1+ ww+ j = p2水體的平衡條件水體的平衡條件j = wiwhw+ wl + j l= wh1wjwwj=r+p2p1p1 = = whwp2 = = wh1ww= vvw+ vsw= lwilhl)lhh(jwww1w 土水隔離分析土水隔離分析2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一. 滲透力3 3、計(jì)算方法、計(jì)算方法2 土的滲透性及水的滲流 61滲透力的性質(zhì)滲透力的性質(zhì)物

39、理意義：物理意義：單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力單位土體內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是體積力j = wi大?。捍笮。悍较颍悍较颍号c與i方向一致（均質(zhì)土與方向一致（均質(zhì)土與滲流方向一致）滲流方向一致）作用對象：作用對象：土骨架土骨架2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一. 滲透力2 土的滲透性及水的滲流 62利用流網(wǎng)求滲透力利用流網(wǎng)求滲透力復(fù)雜條件總滲透力總滲透力大大 ?。盒。簀 網(wǎng)格面積網(wǎng)格面積 方方 向：向：與與i方向一致（均質(zhì)土：流線）方向一致（均質(zhì)土：流線）作用點(diǎn)：作用點(diǎn)：形心形心 ij 流網(wǎng)較密處流網(wǎng)較密處i i較大，該處滲透力也大較大，該處滲透力也

40、大不同位置的滲透力對土體穩(wěn)定性的影響不同不同位置的滲透力對土體穩(wěn)定性的影響不同jasljj shsljj hhi; jll hh0lsls2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 一. 滲透力2 土的滲透性及水的滲流 63基本類型基本類型 二二. .滲透變形（滲透破壞）滲透變形（滲透破壞） 流土流土管涌管涌土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞形成條件形成條件 防治措施防治措施 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 土的滲透性及水的滲流 64粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2壩體壩體1.1. 基本類型基本類型 二.滲透變形（滲透破壞） 流土流土在向上的滲透作用下，表層局部土體

41、顆粒同時(shí)發(fā)生懸浮移動(dòng)的現(xiàn)象在向上的滲透作用下，表層局部土體顆粒同時(shí)發(fā)生懸浮移動(dòng)的現(xiàn)象crii0jw 和和土土的的密密實(shí)實(shí)程程度度有有關(guān)關(guān)egiscr 11 滲流滲流原因：原因：2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 土的滲透性及水的滲流 651.1. 基本類型基本類型 管涌管涌原因：原因：內(nèi)因內(nèi)因 有足夠多的粗顆粒形有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒徑的孔隙通道成大于細(xì)粒徑的孔隙通道外因外因滲透力足夠大滲透力足夠大 在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細(xì)小顆粒，通過較大顆在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細(xì)小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道。粒所形成的孔

42、隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道。管涌管涌破壞2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 二.滲透變形（滲透破壞） 2 土的滲透性及水的滲流 661. 基本類型基本類型 流土與管涌的比較流土與管涌的比較 流土流土土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)生移動(dòng)管涌管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中發(fā)生在任何土中破壞過程短破壞過程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等現(xiàn)象現(xiàn)象位置位置土類土類歷時(shí)歷時(shí)后果后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)孔隙通道移動(dòng)可發(fā)生于土體

43、內(nèi)部和滲流可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處溢出處一般發(fā)生在特定級配的無一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長破壞過程相對較長導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口二.滲透變形 2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 土的滲透性及水的滲流 672.2.形成條件形成條件 scrfiii fs: 安全系數(shù)安全系數(shù)1.52.0二.滲透變形 i : 允許坡降允許坡降i icr :土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體處于穩(wěn)定狀態(tài)土體發(fā)生流土破壞土體發(fā)生流土破壞土體處于臨界狀態(tài)土體處于臨界狀態(tài)流土流土經(jīng)驗(yàn)判斷：經(jīng)驗(yàn)判斷：2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 無壓重時(shí)：無壓重時(shí)

44、：2 土的滲透性及水的滲流 68較均勻土較均勻土（cu10cu10）二.滲透變形 2.2.形成條件形成條件管涌管涌幾何條件幾何條件水力條件水力條件一般發(fā)生在無粘性土中一般發(fā)生在無粘性土中級配級配孔隙及細(xì)?？紫都凹?xì)粒判定判定非管涌土非管涌土粗粒形成的孔隙粗粒形成的孔隙通道小于細(xì)粒徑通道小于細(xì)粒徑不均不均勻土勻土（cu10cu10）不連續(xù)不連續(xù)連續(xù)連續(xù)d d0 0=0.25d=0.25d2020細(xì)粒含量細(xì)粒含量35%35%細(xì)粒含量細(xì)粒含量25%25%細(xì)粒含量細(xì)粒含量=25-35%=25-35%d d0 0 d d5 5d d0 0 = d = d3 3-d-d5 5管涌土管涌土過渡型土過渡型土非管

45、涌土非管涌土非管涌土非管涌土管涌土管涌土過渡型土過渡型土幾何條件幾何條件p(%)lgd骨架骨架充填料充填料p53d5d32.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 土的滲透性及水的滲流 69水力條件：水力條件：i icr5 10 15 20 25 30 35 402.01.51.00.50icrcu流土流土過渡過渡管涌管涌二.滲透變形 2.2.形成條件形成條件cu 20時(shí)時(shí), icr =0.25-0.30 i=0.10-0.15蘇聯(lián)：蘇聯(lián)：中國：中國：水力坡降級配連續(xù)土級配不連續(xù)土破壞坡降icr0.20-0.400.1-0.3允許坡降i0.15-0.250.1-0.22.3 滲透力與滲透變形

46、滲透力與滲透變形 2 土的滲透性及水的滲流 70管涌與流土的比較管涌流土1 與級配有關(guān)（不連續(xù)級配） 與級配無關(guān)（各種級配土均可發(fā)生）2水利坡降 i 較小也會(huì)發(fā)生需滲透力3土體中任何部位滲流出口處4沿土體中任何方向與重力方向相反wji71流土2 土的滲透性及水的滲流 72流土2 土的滲透性及水的滲流 73 圖為發(fā)生在上海黃浦江隧道施工中流土帶來的災(zāi)害。施工中發(fā)生滲水后，隨后出現(xiàn)大量流砂涌入施工中的隧道，導(dǎo)致中山南路部分地面下沉，建筑傾斜。 2 土的滲透性及水的滲流 74管涌管涌指在滲流作用下土體的細(xì)土粒在粗土粒形成的孔隙通道中發(fā)生移動(dòng)并被帶出的現(xiàn)象。主要發(fā)生在砂礫土中。2 土的滲透性及水的滲流

47、 75 圖為發(fā)生在湖南望城湘江大堤最大的管涌。由于暴雨使湘江水猛長，使土體中的水力坡降增加，加之土結(jié)構(gòu)的幾何原因，發(fā)生了圖中的管涌。沙袋用來提高逸出口水位，以降低水力坡降。此外還拋了一些大的礫石形成反濾層。2 土的滲透性及水的滲流 76管涌2 土的滲透性及水的滲流 77管涌2 土的滲透性及水的滲流 783. 3. 防治措施防治措施 scrfiii 增大增大 ii：下游增加透水蓋重下游增加透水蓋重 二.滲透變形防治流土防治流土土石壩土石壩防滲斜墻及鋪蓋防滲斜墻及鋪蓋浸潤線浸潤線透水層透水層不透水層不透水層減小減小i i ：上游延長滲徑；上游延長滲徑； 下游減小水壓下游減小水壓防治管涌防治管涌改善

48、幾何條件：改善幾何條件：設(shè)反濾層等設(shè)反濾層等改善水力條件：改善水力條件：減小滲透坡降減小滲透坡降2.3 滲透力與滲透變形滲透力與滲透變形 2 土的滲透性及水的滲流 79管涌的治理反濾倒?jié)B2 土的滲透性及水的滲流 80管涌的治理反濾圍井2 土的滲透性及水的滲流 81管涌的治理蓄水反壓2 土的滲透性及水的滲流 82小結(jié)工程實(shí)例工程實(shí)例滲流問題滲流問題土的滲透性土的滲透性及滲透規(guī)律及滲透規(guī)律二維滲流二維滲流及流網(wǎng)及流網(wǎng)滲透力與滲透力與滲透變形滲透變形滲流中的水頭與水力坡降滲流中的水頭與水力坡降滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律滲透試驗(yàn)與達(dá)西定律滲透系數(shù)的測定及影響因素滲透系數(shù)的測定及影響因素層狀地基的等效滲透系數(shù)層

49、狀地基的等效滲透系數(shù)平面滲流的基平面滲流的基本方程及求解本方程及求解 流網(wǎng)的繪流網(wǎng)的繪制及應(yīng)用制及應(yīng)用 滲透力：滲透力：概念與計(jì)算概念與計(jì)算滲透變形：滲透變形：類型，條件，防治類型，條件，防治2 土的滲透性及水的滲流 83n 位置水頭：位置水頭：到基準(zhǔn)面的豎直距離，到基準(zhǔn)面的豎直距離，代表單位重量的液體從基準(zhǔn)面算起代表單位重量的液體從基準(zhǔn)面算起所具有的位置勢能所具有的位置勢能n 壓力水頭：壓力水頭：水壓力所能引起的自由水壓力所能引起的自由水面的升高，表示單位重量液體所水面的升高，表示單位重量液體所具有的壓力勢能具有的壓力勢能n 測管水頭：測管水頭：測管水面到基準(zhǔn)面的垂測管水面到基準(zhǔn)面的垂直距離，等于位置水頭和壓力水頭直距離，等于位置水頭和壓力水頭之和，表示單位重量液體的總勢能之和，表示單位重量液體的總勢能n 在靜止液體中各點(diǎn)的測管水頭相等在靜止液體中各點(diǎn)的測管水頭相等位置、壓力和測管水頭位置、壓力和測管水頭za00abu0pawau zbwbu 基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面靜水靜水84水流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力水流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力水往低處流水往低處流水往高處水往高處“跑跑”速度速度v壓力壓力u位置：位置：使水流從位置勢能使