土的滲透性與滲透問題二

主要內容概述§2.1達西定律§2.2滲透系數及其確定方法§2.3滲透力與滲透變形第二章土的滲透性和滲透問題§2.4滲流工程問題與處理措施土的滲透問題概述浸潤線流線等勢線下游上游土壩蓄水后水透過壩身流向下游H隧道開挖時，地下水向隧道內流動

在水位差作用下，水透過土體孔隙的現象稱為滲透

返回本章§2.1達西定律一、達西定律1856年法國學者Darcy對砂土的滲透性進行研究結論：水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比滲透試驗播放v=ki達西定律水力梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失

返回本章二、達西定律適用范圍與起始水力梯度達西定律討論：砂土的滲透速度與水力梯度呈線性關系

密實的粘土，需要克服結合水的粘滯阻力后才能發(fā)生滲透;同時滲透系數與水力坡降的規(guī)律還偏離達西定律而呈非線性關系

ib起始水力坡降虛直線簡化達西定律適用于層流，不適用于紊流v=kiivO砂土0iv密實粘土§2.2滲透系數及其確定方法一、滲透試驗（室內）時間t內流出的水量1.常水頭試驗————整個試驗過程中水頭保持不變適用于透水性大（k>10-3cm/s）的土，例如砂土。

返回本章2.變水頭試驗————整個試驗過程水頭隨時間變化

截面面積a任一時刻t的水頭差為h，經時段dt后，細玻璃管中水位降落dh，在時段dt內流經試樣的水量

dV=－adh

在時段dt內流經試樣的水量

dV=kiAdt=kAh/Ldt

管內減少水量＝流經試樣水量

－adh=kAh/Ldt

分離變量積分

適用于透水性差，滲透系數小的粘性土

二、影響滲透系數的因數1.土粒大小與級配

細粒含量愈多，土的滲透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多時，砂土的滲透系數就會大大減小。2.土的密實度

3.水的動力粘滯系數

同種土在不同的密實狀態(tài)下具有不同的滲透系數，土的密實度增大，孔隙比降低，土的滲透性也減小。

動力粘滯系數隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動力粘滯系數愈小，土的滲透系數則愈大。4.土中封閉氣體含量

土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數降低。封閉氣體含量愈多，土的滲透性愈小。T、20分別為T℃和20℃時水的動力粘滯系數，可查表三、成層土的滲透系數1.水平滲透系數

H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通過整個土層的總滲流量qx應為各土層滲流量之總和

達西定律整個土層與層面平行的等效滲透系數

平均滲透系數2.垂直滲透系數

H1H2H3k1k2k3H根據水流連續(xù)定理，通過整個土層的滲流量等于通過各土層的滲流量

垂直滲透系數q3yq2yq1yqy各土層的相應的水力坡降為i1、i2、…、in，總的水力坡降為i

總水頭損失等于各層水頭損失之和

代入整個土層與層面垂直的等效滲透系數

四、例題分析【例】

設做變水頭滲透試驗的粘土試樣的截面積為30cm2，厚度為4cm，滲透儀細玻璃管的內徑為0.4cm，試驗開始時的水位差為160cm，經時段15分鐘后，觀察得水位差為52cm，試驗時的水溫為30℃，試求試樣的滲透系數

【解答】已知試樣截面積A=30cm，滲徑長度L=4cm，細玻璃管的內截面積h1=160cm，h2=52cm，△t=900s

試樣在30℃時的滲透系數

§2.3滲滲透力(動水壓力)與滲透變形一、滲透力(動水力)和臨界水力坡降降(梯度)1.滲透力——滲透水流施加于于單位土粒上的的拖曳力h2h1h21L沿水流方向放置置兩個測壓管，，測壓管水面高高差h水流流經這段土土體，受到土顆顆粒的阻力，阻阻力引起的水頭頭損失為h土粒對水流的阻阻力應為土樣面積根據牛頓第三定定律，試樣的總總滲流力J和土粒對水流的的阻力F大小相等，方向向相反返回本章滲流作用于單位位土體的力說明：滲透力j是滲流對單位土體的作用力，是一一種體積力，其其大小與水力坡坡降成正比，作作用方向與滲流流方向一致，單單位為kN/m3滲透力的存在，將使土體內部受力發(fā)生變化，這種變化對土體穩(wěn)定性有顯著的影響abc滲透力方向與重重力一致，促使使土體壓密、強強度提高，有利利于土體穩(wěn)定滲流方向近乎水水平，使土粒產產生向下游移動動的趨勢，對穩(wěn)穩(wěn)定不利滲流力與重力方方向相反，當滲滲透力大于土體體的有效重度，，土粒將被水流流沖出2.臨界水力坡降———使土體開始發(fā)生生滲透變形的水水力坡降GJ當土顆粒的重力力與滲透力相等等時，土顆粒不不受任何力作用用，好像處于懸懸浮狀態(tài)，這時時的水力坡降即即為臨界水力坡坡降或在工程計算中，，將土的臨界水水力坡降除以某某一安全系數Fs(2～3)，作為允許水力力坡降[i]。設計時，為保證證建筑物的安全全，將滲流逸出出處的水力坡降降控制在允許坡坡降[i]內二、滲透變形滲透水流將土體體的細顆粒沖走走、帶走或局部部土體產生移動動，導致土體變變形—————滲透變形問題（（流土，管涌））1.流土——在滲流作用下，，局部土體表面面隆起，或某一一范圍內土粒粒群同時發(fā)生移移動的現象流土發(fā)生于地基基或土壩下游滲滲流出逸處，不不發(fā)生于土體內內部。開挖基坑坑或渠道時常遇遇到的流砂現象象，屬于流土破破壞。細砂、粉粉砂、淤泥等較較易發(fā)生流土破破壞2.管涌——在滲流作作用下，，無粘性性土中的的細小顆顆粒通過過較大顆顆粒的孔孔隙，發(fā)發(fā)生移動動并被帶帶出的現現象土體在滲滲透水流流作用下下，細小小顆粒被被帶出，，孔隙逐逐漸增大大，形成成能穿越越地基的的細管狀狀滲流通通道，掏掏空地基基或壩體體，使其其變形或或失穩(wěn)。。管涌既既可以發(fā)發(fā)生在土土體內部部，也可可以發(fā)生生在滲流流出口處處，發(fā)展展一般有有個時間間過程，，是一種種漸進性性的破壞壞3.流土與管管涌的判判別——滲透變形形的形式式與土的的類別、、顆粒級級配以及及水力條條件等因因素有關關粘性土由由于粒間間具有粘粘聚力，，粘結較較緊，一一般不出出現管涌涌而只發(fā)發(fā)生流土土破壞；；一般認認為不均均勻系數數Cu>10的勻粒砂砂土，在在一定的的水力梯梯度下，，局部地地區(qū)較易易發(fā)生流流土破壞壞對Cu>10的砂和礫礫石、卵卵石，分分兩種情情況:1.當孔隙中中細粒含含量較少少（小于于30%）時，由由于阻力力較小，，只要較較小的水水力坡降降，就易易發(fā)生管管涌2.如孔隙中中細粒含含量較多多，以至至塞滿全全部孔隙隙（此時時細料含含量約為為30%－35%），此時時的阻力力最大，，一般不不出現管管涌而會會發(fā)生流流土現象象三、例題題分析【例】某土壩地地基土的的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下游滲流流出口處處經計算算水力坡坡降i為0.2，若取安安全系數數Fs為2.5，試問該該土壩地地基出口口處土體體是否會會發(fā)生流流土破壞壞【解答】臨界水力力坡降由于實際際水力坡坡降i<[i]，故土壩地地基出口口處土體體不會發(fā)發(fā)生流土土破壞允許水力力坡降§2.4滲滲流工程程問題與與處理措措施一、滲流流工程問問題1.地下水的的浮托作作用地下水不不僅對水水位以下下的土體體產生靜靜水壓力力和浮托托力，并并對建筑筑物基礎礎產生浮浮托力2.地下水的的潛蝕作作用在施工降降水等活活動過程程中產生生水頭差差，在滲滲透力作作用下，，土顆粒粒受到沖沖刷，將將細顆粒粒沖走，，破壞土土的結構構。通常產生生于粉細細砂、粉粉土地層層中3.流砂流砂在工工程施工工中能造造成大量量的土體體流動，，使地表表塌陷或或建筑物物的地基基破壞，，給施工工帶來很很大的困困難，影影響建筑筑工程的的穩(wěn)定。。通常易易在粉細細砂和粉粉土地層層中產生生，在地地下水位位以下的的基坑開開挖、埋埋設地下下管道、、打井等等工程活活動中常常出現返回本章章4.基坑突涌涌當基坑下下部有承承壓水層層時，開開挖基坑坑減小了了底板隔隔水層的的厚度，，當隔水水層較薄薄經受不不住承壓壓水頭壓壓力，承承壓水頭頭壓力就就會沖毀毀基坑底底板，這這種現象象稱為基坑突涌涌二、防滲滲處理措措施1.水工建筑筑物滲流流處理措措施水工建筑筑物的防防滲工程程措施一一般以“上堵下疏疏”為原則，，上游截截滲、延延長滲徑徑，下游游通暢滲滲透水流流，減小小滲透壓壓力，防防止?jié)B透透變形①垂直截滲滲主要目的的:延長滲徑徑，降低低上、下下游的水水力坡度度，若垂垂直截滲滲能完全全截斷透透水層，，防滲效效果更好好。垂直直截滲墻墻、帷幕幕灌漿、、板樁等等均屬于于垂直截截滲②設置水平平鋪蓋上游設置置水平鋪鋪蓋，與與壩體防防滲體連連接，延延長了水水流滲透透路徑粘土鋪蓋③設置反反濾層砂墊層水位加筋土工布回填中粗砂拋石棱體設置反濾濾層，既既可通暢暢水流，，又起到到保護土土體、防防止細粒粒流失而而產生滲滲透變形形的作用用。反濾層可可由粒徑徑不等的的無粘性性土組成成，也可可由土工工布代替替，上圖圖為某河河堤基礎礎加筋土土工布反反濾層④排水減壓壓粘性土含水層減壓井為減小下下游滲透透壓力，，在水工工建筑物物下游、、基坑開開挖時，，設置減減壓井或或深挖排排水槽2.基坑開挖挖防滲措措施①工程降水水采用明溝溝排水和和井點降降水的方方法人工工降低地地下水位位在基坑內內（外））設置排排水溝、、集水井井，用抽抽水設備備將地下下水從排排水溝或或集水井井排出原地下水位明溝排水原水位面一級抽水后水位二級抽水后水位多級井點降水要求地下下水位降降得較深深，采