渗透与渗流

土的渗透性和渗流问题§2.2土的渗透性第二章土的渗透性和渗流问题§2.3二维渗流与流网§2.4渗透力与渗透变形§2.1概述碎散性多孔介质三相体系孔隙流体流动渗流渗透性土具有被水、气等液体透过的性质渗透特性强度特性变形特性非饱和土的渗透性饱和土的渗透性2.1概述能量差水、气等在土体孔隙中流动的现象渗流量问题渗透力和水压力问题渗透变形问题渗流控制问题渗流量渗透变形石坝浸润线透水层不透水层石坝坝基坝身渗流渗透压力渗流量渗透变形透水层不透水层基坑板桩墙板桩围护下的基坑渗流一、渗流中的水头与水力坡降ABL透水层不透水层基坑§2.2土的渗透性与渗透规律ABLh1h2zAwAuwBuzBΔh00基准面gvuzhAwAA221gvuzhBwBB222hhh21gvuzhw22LhiA点总水头：B点总水头：总水头：水力梯度：z：位置水头u—水压力，孔隙水压力v－渗流流速水力坡降线伯努里方程：用能量的方式来表达，为表达方便常用水头来表示二、渗透试验与达西定律试验前提：层流LhAQ断面平均流速水力坡降AQvLhiiv1.渗透试验试验结果试验装置：如图试验条件:h1，A，L=const量测变量:h2，V，TΔh=h1-h2Q=V.T2.达西定律ikvnvvvs渗透定律在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i的一次方成正比，并与土的性质有关。iv注意：AAnvV：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度Vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度AAvQ＝VA＝VsAvk:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力坡降i＝1时的渗流速度单位：mm/s,cm/s,m/s,m/day粗粒土：①砾石类土中的渗流不符合达西定律②砂土中渗透速度vcr=0.3-0.5cm/s适用条件ivovcrivi0层流（线性流）——大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土两种特例粘性土：致密的粘土ii0,v=k(i-i0))1m(kivm三、渗透系数的测定及影响因素室内试验测定方法常水头试验法变水头试验法井孔抽水试验井孔注水试验1.测定方法野外试验测定方法常水头试验变水头试验条件已知测定算定取值Δh=constΔh变化Δh，A，LV，t重复试验后，取均值a，A，LΔh，t21hhlnAtaLkhtAVLk室内试验方法不同时段试验，取均值适用粗粒土粘性土2.影响因素土粒特性流体特性粒径大小及级配孔隙比矿物成分结构饱和度（含气量）—对k影响很大，封闭气泡水的动力粘滞系数（水温）四、层状地基的等效渗透系数等效渗透系数确立各层的ki根据渗流方向确定等效渗流系数天然土层多呈层状水平渗流情形垂直渗流情形条件已知等效推定Lhii;HH;qqiii...k...;H,H121iHkqxiixHkH1kii2121HH;hh;v...vv;q...qq...k,k...;H,H2121HhkikvzziizkHHk§2.3平面渗流与流网Laplace方程一、平面渗流的基本方程及求解连续性条件zxkk假定：Δh对于稳定渗流h=h(x,z),v=v(x,z)取单宽：dy=1与时间无关达西定律平面渗流的基本方程1.基本方程02222zhxhzxzvxvdxxvvxxdzzvvzz0zvxvzxzhkvxhkvzzxx;连续性条件达西定律11dxvdzvdqzxe1)(1)(dxdzzvvdzdxxvvdqzzxxooedqdq02222zhxh02222zhkxhkzxLaplace方程取任一单元体dxdz单宽：dy=1zxkk假定)(土体各向同性解析方法试验比拟方法（电比拟方法）数值方法图解法流网——近似求解方法适用于边界条件简单的情况通解：两个共轭调和函数势函数流函数等势线流线相互正交边界条件特定解差分法、有限元方法，精度高，应用广泛利用渗流场和电场均服从Laplace方程这一特点，按一定比例制作模型，用电场中的等势线和流线来模拟渗流场中的等势线和流线，以达到确定渗流场中渗流要素的目的。理论基础：解析法的结果二、流网的绘制及应用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。基本要求1.正交性：流线与等势线必须正交H△h0lsls2.各个网格的长宽比c应为常数。取c=1，即为曲边正方形3.在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。ABCDlsH△h00ls绘制方法根据渗流场的边界条件确定边界流线和首尾等势线正交性曲边正方形流线→等势线→反复修改，调整精度较高的流网图初步绘制流网流网特点与上下游水位变化无关Δh=const；与k无关；等势线上各点测管水头h相等；相邻等势线间的水头损失相等；各流槽的渗流量相等。测管水头h实际应用l/Hi）（zhhiiikvHMkMqq;HkslHkqiiii确定孔压确定流速确定流量水力坡降H△h0lslsM:流槽数ΔH=Δh/N:相邻等势线间的水头损失例题见p67例题2-5Laplace方程（基本方程）连续性条件达西定律假定kx=kz流线方程水头描述势函数流线描述流函数共轭、正交理论基础边界条件小结求解平面渗流的基本方程及求解流网的绘制及应用实际应用基本要求主要特点绘制方法§2.4渗透力与渗透稳定性一、渗透力（动水力）试验观察Δh0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Δh=0静水中，土骨架会受到浮力作用。一.渗透力h1Δhh200hwL土样滤网贮水器ab土粒渗流j渗透力与浮力有何区别？2、物理本质h200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1W=Lγsat＝L(γ+γw)P1=γwhwP2=γwh2R=?R+P2=W+P1R+γwh2=L(γ+γw)+γwhwR=γL—土水整体分析3、渗透力计算方法h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1W=Lγsat＝L(γ+γw)P1=γwhwP2=γwh1R=?R+P2=W+P1R+γwh1=L(γ+γw)+γwhwR=γL－γwΔhR=γL渗流中的土体土水整体分析h1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1R静水中的土体A=1R=γL-γwΔhR=γL渗流中的土体向上渗流存在时，滤网支持力减少减少的部分由谁承担？水与土之间的作用力－渗流的拖曳力总渗透力J=γwΔh渗透力j=J/V=γwΔh/L=γwij=γwih1Δhh200hwL土样滤网贮水器abP2WP1RA=1R=γL－γwΔh渗流中的土体所受滤网支持力向上渗流存在时，滤网支持力减少临界水力坡降i=Δh/L=γ/γwicr=γ/γwγL－γwΔh=0e1)1G(wse11Giscr土水整体分析P2WP1Rh1Δhh200hwL土样滤网贮水器abA=1P1+Ww+J=P2水体的平衡条件j=γwiγwhw+γwL+jL=γwh1W’JWwJ’=R+P2P1P1=γwhwP2=γwh1Ww=Vvγw+Vsγw=LγwiLhL)Lhh(j土水隔离分析渗透力的性质物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力j=γwi大小：方向：与i方向一致（均质土与渗流方向一致）作用对象：土骨架利用流网求渗透力复杂条件总渗透力大小：j网格面积方向：与i方向一致（均质土：流线）作用点：形心ij流网较密处i较大，该处渗透力也大不同位置的渗透力对土体稳定性的影响不同jAsljJsHsljJHHi;jllH△h0lsls一.渗透力基本类型二.渗透变形（渗透破坏）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1.流土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粘性土k1k2砂性土k2坝体渗流crii0JW11scrGie原因：和土的密实程度有关在渗流作用下，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。2.管涌管涌原因：内因——有足够多的粗颗粒形成大于细粒径的孔隙通道外因——渗透力足够大管涌管涌破坏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位置土类历时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形成条件scrFiiiFs:安全系数1.5～2.0[i]:允许坡降iicr:i=icr:iicr: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：无压重时：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P(%)lgd骨架充填料P53d5d3较均匀土（Cu≤10）级配孔隙及细粒判定非管涌土粗粒形成的孔隙通道小于细粒径不均匀土（Cu10）不连续连续D0=0.25d20细粒含量35%细粒含量25%细粒含量=25-35%D0d3D0d5D0=d3-d5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3.防治措施scrFiii增大[i]：下游增加透水盖重防治流土土石坝防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层减小i：上游延长渗径；下游减小水压防治管涌改善几何条件：设反滤层等改善水力条件：减小渗透坡降作业：p78-81习题2-4，2-5，2-7，2-10