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第二章

第二章. 渗流、流土和湿化. §2.1 地下水引发的工程问题 §2.2 达西定律 §2.3 流网理论简介 §2.4 流土、管涌及其防治 §2.5 非饱和土的湿化及其危害. 水是土的一个组成成分，在地下工程中举足轻重。 有时我们需要地下水，但更多的是治水。由于水的原因造成重大工程事故并不少见。 对地下水的研究是土力学的一个重要内容。. 第 1 节 地下水引发的工程问题. 土中通常含有水，土中含水量的变化及土体中水的流动对土特性的影响非常大。有时这种影响可能会带来灾难。

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  1. 第二章 渗流、流土和湿化 §2.1 地下水引发的工程问题 §2.2 达西定律 §2.3 流网理论简介 §2.4 流土、管涌及其防治 §2.5非饱和土的湿化及其危害

  2. 水是土的一个组成成分，在地下工程中举足轻重。水是土的一个组成成分，在地下工程中举足轻重。 • 有时我们需要地下水，但更多的是治水。由于水的原因造成重大工程事故并不少见。 • 对地下水的研究是土力学的一个重要内容。

  3. 第1节 地下水引发的工程问题 土中通常含有水，土中含水量的变化及土体中水的流动对土特性的影响非常大。有时这种影响可能会带来灾难。 水对土特性影响的直观理解为：土的含水量小时，土比较硬；土中适当含水可使散粒土颗粒粘合在一起，使其具有一定的粘结强度，但当土的含水量过大时则会变软。 当水在土中流动较快时，将引起坝基渗流、基坑渗流、塌方、泥石流及流土、地下工程受淹等灾害。

  4. 土石坝坝基坝身渗流 土石坝 防渗斜墙及铺盖 浸润线 渗流量 透水层 渗透变形 不透水层 第1节 地下水引发的工程问题

  5. 板桩围护下的基坑渗流 板桩墙 渗水压力 基坑 渗流量 渗透变形 透水层 不透水层 第1节 地下水引发的工程问题

  6. 水井渗流 Q 渗流量 天然水面 漏斗状潜水面 透水层 不透水层 第1节 地下水引发的工程问题

  7. 渠道渗流 渗流量 渗流时地下水位 原地下水位 第1节 地下水引发的工程问题

  8. 第1节 地下水引发的工程问题 渗流滑坡 渗流滑坡

  9. 渗流作用造成大坝塌方 第1节 地下水引发的工程问题

  10. 雨后出现的山体滑坡事故 第1节 地下水引发的工程问题

  11. 小结 挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 边坡渗流 渗流量 渗水压力 渗透变形 渗流滑坡 土的渗透性及渗透规律 二维渗流及流网 渗透力与渗透变形 土坡稳定分析 渗流：水在土体孔隙中流动的现象。 渗透性：土具有被水等液体透过的性质。 渗透力：流经土体的水流对土颗粒和土体施加的作用力。 第1节 地下水引发的工程问题

  12. 本章内容 第1节 地下水引发的工程问题 第2节 达西定律 第3节 流网理论简介 第4节 流土、管涌及其防治 第5节 非饱和土的湿化及其危害

  13. 第2节 达西定律 水在土的孔隙中流动，其形式可以分为： 层流：水的流速很慢，认为相邻两个水分子运动轨迹相互平行而不混掺。 紊流：紊流与层流的意义相反。 紊流 层流 层流 紊流

  14. 2.1 渗流定律 一、贝努力定律 贝努力定律是指水的流动符合能量守恒原理，如果忽略不计由摩擦等引起的能量损失，则贝努力定律可以用下式表示: 总水头 －单位质量水体所具有的能量 第2节 达西定律

  15. A B L 水力坡降线 Δh z：位置水头 u/γw：压力水头 h1 V2/(2g)：流速水头≈0 h2 zA zB 总水头： 0 0 基准面 A点总水头： 水力坡降： B点总水头： 第2节 达西定律

  16. 三者的和称为总水头，因为土中的水的流速小，速度水头项忽略不计时:三者的和称为总水头，因为土中的水的流速小，速度水头项忽略不计时: 所以土中水流动的时候，是从位置水头与压力水头的和，即总水头（称之为势）h高的地方向低的地方流。常说的“水从高处向低处流”，在这里不只是位置水头z，还应该加上压力水头，应该理解成为水从总水头（势）h的高处向低处流。 第2节 达西定律

  17. 二. 渗透试验与达西定律 1.渗透试验 • 试验前提：层流 • 试验装置：如图 • 试验条件:h1，A，L=const • 量测变量:h2，V，T • 试验结果 Δh=h1-h2 Q=V/T 断面平均流速 Δh↑，Q↑ A↑，Q↑ L↑， Q↓ 水力坡降 第2节 达西定律

  18. 2.达西定律 • 渗透定律 k: 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 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。 注意： 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 A A > Av Q＝VA ＝ VsAv Av 第2节 达西定律

  19. 适用条件 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 v vcr • 两种特例 o i 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 v 粘性土： 致密的粘土 i>i0, v=k(i - i0 ) o i i0 第2节 达西定律

  20. 三. 渗透系数的测定 测定土的渗透系数的方法有: 室内试验测定方法 野外试验测定方法 常水头试验法 变水头试验法 井孔抽水试验 井孔注水试验 第2节 达西定律

  21. 1.常水头渗透试验 该试验适用于渗透性大的粗颗粒土。试验装置如图所示，圆柱体试料断面积为A，长度为l，保持水头差h不变，测定经过一定时间t的透水量是V，渗透系数k可根据式导出如下： 第2节 达西定律

  22. 例题2.1 在图2.2所示的常水头渗透试验（h=45cm，l=25cm）中，若土试样的断面积是120cm2，渗透系数是2.5×10-2cm/sec，求10sec内土的透水量。 解: 已知 A=120cm2，k =2.5×10-2cm/sec，t =10sec， h=45cm，l=25cm 根据常水头渗透试验透水量公式，得10sec内土的透水量为: cm3 第2节 达西定律

  23. 2.变水头渗透试验 该试验适用于:渗透系数较小的细砂及粉砂。 如图所示，圆柱体试样断面积为A，长度为l，在试验中测压管的水位在不断下降，测定从时间t1到t2时测压管的水位h1和h2后，渗透系数可以按照以下的方法求出: 设在任意时刻测压管的水位为h(变数)，水力坡降i=h/l。在dt时间内，断面积为A的测压管水位下降了dh,则 第2节 达西定律

  24. 3.现场抽水试验 观察井 野外测定方法－抽水试验和注水试验法 r2 i=dh/dr A=2πrh r 抽水量Q r1 dr dh 井 h2 h h1 地下水位≈测压管水面 不透水层 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 第2节 达西定律

  25. 第2节 达西定律 4.层状地基的等效渗透系数 水平渗流 条件: 1 Δh 2 x q1x z k1 H1 等效渗透系数: H q2x H2 k2 qx=vxH=kxiH H3 q3x k3 Σqix=ΣkiiiHi 2 1 不透水层 L 第2节 达西定律

  26. 竖直渗流: 条件: Δh x 等效渗透系数: z k1 H1 vi = ki (Δhi/Hi) H H2 k2 v H3 k3 承压水 第2节 达西定律

  27. 层状地基的等效渗透系数 天然土层多呈层状 • 确立各层的ki • 根据渗流方向确定等效渗流系数 等效渗透系数

  28. 水平渗流情形 垂直渗流情形 条件 已知 等效 推定 第2节 达西定律

  29. 第2节 达西定律 5.渗透系数的影响因素分析 • 粒径大小及级配 • 孔隙比 • 矿物成分 • 结构性 • 水的动力粘滞系数 • 饱和度（含气量）对k影响很大，封闭气泡 第2节 达西定律

  30. 例题2.3某水平堆积而成的成层土的层厚自上而下分别为H1，H2，…，Hn，水平渗透系数分别是Kx1，Kx2，…，Kxn，垂直渗透系数分别是Kz1，Kz2，…，Kzn，如果上下面的总水头差是Δh。例题2.3某水平堆积而成的成层土的层厚自上而下分别为H1，H2，…，Hn，水平渗透系数分别是Kx1，Kx2，…，Kxn，垂直渗透系数分别是Kz1，Kz2，…，Kzn，如果上下面的总水头差是Δh。 （1）试求水平透水时总水平渗透系数Kx。提示： )； （2）试求垂直透水时总垂直渗透系数Kz。提示： 第2节 达西定律

  31. 第2节 达西定律

  32. 解: (1)水平透水时各层土的水力坡降（或水头差）相等，单位面积上的总水平透水量等于各层透水量之和，即: ， 第2节 达西定律

  33. 易知垂直透水时，各层土单位面积上的垂直透水量相等，有:易知垂直透水时，各层土单位面积上的垂直透水量相等，有: 又因为总垂直透水量为: 故总垂直渗透系数为: 第2节 达西定律

  34. 算例说明 按层厚加权平均，由较大值控制 倒数层厚加权平均，由较小值控制 第2节 达西定律

  35. 本节小结 能量方程 一．渗流中的水头与水力坡降 渗流速度的规律 二．渗透试验与达西定律 渗透特性 三．渗透系数的测定及影响因素 地基的渗透系数 四．层状地基的等效渗透系数 第2节 达西定律

  36. 本章内容 第1节 地下水引发的工程问题 第2节 达西定律 第3节 流网理论简介 第4节 流土、管涌及其防治 第5节 非饱和土的湿化及其危害

  37. 第3节流网理论简介 一、流网性质 由流线和等势线组成的网格叫流网。流线和等势线正交，所以把网格在局部绘制成正方形是很方便的。这里，所谓的正方形，是指图所示的与圆外切的方块形。

  38. 第3节 流网理论简介 为了了解这种正方形流网的性质，如图所示，从流网中取出三个正方形网目A,B,C。设A和B的内接圆直径分别是d1，d2，通过包含A，B在内的流线间的（称为流管）流量不变，根据达西定律q=kiA，有： 式中:(d1χ1）和（d2χ1）表示与流线正交的断面积的单位厚度。由上式得Δh =Δhˊ， 性质Ⅰ:表示各正方形网格的水头损失相等,即各等高线上水位相等。

  39. 第3节 流网理论简介 设C的内接圆直径为d3，比较通过相同的等势线中的两部分A和B的透水量 性质Ⅱ:各流管内的流量是相等的q=q′

  40. △h l s H s l 0 第3节 流网理论简介 二.流网的绘制及应用 基本要求： 1. 正交性：流线与等势线必须正交 2. 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。

  41. 第3节 流网理论简介 A 绘制方法 △h l s D 根据渗流场的边界条件 B H s l 确定边界流线和首尾等势线 C 0 0 正交性 流线→等势线→反复修改，调整 初步绘制流网 曲边正方形 一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成。 精度较高的流网图

  42. 第4节 流网理论简介 △h l s H s l 0 流网特点： 1.与上下游水位变化无关 Δh=const； 2.与k无关； 3.等势线上各点测管水头h相等。

  43. △h l s H s l 0 第3节 流网理论简介 实际应用： 1.测管水头 h 2.水力坡降 3.确定孔压 4.确定流速 5. 确定流量

  44. 第3节 流网理论简介 例题2.4 在图2.9中，H1=11m，H2=2m，板桩的入土深度是5m，地基土的渗透系数是5×10-4cm/sec，土的比重Gs=2.69，孔隙率n=39%。 （1）求图中点A和点B的孔隙水压力。 （2）求每1m板桩宽的透水量。

  45. 第3节 流网理论简介 解： (1)在图2.9中，流网网格Nd=10，Nf=5， 总水头H1－H2 =11－2 = 9m，则每个网格的水头损失 ⊿h = 9/10 = 0.9m。 A、B两点的孔隙水压力分别为： uA=(5+11－0.9)×9.8=148.0kN/m2 uB=(5+11－0.9×9)×=77.4kN/m2 (2)已知渗透系为5×10-4cm/sec=0.432m/day，根据公式流网可求得透水量

  46. 本章内容 第1节地下水的基本知识 第2节 地下水引发的工程问题 第3节 层流渗透定律 第4节 流网理论简介 第5节 流土、管涌及其防治 第6节 非饱和土的湿化及其危害

  47. 土样 第5节 流土、管涌及其防治 一、渗透力 渗透力:渗流水作用于单位 体积土体上的力（体力). a b 1.Δh=0静水中，土骨架会受到 浮力作用。 2.Δh>0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。 3.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。 Δh 贮水器 h1 hw h2 L 0 0 滤网

  48. 如图所示，渗透力来源于沿着流线的孔隙水压力的差Δu。 设a为流管的横截面积，则渗透力（单位体积力）推导如下： 1.点A、B两端的静水压力分别为： 和 2.流管中水柱自重为： 3.设单位体积土对渗流水的阻力为T, 则土骨架对渗流水的总阻力为：TLa 4.沿水柱方向，列全部作用于水柱上力的平衡方程为： -Δh 压力水头h2 压力水头h1 截面面积a 总水头H1 总水头H2 B α TLa 位置水z2 位置水头z1 A L 基准面 第5节 流土、管涌及其防治

  49. h1=H1-z1；h2=H2-z2 在图中，存在以下几何关系： 所以渗透力 j为 当水力坡降i大于或等于某个特定值，正好使渗透力j大于或等于土的有效重量时，土体处于流土状态。称这个特定值icr为临界水力坡降。 -Δh 压力水头h2 压力水头h1 截面面积a 总水头H1 总水头H2 B α TLa 位置水z2 位置水头z1 A L 基准面 第5节 流土、管涌及其防治

  50. 式中，Gs和e分别为土颗粒的比重和孔隙比，如取Gs=2.7，当e=0.5~1.0 时，土的临界水力坡降icr=0.85~1.13。在工程估算时常近似按icr=1来考虑。 第5节 流土、管涌及其防治

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