第三章 土的渗透性及水的渗流第三章 土的渗透性及水的渗流水的渗流水在土孔隙通道中流动的现象本章主要介绍:土的渗透定律达西定律渗透系数及其测定渗透力及临界水力梯度土的渗透性土可以被水透过的性质，也称为土的 透水性渗透变形的类型及特点第三章 土的渗透性及水的渗流第一节 土的渗透问题概述浸润线流线等势线下游上游1.土坝蓄水后水透过坝身流向下游工程中常常会遇到水的渗流问题：H2.隧道开挖时，地下水向隧道内流动 第三章 土的渗透性及水的渗流3.渗流对边坡稳定的影响渗流 4.渗流对基坑开挖的影响第三章 土的渗透性及水的渗流第二节 土的渗透定律水在土中流动遵从水力学的连续方程和能量方程1.土中渗流的总水头差和水力梯度h=z+hw+hv 根据能量方程，相对于任意确定的基准面，土中一点的总水头h为：动水头hv与流速的平方成正比，由于水在土中渗流的速度一般很小，hv可以忽略不计wwzhzh第三章 土的渗透性及水的渗流总水头差h为水力梯度i也叫水力坡度或水力坡降，即沿渗流方 向单位流程的水头损失BAhhhLhiwhzhAB基准面hAzA总水头线（压力水头线）hBzBh测压管测压管wAWAhwBWBhL（流程）第三章 土的渗透性及水的渗流例题分析【例例1 1】渗透试验装置如图所示，试求：土样中aa、b b和c c三个截面的静水头和总水头；截面aa至c c，aa至b b及 b b至c c的水头损失；水在土样中渗流的水力梯度。
解答解答】取截面c c为基准面，则za=15+5=20cmhwa=10cmha=20+10=30cmzc=0cmhwc=5cmhc=0+5=5cm1510土样加水aabbcc55第三章 土的渗透性及水的渗流从截面aa至c c的水头损失hac为hac=30-5=25cm截面b b的总水头hb、势水头zb和静水头hwb分别为cm25.112520555155accbhhhzb=5cmhwb=11.25-5=6.25cm第三章 土的渗透性及水的渗流水在土样中渗流的水力梯度i可由hac、hab、hbc及相应的流程求得：25.12025515achihab=30-11.25=18.75cmhbc=11.25-5=6.25cm从截面aa至b b的水头损失hab及截面b b至c c的水头损失hbc各为第三章 土的渗透性及水的渗流2.达西渗透定律1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究试验装置试验装置第三章 土的渗透性及水的渗流v平均流速，为单位时间内流过土截面积的水量v=kiivO O砂土v=ki达西定律 当水在土中的流动形态属于层流时，水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比试验结论试验结论Aqv q=kAi第三章 土的渗透性及水的渗流讨论：讨论：密实的粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透；同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系 ib0iv密实粘土ib起始水力坡降达西定律适用条件达西定律适用条件适用于层流()bvk ii第三章 土的渗透性及水的渗流例题分析【例例2 2】试验装置如图，其中土样横截面积A=300cm2，土样1和土样2的渗透系数k1和k2分别为：k1=2.510-2cm/s，k2=1.510-1cm/s。
试求渗流时土样1和土样2的水力梯度i1和i2以及单位时间的渗流量q加水2040土样140土样2第三章 土的渗透性及水的渗流【解答解答】从图得总水头损失h=40cm该水头损失应为水流经土样1的水头损失h1与流经土样2的水头损失h2之和，即cm4021hhh 根据水流连续原理，土样1和土样2内渗流速度v1和v2应相等，即v1=v2222111LhkLhk加水2040土样140土样2式中L1=20cm，L2=40cm第三章 土的渗透性及水的渗流联立求解得：cm10cm3021hh水力梯度i1和i2计算如下：5.120301i25.040102i单位时间渗流量q按下式计算：/scm25.113005.1105.232q/scm25.1130025.0105.131q第三章 土的渗透性及水的渗流第三节 渗透系数及其测定 渗透系数k是评价土的渗透性的指标k值大的土，渗透性强，反之，渗透性弱1.渗透系数的实用意义2.渗透系数的影响因素土颗粒的粒径、级配和矿物成分土颗粒的粒径、级配和矿物成分土颗粒的粒径小，渗透系数小；级配好，渗透系数小；在含水量相同的情况下，蒙脱石的渗透系数比高岭石的小，伊利石的渗透系数居于两者之间。
第三章 土的渗透性及水的渗流土的孔隙比或孔隙率土的孔隙比或孔隙率 同一种土，孔隙比或孔隙率大，则土的密实度低，过水断面大，渗透系数也大；反之，渗透性弱土的结构和构造土的结构和构造 当孔隙比相同时，具有絮凝结构的粘性土，其渗 透系数比分散结构者大许多宏观构造上的成层性及扁平粘粒在沉积过程中的 定向排列，使得粘性土在水平方向的渗透系数往 往远大于垂直方向第三章 土的渗透性及水的渗流土的饱和度土的饱和度 如果土不是完全饱和而有封闭气体存在，土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低封闭气体含量愈多，土的渗透性愈小水的动力粘滞度水的动力粘滞度 动力粘滞度随水温发生明显的变化水温愈高，水的动力粘滞度愈小，土的渗透系数则愈大2020TTkk T、20分别为T和20时水的动力度，可从国家标准GBJ12388查得我国国家标准规定以20作为标准温度第三章 土的渗透性及水的渗流3.成层土的平均渗透系数水平渗透系数水平渗透系数 H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和 121xxxnxnixiqiHkqxx达西定律nnniixiHkiHkiHkq22111由此得：niiixHkHk11第三章 土的渗透性及水的渗流垂直渗透系数垂直渗透系数 H1H2H3k1k2k3H 根据水流连续定理，通过每一土层的渗流速度相等q3yq2yq1y 总水头损失等于各层水头损失之和 nniHiHiHHi2211nnykHkHkHHk2211nHHHH21nvvvv21根据达西定律nynyyyyyyyHkvHkvHkvHkv2211即：由此得：qy第三章 土的渗透性及水的渗流4.渗透系数的测定方法室内测定方法室内测定方法室内渗透试验有常水头和变水头两种试验方法。
常水头渗透试验整个试验过程中水头差保持不变适用范围：适用于砂土 hqvtkiAtkAtL时间t内流出的水量hAtVLk 渗透系数测定方法有室内测定方法和原位测定方法试验装置：如图 公式：第三章 土的渗透性及水的渗流变水头渗透试验整个试验过程水头差随时间变化试验装置：适用范围：适用于粘土 a第三章 土的渗透性及水的渗流管内减少水量流经试样水量 adh=kAh/Ldt 分离变量、积分 2112lnhhttAaLk2112lg3.2hhttAaLk公式：任一时刻t的水头差为h，经时段dt后，细玻璃管中水位降落dh，在时段dt内流经试样的水量 dV=adh 在时段dt内流经试样的水量 dV=kiAdt=kAh/Ldt 第三章 土的渗透性及水的渗流例题分析【例例3 3】在变水头渗透试验中，土样高3cm，其横截面积为32.2cm2，变水头管的内截面积为1.11cm2试验开始时总水头差为320cm，1h后降至315cm，求土样的k值解答解答】scmhhttAaLk/1052.4315320ln360012.32311.1ln72112a第三章 土的渗透性及水的渗流原位测定方法原位测定方法试验装置 原位试验能获得较为符合实际情况的土性参数，对于难以取得原状土样的粗颗粒土尤有重要意义。
r3r2r1 h0 抽水孔r0 h2h h1观测孔2观测孔1第三章 土的渗透性及水的渗流公式：d2drhqkrh分离变量、积分：2211dr2drhrhqkh hr得：222121ln-rqkrh h 如果只有一个观测孔，如只有观测孔1，则上式的h1和 h2各用h0和 h1代替，r1和r2分别代之以r0和r1即可第三章 土的渗透性及水的渗流第四节 渗透力及临界水力梯度 水是具有一定粘滞度的液体，当其在土中渗流时，对土颗粒有推动、摩擦和拖曳作用，它们综合形成的作用于土骨架的力，即为渗透力1.渗透力h2h1h21L 沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差h 土粒对水流的阻力应为 hAFw第三章 土的渗透性及水的渗流hAFJw 在根据牛顿第三定律，试样的总渗流力J和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反 渗流作用于单位土体的力wwiALhAALJj渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水力梯度成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对土体稳定性有显著的影响说明：第三章 土的渗透性及水的渗流2.临界水力梯度当水向上渗流时，向上的渗透力与土颗粒的浮重相等时，土颗粒处于失重或悬浮状态，这时的水力梯度即为临界水力梯度。
当水向上渗流时，渗透力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出当水向下渗流时，渗透力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定GJJG wLAhAwcri第三章 土的渗透性及水的渗流3.土的渗透破坏土由于受渗流作用而发生的破坏 土的渗透破坏主要有流土（或称流砂、翻砂）和管涌两种流土流土指水向上渗流时，在渗流出口处一定范围内，土颗粒或其集合体浮扬而向上移动或涌出的现象第三章 土的渗透性及水的渗流是否发生流土，可按下述原则来判断：若iicr，会发生流土破坏 设计计算时不仅应使iicrscrFii Fs为安全系数，其取值不一定，但大多数不小于1.5第三章 土的渗透性及水的渗流管涌管涌指在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙，发生移动并被带出的现象发生管涌，其水力梯度必须超过其临界值但应注意，管涌的临界水力梯度与流土的水力梯度不同，有关的研究工作还不够，尚无公认合适的计算公式第三章 土的渗透性及水的渗流 管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏流土只发生在渗流出口处，不发生在内部，破坏也比较突然流土与管涌的区别流土与管涌的区别 发生管涌的土一般为无粘性土，其产生的必要条件之一是土中含有适量的粗颗粒和细颗粒，且粗颗粒间的孔隙通道足够大，可容粒径较小的颗粒在其中顺水流翻滚移动。
而流土在各种土中都可能发生第三章 土的渗透性及水的渗流例题分析【例例4 4】设河水深2m，河床表层为细砂，其颗粒比重（相对密度）Gs=2.68，天然孔隙比e=0.8若将一井管沉至河底以下2.5m，并将管内的砂土全部挖出，再从井管内抽水，问井内水位降低多少时会引起流土破坏？【解答解答】设井内水位降低x时达到流土的临界状态，即crii 2.52.0河底水位井管x抽水从图可知第三章 土的渗透性及水的渗流5.2xi 故得wx5.2则wx5.2已知土的Gs和e，则其为3kN/m33.98.01168.21011eGsw于是得m33.21033.95.2x。