土力学完整课件土的渗透性.pptx

土力学完整课件土的渗透性渗流量渗透变形土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线透水层不透水层土石坝坝基坝身渗流渗流量渗透变形透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下得基坑渗流第6次课透水层不透水层天然水面天然水面水井渗流水井渗流漏斗状潜水面漏斗状潜水面Q渗流量渗流量原地下水位渗流时地下水位渠道渗流Teton坝坝损失损失:直接直接80008000万美元万美元,起诉起诉55005500起起,2 2、5 5亿美元亿美元,死死1414人人,受灾受灾2 2、5 5万人万人,6060万亩土地万亩土地,3232公里铁路公里铁路原因原因:管涌管涌土坝位于美国土坝位于美国Idaho州州Teton河上河上,防洪、灌溉、发电、防洪、灌溉、发电、旅游综合利用旅游综合利用,装机装机16MW,最大坝高最大坝高126、5m,坝顶长坝顶长945m。建于建于1972-751972-75年年,75,75年年1111月开始蓄水月开始蓄水,7676年春洪水年春洪水期间水位迅速上升期间水位迅速上升,达达1 1、2m/d2m/d。6 6月月5 5日上午日上午11:5511:55发生溃发生溃坝。下图就是现在得景象坝。下图就是现在得景象Teton坝坝1976年6月5日上午10:30左右,下游坝面有水渗出并带出泥土。Teton坝坝1111:0000左右洞口不断扩大并向坝顶靠近,泥水流量增加TetonTeton坝坝11:30洞口继续向上扩大,泥水冲蚀了坝基,主洞得上方又出现一渗水洞。流出得泥水开始冲击坝趾处得设施。10大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流11:50左右洞口扩大加速,泥水对坝基得冲蚀更加剧烈。TetonTeton坝坝11:57 坝坡坍塌,泥水狂泻而下TetonTeton坝坝12:00过后坍塌口加宽TetonTeton坝坝洪水扫过下游谷底,附近所有设施被彻底摧毁TetonTeton坝坝失事现场目前得状况TetonTeton坝坝2-2 达西定律1856年法国学者达西对年法国学者达西对砂土得渗透性进行研究砂土得渗透性进行研究结论结论:(水在土中得水在土中得)渗透速度与渗透速度与水力梯度成正比。水力梯度成正比。v=ki达西定律达西定律水头梯度水头梯度,即沿渗流方向单即沿渗流方向单位位距离得水头损失距离得水头损失 一、达西定律得内容一、达西定律得内容水头梯度又称水力梯度水力梯度、水水力坡降力坡降。n二、达西定律适用范围二、达西定律适用范围达西定律达西定律讨论讨论:砂土中得渗透速度与砂土中得渗透速度与水头梯度呈线性关系水头梯度呈线性关系 密实得黏土密实得黏土,需要克服需要克服结合水膜得黏滞阻力结合水膜得黏滞阻力后才能发生渗透后才能发生渗透;同时同时渗透系数与水头梯度渗透系数与水头梯度呈非线性关系。呈非线性关系。ib起始水起始水力坡降力坡降虚直线简化虚直线简化达西定律适用于层达西定律适用于层流，不适用于紊流流，不适用于紊流v=kiivO O砂土砂土0iv密实黏土密实黏土水头:单位重量得水所具有得能量。水力梯度(坡降)总水头线总水头势水头压力水头动水头三、渗透系数及其确定方法渗透试验渗透试验(室内室内)时间时间 t 内流出得水量内流出得水量1 1、常水头试验常水头试验整个试验过程中整个试验过程中水头保持不变水头保持不变 适用于透水性大适用于透水性大(k10-3cm/s)得土得土,例例如砂土。如砂土。h 2、变水头试验整个试验过程水头随时间变化 截面面积截面面积a任一时刻任一时刻t t得水头差为得水头差为h,经时段经时段dt后后,细玻璃管中水位降落细玻璃管中水位降落dh,在时段在时段dt内管内减少得水量内管内减少得水量 dV=adh 在时段在时段dt 内流经试样得水量内流经试样得水量 dV=kiAdt=kAh/Ldt 管内减少水量流经试样水量 adh=kAh/Ldt 分离变量 积分 适用于透水性差,渗透系数小得黏性土 n四、影响渗透系数得因数四、影响渗透系数得因数1、土粒大小与级配土粒大小与级配 细粒含量愈多细粒含量愈多,土得渗透性愈小土得渗透性愈小,例如砂土中粉粒及黏粒含量愈例如砂土中粉粒及黏粒含量愈多时多时,砂土得渗透系数就会大大减小。砂土得渗透系数就会大大减小。2、土得密实度土得密实度 3、水得温度水得温度 同种土在不同得密实状态下具有不同得渗透系数同种土在不同得密实状态下具有不同得渗透系数,土得密实度增土得密实度增大大,孔隙比降低孔隙比降低,土得渗透性也减小。土得渗透性也减小。水温愈高水温愈高,水得动力黏滞系数愈小水得动力黏滞系数愈小,土得渗透系数则愈大。常以水土得渗透系数则愈大。常以水温为温为10C10C时时k k1010作为标准值。作为标准值。4、土中封闭气体含量土中封闭气体含量 土中封闭气体阻塞渗流通道土中封闭气体阻塞渗流通道,使土得渗透系数降低。封闭气体含使土得渗透系数降低。封闭气体含量愈多量愈多,土得渗透性愈小。土得渗透性愈小。T、10分别为分别为T和和10时水时水得动力黏滞系数得动力黏滞系数,可查表可查表 n五、成层土得渗透系数五、成层土得渗透系数1、水平渗透系数水平渗透系数 通过整个土层得总渗流量通过整个土层得总渗流量qx应为各土层渗流量之总和应为各土层渗流量之总和 达西定律达西定律整个土层与层面平整个土层与层面平行得等效渗透系数行得等效渗透系数 平均渗透系数平均渗透系数即为厚度加权平均值在在z轴方向取轴方向取1延米土体来分析延米土体来分析2、竖直渗透系数竖直渗透系数 根据渗透水流连续条件根据渗透水流连续条件,通过整个土通过整个土层得渗流量等于通过各土层得渗流层得渗流量等于通过各土层得渗流量量 竖直渗透系数竖直渗透系数第第j j层土得水力坡降为层土得水力坡降为ij,总得水总得水力坡降为力坡降为i 总水头损失等于各层水总水头损失等于各层水头损失之和头损失之和 整个土层与层面垂直整个土层与层面垂直得等效渗透系数得等效渗透系数 (2)(3)(2)式代入式代入(3)式整理后式整理后,得得(1)例题分析例题分析n【例】设做变水头渗透试验得黏土试样得截面积为设做变水头渗透试验得黏土试样得截面积为30cm2,厚度为厚度为4cm,渗透仪细玻璃管得内径为渗透仪细玻璃管得内径为0、4cm,试验开始时得水位差为试验开始时得水位差为160cm,经时段经时段15分钟分钟后后,观察得水位差为观察得水位差为52cm,试验时得水温为试验时得水温为30,试试求试样得渗透系数求试样得渗透系数 【解解】已知试样截面积已知试样截面积A=30cm2,渗径长度渗径长度L=4cm,细玻璃管得内截面细玻璃管得内截面积积 h1=160cm,h2=52cm,t=900s 试样在试样在30时得渗透系数时得渗透系数 2-3 渗透力与渗透变形n一、渗透力和临界水力坡降一、渗透力和临界水力坡降1、渗透力渗透力GD D渗透水流作用在单位体积土体中土颗粒上得渗透水流作用在单位体积土体中土颗粒上得力。其方向与渗流方向一致力。其方向与渗流方向一致,单位单位:kN/m3。又称动水力或渗流力。又称动水力或渗流力h2h1h21L水流流经这段土体水流流经这段土体,受到土颗受到土颗粒得阻力粒得阻力T,T为渗透力为渗透力GD得反得反作用力作用力、水在土体中流动时要受到土粒得阻力作用,反过来土粒也必然作用着一个反作用力,这就就是渗透力。以长度L范围内得水体作为脱离体P1P2TAL由脱离体静力平衡条件有特别注意特别注意:GD就是体积力就是体积力,作用在土作用在土粒骨架上粒骨架上,方向与渗流方向一致。方向与渗流方向一致。渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对渗透力的存在，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土体稳定性有显著的影响abc渗透力方向与渗透力方向与重力一致重力一致,促促使土体压密、使土体压密、强度提高强度提高,有有利于土体稳定利于土体稳定渗流方向近乎水平渗流方向近乎水平,使土使土粒产生向下游移动得趋势粒产生向下游移动得趋势,对稳定不利对稳定不利渗流力与重力方向相渗流力与重力方向相反反,当渗透力大于土当渗透力大于土体得有效重度体得有效重度,土粒土粒将被水流冲出将被水流冲出2、临界水力坡降临界水力坡降使土体开始发生渗透变形得水力坡降使土体开始发生渗透变形得水力坡降 当渗透水流自下而上时当渗透水流自下而上时,如渗透力与土颗粒得重力相如渗透力与土颗粒得重力相等等,则土颗粒处于悬浮状态则土颗粒处于悬浮状态,这时得水力坡降即为临这时得水力坡降即为临界水力坡降。界水力坡降。在工程计算中在工程计算中,将土得临界水力坡降除以某一安全系数将土得临界水力坡降除以某一安全系数Fs(23),作为允许水力坡降作为允许水力坡降i。设计时。设计时,为保证建筑物得安全为保证建筑物得安全,将渗将渗流逸出处得水力坡降控制在允许坡降流逸出处得水力坡降控制在允许坡降i内内GD或n二、渗透变形二、渗透变形 渗透水流将土体中得细颗粒冲走、带走或局部土体产生移渗透水流将土体中得细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动动,导致土体变形导致土体变形渗透变形问题渗透变形问题(流土流土,管涌管涌)1、流土流土在渗流作用下在渗流作用下,局部土体表面隆起局部土体表面隆起,或某一范围内土或某一范围内土 粒群同时发生移动得现象粒群同时发生移动得现象 流土发生于地基或土坝下游渗流逸出口流土发生于地基或土坝下游渗流逸出口,不发生于土体内部。不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到得流砂现象开挖基坑或渠道时常遇到得流砂现象,属于流土破坏。细砂、属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏粉砂、淤泥等较易发生流土破坏 2、管涌管涌在渗流作用下在渗流作用下,土中得细小颗粒穿过较大颗粒间得土中得细小颗粒穿过较大颗粒间得孔隙发生移动并被带出得现象。孔隙发生移动并被带出得现象。土体在渗透水流作用下土体在渗透水流作用下,细小颗粒被带出细小颗粒被带出,孔隙逐渐增大孔隙逐渐增大,形成能形成能穿越土体得细管状渗流通道穿越土体得细管状渗流通道,掏空地基或堤坝掏空地基或堤坝,使其变形或失稳。使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部管涌既可以发生在土体内部,也可以发生在渗流出口处。她得发也可以发生在渗流出口处。她得发生一般有个时间过程生一般有个时间过程,就是一种渐进性得破坏就是一种渐进性得破坏 。3、流土与管涌得判别流土与管涌得判别渗透变形得形式与土得类别、颗粒级配渗透变形得形式与土得类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关。以及水力条件等因素有关。黏性土由于粒间具有黏聚力黏性土由于粒间具有黏聚力,黏结较紧黏结较紧,一般不出现管涌而只发一般不出现管涌而只发生流土破坏生流土破坏;一般认为不均匀系数一般认为不均匀系数Cu10得砂和砾石、卵石得砂和砾石、卵石,分两种情况分两种情况:1、当孔隙中细粒含量较少当孔隙中细粒含量较少(小于小于30%)时时,由于阻力较小由于阻力较小,只要只要较小得水力坡降较小得水力坡降,就易发生管涌就易发生管涌;2、如孔隙中细粒含量较多如孔隙中细粒含量较多,以至塞满全部孔隙以至塞满全部孔隙(此时细料含量此时细料含量约为约为30%35%),),此时得阻力最大此时得阻力最大,一般不出现管涌而会发生一般不出现管涌而会发生流土现象。流土现象。三、例题分析三、例题分析n【例】某土坝地基土得土粒相对密度某土坝地基土得土粒相对密度Gs=2、68,孔隙比孔隙比e=0、82,下游渗流出口处经计算得水力坡降下游渗流出口处经计算得水力坡降i为为0、2,若取安全系若取安全系数数Fs为为2、5,试问该土坝地基出口处土体就是否会发生流土试问该土坝地基出口处土体就是否会发生流土破坏破坏 。【解解】临界水力坡降临界水力坡降 由于实际水力坡降由于实际水力坡降i=0、2 i,故土坝地基出口处土体不会故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏。发生流土破坏。允许水力坡降允许水力坡降 2-4 渗流工程问题与处理措施 n一、渗流工程问题一、渗流工程问题1、地下水得浮托作用地下水得浮托作用 地下水不仅对水位以下得土体产生静水压力和浮托力地下水不仅对水位以下得土体产生静水压力和浮托力,并对建并对建筑物基础产生浮托力筑物基础产生浮托力 2、地下水得潜蚀作地下水得潜蚀作用用 在施工降水等过程中产生水头差在施工降水等过程中产生水头差,在渗流作用下发生管涌在渗流作用下发生管涌,将将细颗粒冲走细颗粒冲走,破坏土得结构。破坏土得结构。通常产生于粉细砂、粉土地层中。通常产生于粉细砂、粉土地层中。3、流砂流砂 流砂在工程施工中能造成大量得土体流动流砂在工程施工中能造成大量得土体流动,使地表塌陷或建使地表塌陷或建筑物得地基破坏筑物得地基破坏,给施工带来很大得困难给施工带来很大得困难,影响建筑工程得稳定。影响建筑工程得稳定。通常易在粉细砂地层中产生通常易在粉细砂地层中产生,在地下水位以下得基坑开挖、埋设在地下水位以下得基坑开挖、埋设地下管道、打井等工程活动中常出现地下管道、打井等工程活动中常出现 。4、基坑突涌基坑突涌 当基坑下部有承压水层时当基坑下部有承压水层时,开挖基坑减小了底板隔水层得厚度开挖基坑减小了底板隔水层得厚度,当隔水层较薄经受不住承压水头压力当隔水层较薄经受不住承压水头压力,承压水头压力就会冲毁基坑承压水头压力就会冲毁基坑底板底板,这种现象称为基坑突涌。这种现象称为基坑突涌。n二、防渗处理措施二、防渗处理措施1、水工建筑物渗流处理措施水工建筑物渗流处理措施 水工建筑物得防渗工程措施一般以水工建筑物得防渗工程措施一般以“上堵下疏上堵下疏”为原则为原则,上上游截渗、延长渗径游截渗、延长渗径,下游则保证渗流通畅下游则保证渗流通畅,减小渗透压力减小渗透压力,防止渗防止渗透变形透变形 。垂直截渗垂直截渗 主要目得主要目得:延长渗径延长渗径,降低上、下游得水力坡度。若垂直截渗能完降低上、下游得水力坡度。若垂直截渗能完全截断透水层全截断透水层,防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗。属于垂直截渗。设置水平铺盖设置水平铺盖 上游设置水平铺盖上游设置水平铺盖,与坝体防渗体连接与坝体防渗体连接,延长了水流渗透路径。延长了水流渗透路径。黏土铺盖黏土铺盖设置反滤层设置反滤层 砂垫层砂垫层水位水位加筋土工布加筋土工布回填中粗砂回填中粗砂抛石棱体抛石棱体设置反滤层设置反滤层,既可通畅水流既可通畅水流,又起到保护土体、防止细粒流失而产又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形得作用。反滤层可由粒径不等得无黏性土组成生渗透变形得作用。反滤层可由粒径不等得无黏性土组成,也可由也可由土工布代替土工布代替,上图为某河堤基础加筋土工布反滤层。上图为某河堤基础加筋土工布反滤层。排水减压排水减压 黏性土黏性土含水层含水层减压井减压井为减小下游渗透压力为减小下游渗透压力,在水工建筑物下游、基坑开挖时在水工建筑物下游、基坑开挖时,设置减设置减压井或深挖排水槽压井或深挖排水槽 2、基坑开挖防渗措施基坑开挖防渗措施工程降水工程降水 采用明沟排水和井点降水得方法人工降低地下水位采用明沟排水和井点降水得方法人工降低地下水位在基坑内在基坑内(外外)设置排水设置排水沟、集水井沟、集水井,用抽水设备用抽水设备将地下水从排水沟或集将地下水从排水沟或集水井排出。水井排出。原地下水位原地下水位明沟排水明沟排水原水位面原水位面一级抽水后水位一级抽水后水位二级抽水后水位二级抽水后水位多级井点降水多级井点降水要求地下水位降得较深要求地下水位降得较深,采采用井点降水。在基坑周围用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点布置一排至几排井点,从井从井中抽水降低水位中抽水降低水位 。设置板桩设置板桩 沿坑壁打入板桩沿坑壁打入板桩,她一方面可以加固坑壁她一方面可以加固坑壁,同时增加了地下同时增加了地下水得渗流路径水得渗流路径,减小水力坡降。减小水力坡降。钢板桩钢板桩水下挖掘水下挖掘 在基坑或沉井中用机械在水下挖掘在基坑或沉井中用机械在水下挖掘,避免因排水而造成可能避免因排水而造成可能导致流砂得水头差。为了增加砂得稳定性导致流砂得水头差。为了增加砂得稳定性,也可向基坑中注也可向基坑中注水水,并同时进行挖掘并同时进行挖掘 。