土力学--土的渗透性.pptx

与渗透有关的工程问题与渗透有关的工程问题九江大堤决口溃口原因：溃口原因：堤基管涌堤基管涌1998年8月7日13:10发生管涌险情，20分钟后，在堤外迎水面找到2处进水口又过20分钟，防水墙后的土堤突然塌陷出1个洞，5 m宽的堤顶随即全部塌陷，并很快形成一宽约62m口。1 1 概述长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图长江堤防工程堤基管涌发生发展过程示意图砂砂环环管管涌涌口口粘性土粘性土砂性土砂性土渗水渗水杂填土杂填土管涌管涌：在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒，通过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。通过土的孔隙，发生移动或被水流带出的现象。堤基管涌管涌砂环砂性土堤基管涌破坏示意图砂性土堤基管涌破坏示意图管涌破坏当管涌发生时，渗当管涌发生时，渗流将导致向源侵蚀，流将导致向源侵蚀，使堤防基础下部出使堤防基础下部出现渗流通道现渗流通道当水头差足够大时，当水头差足够大时，侵蚀将加速并掏挖堤侵蚀将加速并掏挖堤防基础。形成通道后防基础。形成通道后极易引起溃决极易引起溃决指河川因为地形的变化而使侵蚀的基准面下降，由于河床坡度变大，流速加大，使得侵蚀作用加強，剛开始在河流的下游发生侵蚀，然后漸漸向上游发展，即所谓向源侵蚀。土土坝坝渗渗透透浸润线浸润线流线流线等势线等势线下游下游上游上游土坝蓄水后土坝蓄水后水透过坝身水透过坝身流向下游流向下游支护结构支护结构不不 透透 水水 层层基坑开挖时，基坑开挖时，地下水向基坑地下水向基坑内流动内流动 基基坑坑渗渗透透渗透性概述渗透性概述H隧道开挖时，地下隧道开挖时，地下水向隧道内流动水向隧道内流动 主要关注主要关注1.渗流量问题渗流量问题 2.渗透破坏问题渗透破坏问题 3.渗流控制问题渗流控制问题 隧道渗透隧道渗透1.1.层流：流体各层，个质点的流动方向，速度相等。层流：流体各层，个质点的流动方向，速度相等。2.2.紊流：流体的各个质点在流动过程中方向，速度不断变紊流：流体的各个质点在流动过程中方向，速度不断变 化，化，各不相同。各不相同。3.3.渗透：液体从物质微孔中透过的现象。渗透：液体从物质微孔中透过的现象。4.4.渗透性：土体具有被液体透过的性质称为土的渗透性。渗透性：土体具有被液体透过的性质称为土的渗透性。5.5.渗流：液体在土孔隙或其他透水性介质中的流动问题。渗流：液体在土孔隙或其他透水性介质中的流动问题。2 土的渗透性一、几个基本概念一、几个基本概念 n一、贝努力定律一、贝努力定律n 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，则描述了水流的速度和压力之间的消长关系。贝努力定引起的能量损失，则描述了水流的速度和压力之间的消长关系。贝努力定律可以用下式表示律可以用下式表示:总水头总水头 单位质量水体所具有的能量单位质量水体所具有的能量二、渗流定律二、渗流定律 三者的和称为总水头，因为土中的水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的流速小，速度水头项忽略不计时:ABLh1h2zAzBh h00基准面基准面水力坡降线水力坡降线z：位置水头：位置水头u/u/w w：压力水头：压力水头V2/(2g)：流速水头流速水头0 0A A点总水头：点总水头：B B点总水头：点总水头：总水头：总水头：水力坡降：水力坡降：所以，土中水流动的时候，是从位置水头与压力水所以，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）头的和，即总水头（称之为势）h h高的地方向低的地方流。高的地方向低的地方流。常说的常说的“水从高处向低处流水从高处向低处流”，在这里不只是位置水头，在这里不只是位置水头z z，还应该加上压力水头，应该理解成为水从总水头（势），还应该加上压力水头，应该理解成为水从总水头（势）h h的高处向低处流。的高处向低处流。试验前提：层流试验前提：层流h，QA，QL，Q断面平均流速断面平均流速水力坡降水力坡降1.1.渗透试验渗透试验试验结果试验结果试验装置：如图试验装置：如图试验条件试验条件:h1，A，L=const量测变量量测变量:h2，V，Th=h1-h2Q=V/T三、渗透试验与达西定律三、渗透试验与达西定律 2.2.达西定律达西定律在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v v与水力坡降与水力坡降i i的一次方成正比，并与土的性质有关。的一次方成正比，并与土的性质有关。注意注意AAvV V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度V Vs s：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A AvQVA VsAvk:k:反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力坡降物理意义：水力坡降i i1 1时的渗流速度时的渗流速度单位：单位：mm/s,cm/s,m/s,m/daymm/s,cm/s,m/s,m/day粗粒土：粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律砾石类土中的渗流不符合达西定律砂土中渗透速度砂土中渗透速度vcr=0.3-0.5cm/s适用条件适用条件ivovcrivoi0层流（线性流）层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土及砂性较重的粘性土两种特例两种特例粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土ii0,v=k(i-i0)3 3 渗透系数及其确定方法渗透系数及其确定方法测定方法测定方法渗透系数测定室内试验现场试验常 水 头压缩试验抽水试验变 水 头一、渗透试验（室内）一、渗透试验（室内）时间时间t内流出的水量内流出的水量1.常水头试验常水头试验整个试验整个试验过程中水头保持不变过程中水头保持不变 适用于透水性大（适用于透水性大（k10-3cm/s）的土，例如砂土。的土，例如砂土。2.变水头试验变水头试验整个试验过程水头随时间变化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的水头差为的水头差为h，经经时段时段dt后，细玻璃管中水位后，细玻璃管中水位降落降落dh，在时段在时段dt内流经试内流经试样的水量样的水量 dV=adh 在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dV=kiAdt=kAh/Ldt 管内减少水量流经试样水量管内减少水量流经试样水量 adh=kAh/Ldt 分离变量分离变量 积分积分 适用于透水性差，渗透系数适用于透水性差，渗透系数小的粘性土小的粘性土 二二.室外测定方法（现场抽水实验）室外测定方法（现场抽水实验）适用于粗颗粒土或成层土适用于粗颗粒土或成层土 抽水试验A=2rhi=dh/dr优点：可获得现场较为可优点：可获得现场较为可靠的平均渗透系数靠的平均渗透系数缺点：费用较高，耗时较长缺点：费用较高，耗时较长三、影响渗透系数的因素三、影响渗透系数的因素1.土粒大小与级配土的粒度成分土粒大小与级配土的粒度成分 细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。2.土的密实度土的密实度 3.土的饱和度土的饱和度 同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。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，土的渗透性愈小含量愈多，土的渗透性愈小5.水的温度水的温度 4.土的结构土的结构 6.土的构造土的构造 四、成层土的渗透系数四、成层土的渗透系数1.水平渗透系数水平渗透系数 H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量通过整个土层的总渗流量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的等效渗透系数行的等效渗透系数 平均渗透系数平均渗透系数2.垂直渗透系数垂直渗透系数 H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理，通过根据水流连续定理，通过整个土层整个土层的渗流量等于通过的渗流量等于通过各土层各土层的渗流量的渗流量 垂直渗垂直渗透系数透系数q3yq2yq1yqy各土层的相应的水力坡降为各土层的相应的水力坡降为i1、i2、in，总的水力坡降为总的水力坡降为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 代入代入整个土层与层面垂直整个土层与层面垂直的等效渗透系数的等效渗透系数 结论结论 对于成层土，如果各土层的厚度大致相近，而渗透性相对于成层土，如果各土层的厚度大致相近，而渗透性相差悬殊时：差悬殊时：1.1.与层向平行的平均渗透系数将取决于最透水土层的厚与层向平行的平均渗透系数将取决于最透水土层的厚度和渗透性。度和渗透性。2.2.与层向垂直的平均渗透系数将取决于最不透水土层的与层向垂直的平均渗透系数将取决于最不透水土层的厚度和渗透性。厚度和渗透性。4 4 二维渗流及流网（自学）二维渗流及流网（自学）渗流渗流土体内部应力状态变化土体内部应力状态变化土体的局部稳定问题土体的局部稳定问题土体的整体稳定问题土体的整体稳定问题管涌、流土等管涌、流土等岸坡滑动岸坡滑动档土墙整体失稳档土墙整体失稳5 5 渗透破坏与控制渗透破坏与控制渗流力渗流力渗流作用渗流作用n一、渗流力和临界水力梯度一、渗流力和临界水力梯度1.渗流力渗流力渗透水流施加于单位土粒上的作用力渗透水流施加于单位土粒上的作用力h2h1h21L沿水流方向放置两个测压沿水流方向放置两个测压管，测压管水面高差管，测压管水面高差h水流流经这段土体，受水流流经这段土体，受到土颗粒的阻力，阻力到土颗粒的阻力，阻力引起的水头损失为引起的水头损失为h土粒对水流土粒对水流的阻力应为的阻力应为 土样土样面积面积根据牛顿第三定律，试样的总根据牛顿第三定律，试样的总渗流力渗流力J和土粒对水流的阻力和土粒对水流的阻力F大小相等，方向相反大小相等，方向相反 渗流作用于单位土体的力渗流作用于单位土体的力说说明明：渗渗流流力力j是是渗渗流流对对单单位位土土体体的的作作用用力力，是是一一种种体体积积力力，其其大大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3 渗流力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对渗流力的存在，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渗流力方向与渗流力方向与重力一致，促重力一致，促使土体压密、使土体压密、强度提高，有强度提高，有利于土体稳定利于土体稳定渗流方向近乎水平，使土渗流方向近乎水平，使土粒产生向下游移动的趋势，粒产生向下游移动的趋势，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，当渗透力大于土反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒体的有效重度，土粒将被水流冲出将被水流冲出2.临界水力梯度临界水力梯度使土体开始发生渗透变形的水力坡降使土体开始发生渗透变形的水力坡降 GJ当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为临界水力坡降临界水力坡降或或 在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数在工程计算中，将土的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，为保证建筑物的安全，设计时，为保证建筑物的安全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降i内内n二、渗透变形二、渗透变形 渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动，导致土体变形导致土体变形渗透变形问题（流土，管涌）渗透变形问题（流土，管涌）1.流土流土在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土 粒群同时发生移动的现象粒群同时发生移动的现象 流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏淤泥等较易发生流土破坏 2.管涌管涌在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒在渗流作用下，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的孔隙，发生移动并被带出的现象 土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发稳。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展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏 管涌管涌流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土土体局部范围的颗粒同时土体局部范围的颗粒同时发生移动发生移动管涌管涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，只要渗透力足够大，可发生在任何土中可发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生在特定级配的一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对较长导致结构发生塌陷或溃口导致结构发生塌陷或溃口n流土发生的条件是：在自下而上的渗流逸出处，流土发生的条件是：在自下而上的渗流逸出处，任何土任何土,包括粘性土或无粘性土包括粘性土或无粘性土,只要满足渗透坡只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一水力条件降大于临界水力坡降这一水力条件iicr,均要发生均要发生流土。流土。n管涌发生的条件是：土质条件（必要条件）：管涌发生的条件是：土质条件（必要条件）：不均匀系数不均匀系数Cu10的无粘性土；水力条件（目前的无粘性土；水力条件（目前研究的还很不成熟）：与土的结构状态等关系密研究的还很不成熟）：与土的结构状态等关系密切，其水力坡降远小于切，其水力坡降远小于1。增大增大ii：下游增加透水盖重下游增加透水盖重 防治流土防治流土土石坝土石坝防渗斜墙及铺盖防渗斜墙及铺盖浸润线浸润线透水层透水层不透水层不透水层减小减小i i ：上游延长渗径；上游延长渗径；下游减小水压下游减小水压防治管涌防治管涌改善几何条件：改善几何条件：设反滤层等设反滤层等改善水力条件：改善水力条件：减小渗透坡降减小渗透坡降4.流土与管涌的防治流土与管涌的防治 n三、防渗处理措施三、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 水工建筑物的防渗工程措施一般以水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏上堵下疏”为原则，上游为原则，上游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗透变形变形 垂直截渗垂直截渗 主要目的主要目的:延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩等均属于垂直截渗均属于垂直截渗 设置水平铺盖设置水平铺盖 上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径上游设置水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径 粘土铺盖粘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，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而设置反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而产生渗透变形的作用产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层 排水减压排水减压 粘性土粘性土含水层含水层减压井减压井为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设置减压井或深挖排水槽减压井或深挖排水槽 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的方法人工降低地下水位采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位在基坑内（外）设置排在基坑内（外）设置排水沟、集水井，用抽水水沟、集水井，用抽水设备将地下水从排水沟设备将地下水从排水沟或集水井排出或集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，采用井点降水。在基坑周采用井点降水。在基坑周围布置一排至几排井点，围布置一排至几排井点，从井中抽水降低水位从井中抽水降低水位 设置板桩设置板桩 沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地下水的渗流路径，减小水力坡降下水的渗流路径，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，避免因排水而造成流在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水，并同时进行挖掘并同时进行挖掘 四、例题分析四、例题分析n【例】某土坝地基土的比重某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比孔隙比e=0.82，下下游渗流出口处经计算水力坡降游渗流出口处经计算水力坡降i为为0.2，若取安全系数，若取安全系数Fs为为2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏 【解答】解答】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 i，故土坝地基出口处土体不会发生故土坝地基出口处土体不会发生流土破坏流土破坏 允许水力坡降允许水力坡降