第四章土的滲透性及滲透穩(wěn)定第一節(jié)概述第二節(jié)土的滲透性第三節(jié)靜水和穩(wěn)定滲流情況下土的應(yīng)力狀態(tài)第四節(jié)土的滲透穩(wěn)定第五節(jié)二維滲流和流網(wǎng)的應(yīng)用第六節(jié)有關(guān)滲透性的幾個(gè)應(yīng)用第一節(jié)概述一滲流

1滲流：水在重力作用下，透過(guò)土體發(fā)生運(yùn)動(dòng)，這一現(xiàn)象稱為滲流

2土的滲透性：土體被水透過(guò)的性質(zhì)

a土壩滲流b閘基滲流二水在土中滲流導(dǎo)致的問(wèn)題（1）出現(xiàn)滲漏，導(dǎo)致水量損失，影響工程效益（2）使土體發(fā)生局部滲透變形破壞。

----水庫(kù)失事的重要原因（3）影響土體的固結(jié)、強(qiáng)度及穩(wěn)定和工程施工。滲流量揚(yáng)壓力滲水壓力滲透破壞滲流速度滲水面位置擋水建筑物集水建筑物引水結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)工程地下工程邊坡工程滲透特性變形特性強(qiáng)度特性三土滲流特性位置水頭：到基準(zhǔn)面的豎直距離，代表單位重量的液體從基準(zhǔn)面算起所具有的位置勢(shì)能壓力水頭：水壓力所能引起的自由水面的升高，表示單位重量液體所具有的壓力勢(shì)能測(cè)管水頭：測(cè)管水面到基準(zhǔn)面的垂直距離，等于位置水頭和壓力水頭之和，表示單位重量液體的總勢(shì)能在靜止液體中各點(diǎn)的測(cè)管水頭相等第二節(jié)土的滲流性一位置、壓力和測(cè)管水頭zA00ABu0pazB基準(zhǔn)面靜水水往低處流水往高處“跑”速度v壓力u位置：使水流從位置勢(shì)能高處流向位置勢(shì)能低處流速：水具有的動(dòng)能壓力：水所具有的壓力勢(shì)能也可使水流發(fā)生流動(dòng)水流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力

位置勢(shì)能：mgz壓力勢(shì)能：00基準(zhǔn)面質(zhì)量m壓力u流速vz動(dòng)能：總能量：稱為總水頭，是水流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力單位重量水流的能量：二滲流中的水頭與水力梯度透水層不透水層基坑板樁墻滲流為水體的流動(dòng)，應(yīng)滿足液體流動(dòng)的三大基本方程：連續(xù)性方程、能量方程、動(dòng)量方程LABABLhAzA基準(zhǔn)面總水頭：?jiǎn)挝恢亓克w所具有的能量位置水頭Z：水體的位置勢(shì)能（任選基準(zhǔn)面）壓力水頭u/w：水體的壓力勢(shì)能（u孔隙水壓力）流速水頭V2/(2g)：水體的動(dòng)能（對(duì)滲流多處于層流≈0）滲流的總水頭：1滲流問(wèn)題的水頭也稱測(cè)管水頭，是滲流的總驅(qū)動(dòng)能，滲流總是從水頭高處流向水頭低處2水力梯度

B點(diǎn)總水頭：二點(diǎn)總水頭差：反映了兩點(diǎn)間水流由于摩阻力造成的能量損失

水力梯度i：?jiǎn)挝粷B流長(zhǎng)度上的水頭損失

A點(diǎn)總水頭：三達(dá)西滲透試驗(yàn)1856年達(dá)西(Darcy)在研究城市供水問(wèn)題時(shí)進(jìn)行的滲流試驗(yàn)或：其中，A是試樣的斷面積A1達(dá)西定律達(dá)西定律：在層流狀態(tài)的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質(zhì)有關(guān)滲透系數(shù)k:反映土的透水性能的比例系數(shù)，其物理意義為水力坡降i＝1時(shí)的滲流速度，單位：

cm/s,m/s,m/day滲透速度v：土體試樣全斷面的平均滲流速度，也稱假想滲流速度其中，Vs為實(shí)際平均流速，孔隙斷面的平均流速2達(dá)西定律的適用范圍適用條件：層流（線性流動(dòng)）巖土工程中的絕大多數(shù)滲流問(wèn)題，包括砂土或一般粘土，均屬層流范圍在粗粒土孔隙中，水流形態(tài)可能會(huì)隨流速增大呈紊流狀態(tài)，滲流不再服從達(dá)西定律。可用雷諾數(shù)進(jìn)行判斷：2.01.51.00.50流速(m/h)0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5達(dá)西定律適用范圍水力坡降礫石粗砂中砂細(xì)砂極細(xì)砂h10dvRe=Re＜5時(shí)層流

Re

＞200時(shí)紊流

200＞

Re

＞5時(shí)為過(guò)渡區(qū)

在純礫以上的很粗的粗粒土如堆石體中，在水力坡降較大時(shí)，達(dá)西定律不再適用，此時(shí)：兩種特例對(duì)致密的粘性土，存在起始水力坡降i0

？？i>ib,v=k(i-ib)四滲透系數(shù)的測(cè)定方法常水頭試驗(yàn)法變水頭試驗(yàn)法井孔抽水試驗(yàn)井孔注水試驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)方法野外試驗(yàn)方法經(jīng)驗(yàn)估算法（1）常水頭試驗(yàn)試驗(yàn)條件：h,L,A量測(cè)變量：體積v,tV=Qt=vAtV=ki適用土類：透水性較大的砂性土1室內(nèi)實(shí)驗(yàn)法AQAQat=t1t=t2(2)變水頭試驗(yàn)試驗(yàn)條件：h的變化，A,a,L量測(cè)變量:h,t適用土類：透水性較小的粘性土在tt+dt時(shí)段內(nèi)：

入流量：dVe=-adh出流量：dVo=kiAdt=k(Δh/L)Adt連續(xù)性條件：dVe=dVo

-adh=k(Δh/L)Adt選擇幾組量測(cè)結(jié)果

，計(jì)算相應(yīng)的k，取平均值A(chǔ)Q2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定法－抽水試驗(yàn)試驗(yàn)條件:Q=const

量測(cè)變量:r=r1，h1=？

r=r2，h2=？

優(yōu)點(diǎn)：可獲得現(xiàn)場(chǎng)較為可靠的平均滲透系數(shù)缺點(diǎn)：費(fèi)用較高，耗時(shí)較長(zhǎng)3經(jīng)驗(yàn)估算法室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及工程實(shí)踐表明，土的滲透系數(shù)大小與顆粒粒徑（尤其有效粒徑）、土的孔隙比（或孔隙率）和水的粘滯系數(shù)等有關(guān)。

建議者建議公式符號(hào)說(shuō)明適用條件泰勒（Tayler,D.W）d50：土顆粒平均粒徑，mm；μ：水的粘滯系數(shù)，g.s/cm2；e：土的孔隙比；C：顆粒形狀系數(shù)。砂性土哈贊（Hazen）CH：哈贊常數(shù)，50～150；T：水溫，；d10：土的有效粒徑，mm。上式適用于中等密實(shí)砂，下式適于土的有效粒徑0.1~3mm，Cu<5時(shí)的松砂。太沙基（Tazaghi）d10：土的有效粒徑，mm；e：土的孔隙比。砂性土水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范GB50287-99d20：占總土重20%土粒粒徑，mmCu：不均勻系數(shù)。。

砂性土和粘性土第三節(jié)靜水和穩(wěn)定滲流情況下土的應(yīng)力狀態(tài)

靜水情況下土的孔隙水壓力和有效應(yīng)力：

測(cè)壓管水位與容器水位齊平，無(wú)滲流發(fā)生。設(shè)土面至水面的距離為，土的飽和容重為，則土面下深度為的a–a平面上的總應(yīng)力為：孔隙水壓力為：根據(jù)有效應(yīng)力原理，a–a平面上的有效應(yīng)力為：二

穩(wěn)定滲流情況下土的孔隙水壓力和有效應(yīng)力：

（一）當(dāng)滲流由上向下時(shí)根據(jù)土的有效應(yīng)力原理，土中存在著孔隙水壓力和有效應(yīng)力兩種力系。1–1與2–2高程處的自由水面為a和b，它們的水壓力分別為：設(shè)試樣截面積為A，則在2–2以上試樣的總重量為土粒重量和孔隙水重量之和，即

在試樣2–2處除孔隙水傳遞的壓力外，還有由土粒傳遞的有效應(yīng)力，整個(gè)試樣受力的平衡條件得到：（二）當(dāng)滲流由下向上時(shí)此時(shí)在2–2處傳遞的孔隙水壓力為

，、的表達(dá)式都同前。根據(jù)試樣受力平衡條件得到

一滲透力Δh=0靜水中，土骨架會(huì)受到浮力作用。Δh>0水在流動(dòng)時(shí)，水流受到來(lái)自土骨架的阻力，同時(shí)流動(dòng)的孔隙水對(duì)土骨架產(chǎn)生一個(gè)摩擦、拖曳力。h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab滲透力j：滲透作用中，孔隙水對(duì)土骨架的作用力，方向與滲流方向一致第四節(jié)土的滲透穩(wěn)定h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab土粒滲流滲透力j：體積力滲透力j：?jiǎn)挝煌馏w內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力截面積

A=1h200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab滲透力-受力分析WW=Lsat

＝L(

+

w)P1

=whwP2

=wh2R=?R+P2=W+P1R+wh2=L(+w)+whw

R=L土水整體受力分析-靜水截面積

A=1WW=Lsat

＝L(

+

w)P1

=whwP2

=wh1R=?R+P2=W+P1R+wh1=L(+w)+whw

R=L-wh土水整體受力分析-滲流h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器ab向上滲流存在時(shí)，濾網(wǎng)支持力減少。當(dāng)濾網(wǎng)支持力為零時(shí)的水力坡降稱為臨界水力梯度icr，它是土體開(kāi)始發(fā)生流土破壞時(shí)的水力梯度：R=L-wh=0臨界水力梯度h1Δhh200hwL土樣濾網(wǎng)貯水器abicr=h/L=/wicr取決于土的物理性質(zhì)由于=+WWWw土水=土骨架+孔隙水JRJP1P2P1P2R土水隔離受力分析R=L-wh土骨架受力分析：有效重量：W=L總滲透力：J=Lj濾網(wǎng)的反力：R

孔隙水受力分析：水壓力：P1=whw

P2=wh1總滲透力：J=J水重+浮力反力：

Ww=Vvw+Vsw=Lw孔隙水受力平衡j=

wi土骨架受力平衡滲透力的性質(zhì)物理意義：?jiǎn)挝煌馏w內(nèi)土骨架所受到的滲透水流的拖曳力，它是一種體積力大小：

j=wi方向：與水力梯度方向一致作用對(duì)象：土骨架土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞稱為滲透變形或滲透破壞。滲透變形是土工建筑物發(fā)生破壞的常見(jiàn)類型基本類型：管涌流土接觸流土接觸沖刷二土的滲透破壞形式單一土層滲透變形的兩種基本型式流土：在向上的滲透作用下，表層局部范圍內(nèi)的土體或顆粒群同時(shí)發(fā)生懸浮、移動(dòng)的現(xiàn)象。任何類型的土，只要水力坡降達(dá)到一定的大小，都可發(fā)生流土破壞原因：與土的密實(shí)度有關(guān)壩體粘性土k1<<k2砂性土k2滲流原因內(nèi)因：有足夠多的粗顆粒形成大于細(xì)粒直徑的孔隙外因：滲透力足夠大

在滲流作用下，一定級(jí)配的無(wú)粘性土中的細(xì)小顆粒，通過(guò)較大顆粒所形成的孔隙發(fā)生移動(dòng)，最終在土中形成與地表貫通的管道過(guò)程演示1.在滲透水流作用下，細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動(dòng)流失2.孔隙不斷擴(kuò)大，滲流速度不斷增加，較粗顆粒也相繼被水帶走3.形成貫穿的滲流通道，造成土體塌陷壩體滲流流土與管涌的比較流土土體局部范圍的顆粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中破壞過(guò)程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動(dòng)等現(xiàn)象位置土類歷時(shí)后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過(guò)粗粒形成的孔隙通道移動(dòng)可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處一般發(fā)生在特定級(jí)配的無(wú)粘性土或分散性粘土破壞過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口Fs:安全系數(shù)1.5~2.0[i]:允許梯度

i<icr:土體處于穩(wěn)定狀態(tài)

i=

icr:土體處于臨界狀態(tài)

i>icr:土體發(fā)生流土破壞工程設(shè)計(jì)：三滲透破壞的判別

1流土可能性的判別在自下而上的滲流逸出處，任何土，包括粘性土和無(wú)粘性土，只要滿足滲透梯度大于臨界水力梯度這一水力條件，均要發(fā)生流土：土是否會(huì)發(fā)生管涌，取決于土的性質(zhì)：粘性土（分散性土例外）屬于非管涌土無(wú)粘性土中發(fā)生管涌必須具備相應(yīng)的幾何條件和水力條件2管涌可能性的判別較均勻土（Cu10）幾何條件

水力條件無(wú)粘性土管涌的判別級(jí)配孔隙及細(xì)粒判定非管涌土粗顆粒形成的孔隙小于細(xì)顆粒不均勻土（Cu>10）不連續(xù)連續(xù)d0=0.25d20細(xì)粒含量>35%細(xì)粒含量<25%細(xì)粒含量=25-35%d0

<d3d0

>d5d0=d3-d5管涌土過(guò)渡型土非管涌土非管涌土管涌土過(guò)渡型土P(%)lgd骨架充填料發(fā)生管涌的必要條件：粗顆粒所構(gòu)成的孔隙直徑大于細(xì)顆粒直徑幾何條件

水力條件無(wú)粘性土管涌的判別滲透力能夠帶動(dòng)細(xì)顆粒在孔隙間滾動(dòng)或移動(dòng)。可用管涌臨界水力梯度表示051015202530351.51.00.50icrCu流土過(guò)渡管涌水力梯度級(jí)配連續(xù)土級(jí)配不連續(xù)土破壞梯度icr0.20-0.400.1-0.3允許梯度[i]0.15-0.250.1-0.2伊斯托敏娜（蘇）中國(guó)學(xué)者

Cu>20時(shí),

icr

=0.25-0.30，考慮安全系數(shù)后：

[i]=0.10-0.15透水層不透水層防滲體壩體浸潤(rùn)線四滲透變形的防治措施減小i：上游延長(zhǎng)滲徑下游減小水壓增大[i]：下游增加透水

蓋重改善幾何條件：設(shè)反濾層等

改善水力條件：減小滲透坡降防治流土防治管涌平面問(wèn)題：滲流剖面和產(chǎn)生滲流的條件沿某一個(gè)方向不發(fā)生變化，則在垂直該方向的各個(gè)平面內(nèi)，滲流狀況完全一致。

對(duì)平面問(wèn)題，常取dy=1m單位寬度的一片來(lái)進(jìn)行分析h=h(x,z),v=v(x,z)與時(shí)間無(wú)關(guān)穩(wěn)定滲流：流場(chǎng)不隨時(shí)間發(fā)生變化的滲流Δh一平面穩(wěn)定滲流第五節(jié)二維滲流和流網(wǎng)的應(yīng)用滲流的連續(xù)性方程單位時(shí)間流入單元的水量:滲流的連續(xù)性方程：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流出單元的水量:連續(xù)性條件:dxdzvxvzxz滲流的運(yùn)動(dòng)方程達(dá)西定律：滲流的連續(xù)性方程：滲流的運(yùn)動(dòng)方程：特例：各向同性均質(zhì)土體kx=kzLaplace方程，描述滲流場(chǎng)內(nèi)水頭的分布，是平面穩(wěn)定滲流的基本方程數(shù)學(xué)解析法或近似解析法：求取滲流運(yùn)動(dòng)方程在特定邊界條件下的理論解，或者在一些假定條件下，求其近似解數(shù)值解法：有限元、有限差分、邊界元法等，近年來(lái)得到迅速地發(fā)展電比擬試驗(yàn)法：利用電場(chǎng)來(lái)模