變水頭法土的滲透性

當飽和土中的兩點存在能量差時，水就在土的孔隙中從能量高的點向能量低的點流動。滲流：水在土體中流動的現象。滲透性：土具有被水等液體透過的性質。

滲透研究的內容：1.滲流量。2.滲透變形(滲透破壞)3.滲流控制水頭：單位重量水體所具有的能量。按照伯努里方程，液流中一點的總水頭由三部分組成：

1.位置水頭z

2.壓力水頭u/

w

3.

流速水頭v2/2g達西定律一、土的滲透定律——達西定律（H.Darcy,1856）

1.滲流中的總水頭與水力坡降

液體流動必須滿足的條件：連續原理能量守恒原理(伯努里D.Bernoulli方程)

為了研究的方便，常用水頭的概念來研究水體流動中的位能和動能。h=z+u/

w+v2/2g

由于土中滲流阻力大，流速v在一般情況下都很小，可以忽略。達西定律h=z

+

u/

w

伯努里方程用于土中滲流時有兩點需要指出：(1)飽和土體中兩點間是否出現滲流，完全由總水頭差決定。只有當兩點間的總水頭差時，才會發生水從總水頭高的點向總水頭低的點流動。(2)由于土中滲流阻力大，故流速v在一般情況下都很小，因而形成的流速水頭也很小，為簡便起見可以忽略。水力坡降由于滲流過程中存在能量損失，測管水頭線沿滲流方向下降。兩點間的水頭損失，可用一無量綱的形式來表示，即

i=

h/L

i稱為水力坡降，L為兩點間的滲流路徑，水力坡降的物理意義:單位滲流長度上的水頭損失。2達西定律達西根據對不同尺寸的圓筒和不同類型及長度的土樣所進行的試驗發現，滲出量Q與圓筒斷面積A和水力坡降i成正比，且與土的透水性質有關。即寫成等式為：上式稱為達西定律。式中，v－斷面平均滲透速度，單位mm/s或m/day；

k－反映土的透水性能的比例系數，稱為土的滲透系數。它相當于水力坡降i＝1時的滲透速度，故其量綱與流速相同，mm/s或m/day。

滲透流速v并不是土孔隙中水的實際平均流速。因為公式推導中采用的是土樣的整個斷面積，其中包括了土粒骨架所占的部分面積在內。土粒本身是不能透水的，故真實的過水面積Av應小于A，從而實際平均流速認應大于v。一般稱v

為假想滲流速度v與vs的關系可通過水流連續原理建立:

Vs=v/n

為了研究的方便，滲流計算中均采用假想的平均流速。

滲透速度與實際平均流速

達西定律的適用范圍

達西定律是描述層流狀態下滲透流速與水頭損失關系的規律，即滲流速度v與水力坡降i成線性關系只適用于層流范圍。在土木工程中，絕大多數滲流，無論是發生砂土中或一般的粘性土中，均介于層流范圍，故達西定律均可適用。3滲透系數的測定和影響因素

滲透系數k是一個代表土的滲透性強弱的定量指標，也是滲流計算時必須用到的一個基本參數。不同種類的土，k值差別很大。因此，準確地測定土的滲透系數是一項十分重要的工作。

(1)滲透系數的測定方法

滲透系數的測定方法主要分實驗室內測定和野外現場測定兩大類。實驗室測定法目前在實驗室中測定滲透系數k的試驗方法很多，但從試驗原理上大體可分為常水頭法和變水頭法兩種。現場測定法現場研究場地的滲透性，進行滲透系數k值測定時，常用現場井孔抽水試驗或井孔注水試驗的方法。

常水頭試驗

適用于測定透水性大的砂性土的滲透系數。變水頭試驗

適用于測定滲透性很小的粘性土的滲透系數。由于粘性土的滲透水量很少，用常水頭試驗不易準確測定。影響滲透系數的因素

(1)土的粒度成分(粒徑大小與級配)和礦物成分的影響；

(2)土的結構；

(3)土中氣體的影響；

（4）滲透水的性質對滲透系數的影響。

水的性質對滲透系數k值的影響主要是由于粘滯度不同所引起。溫度高時，水的粘滯性降低，

k值變大：反之k值變小。常水頭試驗變水頭試驗條件已知測定算定取值Δh=constΔh變化Δh，A，LQ，t重復試驗后，取均值a，A，LΔh，t

室內試驗方法小結不同時段試驗，取均值適用粗粒土粘性土常水頭法滲流滲透性土具有被水、液體等透過的性質水、液體等在土體孔隙中流動的現象碎散性多孔介質三相體系孔隙流體流動能量差土土顆粒土中水滲流滲透特性強度特性變形特性互相關聯互相影響土力學重要課題透水層不透水層土石壩壩基壩身滲流防滲體壩體浸潤線滲流問題：1.滲流量？2.滲透破壞？3.滲透力？工程實例土的滲透性研究滲流量滲透破壞滲流控制三個問題工程應用的需要透水層不透水層基坑板樁墻板樁圍護下的基坑滲流：滲流問題：1.滲流量？2.滲透破壞？3.滲水壓力？工程實例滲流問題：1.滲流量Q？2.降水深度？透水層不透水層天然水面水井滲流：漏斗狀潛水面QABL透水層不透水層基坑板樁墻滲流為水體的流動，應滿足液體流動的三大基本方程：連續性方程、能量方程、動量方程一、滲流中的水頭與水力坡降

總水頭（伯努利定理）：單位重量水體所具有的能量

位置水頭Z：水體的位置勢能（任選基準面）壓力水頭p/

w：水體的壓力勢能（p孔隙水壓力）流速水頭V2/(2g)：水體的動能（對滲流多處于層流≈0）

滲流的總水頭：也稱測管水頭，是滲流的總驅動能，滲流總是從水頭高處流向水頭低處ABLhAhBzAzBΔh基準面水力坡降線A點總水頭：水力梯度ABLhAhBzAzBΔh基準面水力坡降線B點總水頭：二點總水頭差：反映了兩點間水流由于摩阻力造成的能量損失

水力梯度i：單位滲流長度上的水頭損失LAh1h2QQ透水石h二、滲透試驗與達西定律試驗前提：層流或1.滲透試驗試驗結果:試驗裝置：如圖試驗條件:

h1，A，L=const量測變量:

h2，V，t達西定律2.達西定律滲透定律:在層流狀態的滲流中，滲透速度v與水力坡降i的一次方成正比，并與土的性質有關。注意：V：假想滲流速度，土體試樣全斷面的平均滲流速度Vr：實際平均滲流速度，孔隙斷面的平均滲流速度A>Arq＝VA＝VrArk:反映土的透水性能的比例系數，稱為滲透系數物理意義：水力坡降i＝1時的滲流速度單位：mm/s,cm/s,m/s,m/day三、滲透系數的測定及影響因素室內試驗測定方法常水頭試驗法變水頭試驗法井孔抽水試驗井孔注水試驗1.測定方法野外試驗測定方法室內試驗方法—常水頭試驗法結果整理：試驗裝置：如圖試驗條件:

Δh，A，L=const量測變量:滲水量Q，ti=Δh/Lq=Q/t=Avv=ki適用土類：透水性較大的砂性土hL土樣AQ常水頭試驗變水頭試驗條件已知測定算定取值Δh=constΔh變化Δh，A，LQ，t重復試驗后，取均值a，A，LΔh，t

室內試驗方法小結不同時段試驗，取均值適用粗粒土粘性土滲透破壞Δh=0靜水中，土骨架會受到浮力作用。Δh>0水在流動時，水流受到來自土骨架的阻力，同時流動的孔隙水對土骨架產生一個摩擦、拖曳力。滲透力j：滲透作用中，孔隙水對土骨架的作用力，方向與滲流方向一致一、滲透力（動水力）試驗觀察滲透力-試驗觀察h1Δhh200hwL土樣濾網貯水器ab滲透力j：體積力滲透力j：單位土體內土骨架所受到的滲透水流的拖曳力Gw

=vv

w+vs

w

＝V

w=LAw

wP1

=

whwAwP2

=

wh1AwP1

+Gw+

T

=P2J=T=

wh/L=

wi

水柱整體受力分析-滲流h1Δhh200hwL土樣濾網貯水器ab

GwT

whwAw+LA

w

w+TLAw=

wh1Aw

T

=TLAw滲透力的大小和水力梯度成正比，方向與滲透方向一致。向上滲流存在時，濾網支持力減少。當濾網支持力為零時的水力坡降稱為臨界水力坡降icr，它是土體開始發生流土破壞時的水力坡降：滲透力-受力分析滲透力-受力分析

wi≥

臨界水力坡降icr=

h/L=

/

w由于icr取決于土的物理性質h1Δhh200hwL土樣濾網貯水器ab滲透力的性質物理意義：單位土體內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：與水力坡降方向一致作用對象：土骨架土工建筑物及地基由于滲流作用而出現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生破壞的常見類型基本類型：管涌流土接觸流土接觸沖刷滲透變形單一土層滲透變形的兩種基本型式滲透變形-流土流土：在向上的滲透力作用下，表層局部范圍內的土體或顆粒群同時發生懸浮、移動的現象。任何類型的土，只要水力坡降達到一定的大小，都可發生流土破壞粘性土k1<<k2砂性土k2壩體滲流

原因：與土的密實度有關壩體滲透變形–管涌

原因內因：有足夠多的粗顆粒形成大于細粒直徑的孔隙外因：滲透力足夠大

管涌：在滲流作用下，一定級配的無粘性土中的細小顆粒，通過較大顆粒所形成的孔隙發生移動，最終在土中形成與地表貫通的管道滲流1.在滲透水流作用下，細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動流失2.孔隙不斷擴大，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，造成土體塌陷流土土體局部范圍的顆粒同時發生移動管涌只發生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，可發生在任何土中破壞過程短導致下游坡面產生局部滑動等現象位置土類歷時后果土體內細顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動可發生于土體內部和滲流溢出處一般發生在特定級配的無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長導致結構發生塌陷或潰口Fs:安全系數1.5~2.0[i]:允許坡降i<icr:土體處于穩定狀態i=icr:土體處于臨界狀態i>icr:土體發生流土破壞

工程設計：流土可能性的判別在自下而上的滲流逸出處，任何土，包括粘性土和無粘性土，只要滿足滲透坡降大于臨界水力坡降這一水力條件，均要發生流土。土是否會發生管涌，取決于土的性質：粘性土（分散性土例外）屬于非管涌土無粘性土中發生管涌必須具備相應的幾何條件和水力條件管涌可能性的判別

幾何條件

水力條件無粘性土管涌的判別發生管涌的必要條件：粗顆粒所構成的孔隙直徑大于細顆粒直徑

幾何條件

水力條件無粘性土管涌的判別

滲透力能夠帶動細顆粒在孔隙間滾動或移動。