第二章 土的渗透性与渗流
第一节 概述 一、渗透性： 一、渗透性：水在能量差的作用下在土的孔 隙通道中流动的现象叫渗流，土的这种与渗 流相关的性质称为土的渗透性。 二、有关的工程问题 1.渗流量问题： 1.渗流量问题： （1）基坑涌水量计算
不透水层 基坑 天然水面
（2）水井涌水量估算
漏斗状
潜水面
透水层
透水层
透水层
不透水层
（3）沟渠渗水量计算
原地下水位
渗流时地下水位
• 2.渗透破坏问题
（4）土坝渗流量计算
防渗体 坝体
流砂
透水层
不透水层
1
三峡水利枢纽
第二节 土的渗流（透）定律
三、本章主要内容 1、土的渗透定律 2、渗流破坏与控制
一、基本概念 • （一）层流与紊流 • 1.层流 ：流线不相 1.层流：流线不相 交，水在砂土、粘性 土中流动属于层流。 • 2.紊流 ：流线相交， 2.紊流：流线相交， 水在较大水力梯度的 砾石土和巨粒土中流 动属于紊流。
2
• （二）过水断面与 渗流速度 （二）过水断面与渗流速度 • 1.过水断面： 水在饱和土体中渗流时，在 1.过水断面：水在饱和土体中渗流时，在 垂直于渗流方向取一个土体断面，该断面 叫过水断面。过水断面包括土颗粒和孔隙 所占据的面积，平行渗流时为平面，弯曲 渗流时为曲面。 • 2.渗流速度： 单位时间通过单位面积渗流 2.渗流速度：单位时间通过单位面积渗流 量。在时间t 量。在时间t内渗流通过该过水断面（其面 积为A 积为A）的渗流量为Q ）的渗流量为Q，渗流速度v ，渗流速度v为： Q v= At
• 需要明确的是，渗流速度 表征渗流的水在 需要明确的是，渗流速度表征渗流的水在 通过过水断面时的平均流速 ，并不代表水 通过过水断面时的平均流速，并不代表水 在土中渗流的真实流速 。水在饱和土体中 在土中渗流的真实流速。水在饱和土体中 渗流时，其实际平均流速 为： 渗流时，其实际平均流速为：
v=
• • •
Q nAt
（三）水头和水力梯度（坡降） 1.总水头、位置水头、压力水头、速度水头 1.总水头、位置水头、压力水头、速度水头 1）总水头h ）总水头h：某点单位质量液体所具有的总 机械能。
• 2）位置水头z ）位置水头z：相对于任意选定的基准面 的高度，单位质量液体所具有的位能。 u • 3）压力水头 ：某点孔隙水压力的水柱 γ w 高。
v2 • 4）速度水头 ： 2g
B 质量 m 压力 u 流速 v
u
• 2.水力梯度 2.水力梯度i：单位渗流长度的水头损失。 Δh i= L
△h
γw
• 单位质量液体所具 有的动能。
A
A
z
B
L
0
基准面
0
二、渗透试验与达西定律
• （一）渗透试验 • （二）达西定律
Q ΔhA =k = kAi t L • 或表示为 q=
h1
v=
q = ki A
L
A
透水石
Q
图2-6
达西试验装置
h2
A
• 式中ｑ——单位时间渗流量，ｃm3/s； • △h——水头差； • A——渗流土样截面积，ｃm2； • L——渗流长度，m 渗流长度，m； • k——渗透系数，ｃm/s ，其物理意 渗透系数，ｃm/s，其物理意 义是当水力坡降 ； 义是当水力坡降i=1时土的渗透速度 =1时土的渗透速度； • i——水力梯度； • v——渗流速度，ｃm/s 或m/d。 渗流速度，ｃm/s或 m/d。
3
达西定律说明：在层流状态的渗流 中，渗流速度与水力坡降成正比 ，并与土 中，渗流速度与水力坡降成正比，并与土 的性质有关。
• 在粘性土中由于土颗 粒周围存在结合水膜 v 而使土体呈现一定的 粘滞性。因此，粘性 土中自由水的渗流必 然会受到粘滞阻力的 影响，只有当水力梯 度达到一定数值后渗 流才能发生，将这一 o i0 水力梯度称为起始水 力梯度i0 ，达西定律可 表示为： v = k (i − i0 )
i
三、达西定律的适用范围
• （1）水流速度很小，为粘滞力占优势的 层流，达西定律适用，这时雷诺数Re （在流体运动中惯性力对黏滞力比值的 无量纲数，Re=UL/ν，其中U为速度特 征尺度，L为长度特征尺度，ν为运动学 黏性系数。）为1～10之间的某一值； • （2）水流速度增加到惯性力占优势的层 流并向紊流过渡时，达西定律不再适 用，这时雷诺数在10～100之间； • （3）随着雷诺数的增大，水流进入紊流 状态，达西定律完全不适用。
• 砾石土和巨粒土 • 较小水力梯度的砾 石土和巨粒土，流 速与水头梯度成正 比，但水在较大水 力梯度的砾石土和 巨粒土中流动属于 紊流，所以达西定 律不能适用。
四、渗透系数的确定 • （一）经验估算法 对于砂性土，太沙基曾提出如下的经验 公式进行估算：
2 2 k = 2d10 e
（二）试验测定法
常 水 头 室内试验 渗透系数测定 压缩试验 现场试验 抽水试验 变 水 头
k——渗透系数，cm/s； 式中： d10——有效粒径，mm； e——土的孔隙比。 几种土的渗透系数参考值见表2-1。
；
4
• 1、室内渗透试验： • （1）常水头试验：适于透水性大的砂 性土。
Qq =
Q = kiA t Q QL = ∴k = tiA tΔhA
• （2）变水头试验：适于透水性小的粘 ）变水头试验：适于透水性小的粘 性土。
t=t1
Δ h1 水头 测管 Δ h2 Q Q 土样 L 开 关 土样 水头 测管
k=
aL h ln 1 A(t2 − t1) h2
aL h lg 1 A(t 2 − t1 ) h2
t=t2
L
k = 2.3
开 关
A
A a
a
• 2、现场测定法：常用现场井孔抽水试验或 、现场测定法：常用现场井孔抽水试验或 井孔注水试验测定。
r r1
井
r2
r q ln( r ) k= π (h − h )
2 1 2 2 2 1
地下水位
h h1
不透水层
h2
) r k = 2 .3 π (h − h ) q
2 1 2 2 2 1
lg(
r
5
（三）成层土的等效渗透系数
1）渗流方向与土层层面平行 • 特点： • （1）各土层的水力坡 降与等效土层的平均水 力坡降相同。 • （2）通过整个土层的 总单位渗流量应为各土 层单位渗流量之和。 1 n kx = ∑ ki H i H i =1
2）渗流方向与土层层面垂直
• 特点： • （1）通过每一土层的水头损失之和等于通 过整个土层的水头总损失。 Δh • （2）通过整个土层的 单位渗流量必等于通 H1 k1 过各土层的渗流量。 渗
x
kz =
∑
n
i =1
H H i ( ) ki
流 方 向
k2 k3
承压水
H2 H H3
• 例题2-1 某渗透试验装置如 图2-8所示。砂样Ⅰ的渗透系 数 k1 = 2 ×10−1 cm/s；砂样Ⅱ的 −1 渗透系数 k2 = 1×10 cm/s，砂 2 样断面积 A = 200 cm 。 • 试问： • 1）若在砂样Ⅰ与砂样Ⅱ分界 面处安装一测压管，测压管 中水面将升至右端水面以上 多高？ • 2）每秒的渗流量是多少？
• 解: 1）从图2-8可看出，渗流自左边水管流经土 样砂样Ⅱ和砂Ⅰ样后的总水头损失 Δh = 30 cm 。 假如砂样Ⅰ、砂样Ⅱ各自的水头损失分别 为 Δh1 、Δh2 ，则
Δh1 + Δh2 = Δh = 30 cm
• 根据渗流连续原理，流经两砂样的渗透速度 应相等，即 v1 = v 2 。 • 按照达西定律， v = ki ，则 Δh Δh k1 1 = k 2 2 k1i1 = k 2 i2 L1 L2
(P57)
L2 = 50 cm ，k1 = 2k 2 ，故 已知 L1 = 30 cm ， 10 Δh2 = Δh1 3 代入 Δh1 + Δh2 = Δh = 30 cm 后，可求出
Δh1 = 6.923 cm
Δh2 = 23.077 cm
• 例题2-2 不透水基岩上面水平分布的三层 土，厚度均为1m，渗透系数分别 k 3 = 100 m/d， 为 k1 = 0.01 m/d、 k 2 = 1 m/d 、 试求出等效土层的水平向等效渗透系数和 垂直向等效渗透系数。 解: 水平向等效渗透系数为：
，
• 由此可知，在砂Ⅰ与砂Ⅱ分界面处，测压 管中水面将升至右端水面以上6.923cm。 Δh1 A • 2）根据 q = kiA = k1 L1
6.923 = 0 .2 × × 200 = 9.231 cm 3 /s 30
kx =
，
1 H
∑k H
i i =1
n
i
= 33.67 m/d
垂直向等效渗透系数为：
kz = H
∑k
i =1
n
Hi
i
= 0.03 m/d
(P62)
6
• 从例题的计算结果可以看出： • 平行于层面的等效渗透系数是各土层渗透 系数按厚度的加权平均值； • 垂直于层面的等效渗透系数则是渗透系数 小的土层起主要作用。 • 因此在实际问题中，选用等效渗透系数 时，一定要注意渗透水流的方向，选择正 确的等效渗透系数。
• 五、影响渗透系数的主要因素 • 1.土的粒度成分和矿物成分
• 土粒越粗，越浑圆，越均匀时，渗透系数 ｋ越大。 • 砂土中含有较多粉土，或粘土颗粒时，其 渗透系数ｋ就大大降低。 • 土中含有亲水性较大的粘土矿物或有机质 时，也大大降低土的渗透性。
• 2.土的密实度 • 土越松散，孔隙比e越大，渗透系数ｋ越 大，砂土的ｋ值大致与土的孔隙比ｅ的二 次方成正比。 • 3.土的饱和度 • 饱和度越大，孔隙中封闭气泡越少，渗透 系数ｋ越大。 • 4.土的结构 • 扰动土样与击实土样的ｋ值比相同密度原 状土样的ｋ值小。
5.水的温度 5.水的温度 动力粘滞度越大渗流速度越小。动力粘滞度 η随温度的增加而减少，水温越高，渗透系 随温度的增加而减少，水温越高，渗透系 η 数ｋ越大。 k = T k
20
• 6.土的构造 6.土的构造 • 天然土层通常不是各向同性的，在渗透性方 面往往也是如此。 • 如黄土特别是具湿陷性黄土，具有竖直方向 的渗透系数要比水平方向大得多。 • 层状粘土常夹有薄的粉砂层，它在水平方向 的渗透系数要比竖直方向大得多。
20
η
T
*第三节 渗流破坏与控制
• 一、渗流力（动水力）：水在土体中渗流时， 单位体积土颗粒所受到的作用力称为渗流力。 • 1.动水力演示试验
(1)当ａ与ｂ平齐时，则无 (1)当ａ与ｂ平齐时，则无 渗流发生； (2)将ｂ提升，则ｂ内的水 (2)将ｂ提升，则ｂ内的水 透过砂样从溢水口流出。 提升越高，水流越快。 (3)当ｂ提升到某一高度 (3)当ｂ提升到某一高度 时，可看到砂土出现像沸 时，可看到砂土出现像沸 腾那样的现象（砂沸 ）。 那样的现象（砂沸）。
2.渗流（动水）力 J计算公式 2.渗流（动水）力J
根据假想水柱隔离体的平衡条件，可得：
J = J
/
= γ i
w
动水力具有以下特征： (1)动水力是一种 体积力， 力， (1)动水力是一种体积 量纲为KN/m 量纲为KN/m3； (2)动水力与水力坡降成 正 (2)动水力与水力坡降成正 比； (3)动水力方向与渗流方向 (3)动水力方向与渗流方向 一致。 一致。
7
二、流砂（土）
1.流砂 ：当水在土中自下而上 自下而上渗流时，当动 渗流时，当动 1.流砂：当水在土中 水力大于等于 土的重力时，土颗粒间的有效 有效 水力大于等于土的重力时，土颗粒间的 应力为零，颗粒发生悬浮、流动的现象。 应力为零，颗粒发生悬浮、流动的现象。 2.特点 ：主要发 2.特点：主要发 生在地基或土坝 下游渗流溢出处 及基坑或渠道开 挖过程中，一般 是突发性的，对 突发性的，对 工程危害极大。
3.形成条件 ： 3.形成条件： 一般多发生在级配均匀的饱和粉、细 一般多发生在级配均匀的饱和粉、细 砂和粉土层中 。 砂和粉土层中。 （1）动水力大于等于土的浮重度
J ≥γ
/
（2）水力梯度大于等于临界水力梯度
i≥
γ / ds −1 icr = γ = 1 + e = ( d s − 1)(1 − n ) w
03年7月1 日9时， 流砂涌入 建设中的 上海地铁 四号线区 间隧道中 的浦西联 络通道， 造成严重 的地面沉 降。
8
• 4.防治原则 ： 4.防治原则： • （1）减小或消除水头差：采用坑外降低 地下水位或采用水下挖掘。 • （2）增长渗流路径：打板桩。 • （3）在向上渗流出口处地表压重。 • （4）加固土层；冻结法、注浆法。
9
• 三、管涌与潜蚀
• 1.管涌与潜蚀 1.管涌与潜蚀 • 在渗流作用下土体中的细颗粒在粗颗粒形成 的孔隙道中发生移动并被带走，在土中形成 管状孔洞的现象，与 人类活动有关的称为 有关的称为管 管 管状孔洞的现象，与人类活动 涌，自然形成的称为 潜蚀。 。 自然形成的称为潜蚀
• 2.特点
• 管涌破坏一般有个时间发育过程，是一种 渐进性质的破坏，按其发展的过程，可分 为两类。 • 危险性管涌土：一旦发生渗透变形就不能 承受较大的水力坡降； • 非危险性管涌土：当出现渗透变形后，仍 能承受较大的水力坡降，最后试样表面出 现许多大泉眼，渗透量不断增大，或者发 生流土。
• 3.形成条件
• 管涌的形成主要决定于土本身的性质，对 于某些土，即使在很大的水力坡降下也不 会出现管涌，而对于另一些土（如缺乏中 间粒径的砂砾土）却在不大的水力坡降下 就可以发生管涌。一般来说，粘性土只有 流土而无管涌。 • 无粘性土渗透变形的形式主要取决于颗粒 级配曲线的形状，其次是土的密度。
• （1）必要条件：土中粗颗粒所构成的孔 隙直径必须大于细颗粒的直径。通常发生 在Cｕ>10的土中。 >10的土中。 • （2）水力条件：动水力能带动细颗粒在 孔隙间滚动或移动。
• 4.防治原则 4.防治原则
• （1）改变几何条件，在渗流逸出部位铺 设反滤层。 • （2）改变水力条件，降低水力梯度，如 打板桩。
10
第二章 土的渗透性与渗流
第一节 概述 一、渗透性： 一、渗透性：水在能量差的作用下在土的孔 隙通道中流动的现象叫渗流，土的这种与渗 流相关的性质称为土的渗透性。 二、有关的工程问题 1.渗流量问题： 1.渗流量问题： （1）基坑涌水量计算
不透水层 基坑 天然水面
（2）水井涌水量估算
漏斗状
潜水面
透水层
透水层
透水层
不透水层
（3）沟渠渗水量计算
原地下水位
渗流时地下水位
• 2.渗透破坏问题
（4）土坝渗流量计算
防渗体 坝体
流砂
透水层
不透水层
1
三峡水利枢纽
第二节 土的渗流（透）定律
三、本章主要内容 1、土的渗透定律 2、渗流破坏与控制
一、基本概念 • （一）层流与紊流 • 1.层流 ：流线不相 1.层流：流线不相 交，水在砂土、粘性 土中流动属于层流。 • 2.紊流 ：流线相交， 2.紊流：流线相交， 水在较大水力梯度的 砾石土和巨粒土中流 动属于紊流。
2
• （二）过水断面与 渗流速度 （二）过水断面与渗流速度 • 1.过水断面： 水在饱和土体中渗流时，在 1.过水断面：水在饱和土体中渗流时，在 垂直于渗流方向取一个土体断面，该断面 叫过水断面。过水断面包括土颗粒和孔隙 所占据的面积，平行渗流时为平面，弯曲 渗流时为曲面。 • 2.渗流速度： 单位时间通过单位面积渗流 2.渗流速度：单位时间通过单位面积渗流 量。在时间t 量。在时间t内渗流通过该过水断面（其面 积为A 积为A）的渗流量为Q ）的渗流量为Q，渗流速度v ，渗流速度v为： Q v= At
• 需要明确的是，渗流速度 表征渗流的水在 需要明确的是，渗流速度表征渗流的水在 通过过水断面时的平均流速 ，并不代表水 通过过水断面时的平均流速，并不代表水 在土中渗流的真实流速 。水在饱和土体中 在土中渗流的真实流速。水在饱和土体中 渗流时，其实际平均流速 为： 渗流时，其实际平均流速为：
v=
• • •
Q nAt
（三）水头和水力梯度（坡降） 1.总水头、位置水头、压力水头、速度水头 1.总水头、位置水头、压力水头、速度水头 1）总水头h ）总水头h：某点单位质量液体所具有的总 机械能。
• 2）位置水头z ）位置水头z：相对于任意选定的基准面 的高度，单位质量液体所具有的位能。 u • 3）压力水头 ：某点孔隙水压力的水柱 γ w 高。
v2 • 4）速度水头 ： 2g
B 质量 m 压力 u 流速 v
u
• 2.水力梯度 2.水力梯度i：单位渗流长度的水头损失。 Δh i= L
△h
γw
• 单位质量液体所具 有的动能。
A
A
z
B
L
0
基准面
0
二、渗透试验与达西定律
• （一）渗透试验 • （二）达西定律
Q ΔhA =k = kAi t L • 或表示为 q=
h1
v=
q = ki A
L
A
透水石
Q
图2-6
达西试验装置
h2
A
• 式中ｑ——单位时间渗流量，ｃm3/s； • △h——水头差； • A——渗流土样截面积，ｃm2； • L——渗流长度，m 渗流长度，m； • k——渗透系数，ｃm/s ，其物理意 渗透系数，ｃm/s，其物理意 义是当水力坡降 ； 义是当水力坡降i=1时土的渗透速度 =1时土的渗透速度； • i——水力梯度； • v——渗流速度，ｃm/s 或m/d。 渗流速度，ｃm/s或 m/d。
3
达西定律说明：在层流状态的渗流 中，渗流速度与水力坡降成正比 ，并与土 中，渗流速度与水力坡降成正比，并与土 的性质有关。
• 在粘性土中由于土颗 粒周围存在结合水膜 v 而使土体呈现一定的 粘滞性。因此，粘性 土中自由水的渗流必 然会受到粘滞阻力的 影响，只有当水力梯 度达到一定数值后渗 流才能发生，将这一 o i0 水力梯度称为起始水 力梯度i0 ，达西定律可 表示为： v = k (i − i0 )
i
三、达西定律的适用范围
• （1）水流速度很小，为粘滞力占优势的 层流，达西定律适用，这时雷诺数Re （在流体运动中惯性力对黏滞力比值的 无量纲数，Re=UL/ν，其中U为速度特 征尺度，L为长度特征尺度，ν为运动学 黏性系数。）为1～10之间的某一值； • （2）水流速度增加到惯性力占优势的层 流并向紊流过渡时，达西定律不再适 用，这时雷诺数在10～100之间； • （3）随着雷诺数的增大，水流进入紊流 状态，达西定律完全不适用。
• 砾石土和巨粒土 • 较小水力梯度的砾 石土和巨粒土，流 速与水头梯度成正 比，但水在较大水 力梯度的砾石土和 巨粒土中流动属于 紊流，所以达西定 律不能适用。
四、渗透系数的确定 • （一）经验估算法 对于砂性土，太沙基曾提出如下的经验 公式进行估算：
2 2 k = 2d10 e
（二）试验测定法
常 水 头 室内试验 渗透系数测定 压缩试验 现场试验 抽水试验 变 水 头
k——渗透系数，cm/s； 式中： d10——有效粒径，mm； e——土的孔隙比。 几种土的渗透系数参考值见表2-1。
；
4
• 1、室内渗透试验： • （1）常水头试验：适于透水性大的砂 性土。
Qq =
Q = kiA t Q QL = ∴k = tiA tΔhA
• （2）变水头试验：适于透水性小的粘 ）变水头试验：适于透水性小的粘 性土。
t=t1
Δ h1 水头 测管 Δ h2 Q Q 土样 L 开 关 土样 水头 测管
k=
aL h ln 1 A(t2 − t1) h2
aL h lg 1 A(t 2 − t1 ) h2
t=t2
L
k = 2.3
开 关
A
A a
a
• 2、现场测定法：常用现场井孔抽水试验或 、现场测定法：常用现场井孔抽水试验或 井孔注水试验测定。
r r1
井
r2
r q ln( r ) k= π (h − h )
2 1 2 2 2 1
地下水位
h h1
不透水层
h2
) r k = 2 .3 π (h − h ) q
2 1 2 2 2 1
lg(
r
5
（三）成层土的等效渗透系数
1）渗流方向与土层层面平行 • 特点： • （1）各土层的水力坡 降与等效土层的平均水 力坡降相同。 • （2）通过整个土层的 总单位渗流量应为各土 层单位渗流量之和。 1 n kx = ∑ ki H i H i =1
2）渗流方向与土层层面垂直
• 特点： • （1）通过每一土层的水头损失之和等于通 过整个土层的水头总损失。 Δh • （2）通过整个土层的 单位渗流量必等于通 H1 k1 过各土层的渗流量。 渗
x
kz =
∑
n
i =1
H H i ( ) ki
流 方 向
k2 k3
承压水
H2 H H3
• 例题2-1 某渗透试验装置如 图2-8所示。砂样Ⅰ的渗透系 数 k1 = 2 ×10−1 cm/s；砂样Ⅱ的 −1 渗透系数 k2 = 1×10 cm/s，砂 2 样断面积 A = 200 cm 。 • 试问： • 1）若在砂样Ⅰ与砂样Ⅱ分界 面处安装一测压管，测压管 中水面将升至右端水面以上 多高？ • 2）每秒的渗流量是多少？
• 解: 1）从图2-8可看出，渗流自左边水管流经土 样砂样Ⅱ和砂Ⅰ样后的总水头损失 Δh = 30 cm 。 假如砂样Ⅰ、砂样Ⅱ各自的水头损失分别 为 Δh1 、Δh2 ，则
Δh1 + Δh2 = Δh = 30 cm
• 根据渗流连续原理，流经两砂样的渗透速度 应相等，即 v1 = v 2 。 • 按照达西定律， v = ki ，则 Δh Δh k1 1 = k 2 2 k1i1 = k 2 i2 L1 L2
(P57)
L2 = 50 cm ，k1 = 2k 2 ，故 已知 L1 = 30 cm ， 10 Δh2 = Δh1 3 代入 Δh1 + Δh2 = Δh = 30 cm 后，可求出
Δh1 = 6.923 cm
Δh2 = 23.077 cm
• 例题2-2 不透水基岩上面水平分布的三层 土，厚度均为1m，渗透系数分别 k 3 = 100 m/d， 为 k1 = 0.01 m/d、 k 2 = 1 m/d 、 试求出等效土层的水平向等效渗透系数和 垂直向等效渗透系数。 解: 水平向等效渗透系数为：
，
• 由此可知，在砂Ⅰ与砂Ⅱ分界面处，测压 管中水面将升至右端水面以上6.923cm。 Δh1 A • 2）根据 q = kiA = k1 L1
6.923 = 0 .2 × × 200 = 9.231 cm 3 /s 30
kx =
，
1 H
∑k H
i i =1
n
i
= 33.67 m/d
垂直向等效渗透系数为：
kz = H
∑k
i =1
n
Hi
i
= 0.03 m/d
(P62)
6
• 从例题的计算结果可以看出： • 平行于层面的等效渗透系数是各土层渗透 系数按厚度的加权平均值； • 垂直于层面的等效渗透系数则是渗透系数 小的土层起主要作用。 • 因此在实际问题中，选用等效渗透系数 时，一定要注意渗透水流的方向，选择正 确的等效渗透系数。
• 五、影响渗透系数的主要因素 • 1.土的粒度成分和矿物成分
• 土粒越粗，越浑圆，越均匀时，渗透系数 ｋ越大。 • 砂土中含有较多粉土，或粘土颗粒时，其 渗透系数ｋ就大大降低。 • 土中含有亲水性较大的粘土矿物或有机质 时，也大大降低土的渗透性。
• 2.土的密实度 • 土越松散，孔隙比e越大，渗透系数ｋ越 大，砂土的ｋ值大致与土的孔隙比ｅ的二 次方成正比。 • 3.土的饱和度 • 饱和度越大，孔隙中封闭气泡越少，渗透 系数ｋ越大。 • 4.土的结构 • 扰动土样与击实土样的ｋ值比相同密度原 状土样的ｋ值小。
5.水的温度 5.水的温度 动力粘滞度越大渗流速度越小。动力粘滞度 η随温度的增加而减少，水温越高，渗透系 随温度的增加而减少，水温越高，渗透系 η 数ｋ越大。 k = T k
20
• 6.土的构造 6.土的构造 • 天然土层通常不是各向同性的，在渗透性方 面往往也是如此。 • 如黄土特别是具湿陷性黄土，具有竖直方向 的渗透系数要比水平方向大得多。 • 层状粘土常夹有薄的粉砂层，它在水平方向 的渗透系数要比竖直方向大得多。
20
η
T
*第三节 渗流破坏与控制
• 一、渗流力（动水力）：水在土体中渗流时， 单位体积土颗粒所受到的作用力称为渗流力。 • 1.动水力演示试验
(1)当ａ与ｂ平齐时，则无 (1)当ａ与ｂ平齐时，则无 渗流发生； (2)将ｂ提升，则ｂ内的水 (2)将ｂ提升，则ｂ内的水 透过砂样从溢水口流出。 提升越高，水流越快。 (3)当ｂ提升到某一高度 (3)当ｂ提升到某一高度 时，可看到砂土出现像沸 时，可看到砂土出现像沸 腾那样的现象（砂沸 ）。 那样的现象（砂沸）。
2.渗流（动水）力 J计算公式 2.渗流（动水）力J
根据假想水柱隔离体的平衡条件，可得：
J = J
/
= γ i
w
动水力具有以下特征： (1)动水力是一种 体积力， 力， (1)动水力是一种体积 量纲为KN/m 量纲为KN/m3； (2)动水力与水力坡降成 正 (2)动水力与水力坡降成正 比； (3)动水力方向与渗流方向 (3)动水力方向与渗流方向 一致。 一致。
7
二、流砂（土）
1.流砂 ：当水在土中自下而上 自下而上渗流时，当动 渗流时，当动 1.流砂：当水在土中 水力大于等于 土的重力时，土颗粒间的有效 有效 水力大于等于土的重力时，土颗粒间的 应力为零，颗粒发生悬浮、流动的现象。 应力为零，颗粒发生悬浮、流动的现象。 2.特点 ：主要发 2.特点：主要发 生在地基或土坝 下游渗流溢出处 及基坑或渠道开 挖过程中，一般 是突发性的，对 突发性的，对 工程危害极大。
3.形成条件 ： 3.形成条件： 一般多发生在级配均匀的饱和粉、细 一般多发生在级配均匀的饱和粉、细 砂和粉土层中 。 砂和粉土层中。 （1）动水力大于等于土的浮重度
J ≥γ
/
（2）水力梯度大于等于临界水力梯度
i≥
γ / ds −1 icr = γ = 1 + e = ( d s − 1)(1 − n ) w
03年7月1 日9时， 流砂涌入 建设中的 上海地铁 四号线区 间隧道中 的浦西联 络通道， 造成严重 的地面沉 降。
8
• 4.防治原则 ： 4.防治原则： • （1）减小或消除水头差：采用坑外降低 地下水位或采用水下挖掘。 • （2）增长渗流路径：打板桩。 • （3）在向上渗流出口处地表压重。 • （4）加固土层；冻结法、注浆法。
9
• 三、管涌与潜蚀
• 1.管涌与潜蚀 1.管涌与潜蚀 • 在渗流作用下土体中的细颗粒在粗颗粒形成 的孔隙道中发生移动并被带走，在土中形成 管状孔洞的现象，与 人类活动有关的称为 有关的称为管 管 管状孔洞的现象，与人类活动 涌，自然形成的称为 潜蚀。 。 自然形成的称为潜蚀
• 2.特点
• 管涌破坏一般有个时间发育过程，是一种 渐进性质的破坏，按其发展的过程，可分 为两类。 • 危险性管涌土：一旦发生渗透变形就不能 承受较大的水力坡降； • 非危险性管涌土：当出现渗透变形后，仍 能承受较大的水力坡降，最后试样表面出 现许多大泉眼，渗透量不断增大，或者发 生流土。
• 3.形成条件
• 管涌的形成主要决定于土本身的性质，对 于某些土，即使在很大的水力坡降下也不 会出现管涌，而对于另一些土（如缺乏中 间粒径的砂砾土）却在不大的水力坡降下 就可以发生管涌。一般来说，粘性土只有 流土而无管涌。 • 无粘性土渗透变形的形式主要取决于颗粒 级配曲线的形状，其次是土的密度。
• （1）必要条件：土中粗颗粒所构成的孔 隙直径必须大于细颗粒的直径。通常发生 在Cｕ>10的土中。 >10的土中。 • （2）水力条件：动水力能带动细颗粒在 孔隙间滚动或移动。
• 4.防治原则 4.防治原则
• （1）改变几何条件，在渗流逸出部位铺 设反滤层。 • （2）改变水力条件，降低水力梯度，如 打板桩。
10