第3章 土的渗透性和渗流

板桩墙
基坑
渗流问题 1.渗流量（降水办法） 2.渗透破坏（流砂）
透水层 不透水层
§3.1 概 述
土坝蓄水后水透
土石坝坝基坝身渗流 过坝身流向下游
防渗体
坝体 浸润线
渗流问题： 1.渗流量？ 2.渗透破坏？
透水层
3.渗透力？
不透水层
§3.1 概 述 水井渗流
Q 天然水面
透水层
不透水层
渗流问题： 1.渗流量Q？ 2.降水深度？
土愈密实，k值得愈小。试
• 土的密实度
验表明，对于砂土，k值对数与孔
• 土的饱和度
隙比及相对密度呈线性关系；对
• 土的结构和构造 粘性土，孔隙比对k值影响更大。
（2）水的性质
§3.2 土的渗透性
4.影响土的渗透系数主要因素
（1）土的性质
• 粒径大小及级配 • 土的密实度
• 土的饱和度 • 土的结构和构造
第3章 土的渗透性和渗流
§3.1 概
述
§3.2 土的渗透性
§3.3 土中二维渗流及流网
§3.4 渗透破坏与控制
§3.1 概 述
土是一种三相组成的多孔介质，其孔隙在空 间互相连通。如果存在水位差的作用，水就会在 土的孔隙中从能量高的点向能量低的点流动。
水等液体在土体孔隙中
流动的现象称为渗流。
土具有被水等液体透过
k1
h1 L1
k2
h2 L2
已知：L1=L2=40cm, k1= 2k2，故2△h1= △h2 ，
代入△h1+△h2 = △h=30cm得：
△h1=10cm，△h2 = 20cm
由此可知，测压管中的水面将升至右端水面以上10cm处。
2.
根据Q
kiA
k1i1
A
k1
h1 L1
A
0.2
10 40
200
20cm3
• 粒径大小及级配 小的主要影响因素；
• 土的密实度 • 土的饱和度
因由粗颗粒形成的大孔隙可 被细颗粒充填，故土体孔隙的大 小一般由细颗粒所控制。因此，
• 土的结构和构造 土的渗透系数常用有效粒径d10来
(2)水的性质
表示。
§3.2 土的渗透性
4.影响土的渗透系数主要因素
（1）土的性质
• 粒径大小及级配
§3.2 土的渗透性
达西渗透实验
试验装置主要部分是上端开口 的直立圆筒，下部放碎石，碎石 上放一块多孔滤板，滤板上放置 颗粒均匀的土样，其断面面积为 A，长度为L。筒的侧壁装有两只 测压管。水由上端进水管注入量 筒，透过土样的水流入下面的容 器中。
§3.2 土的渗透性
q kA h1 h2 kiA vA L
式中：q 单位渗水量，cm3 / s； A 断面面积，cm2； k 土的渗透系数； v 断面平均渗流速度(v ki)，cm / s；
i 水力梯度（ h1 h2 ）。 L
达西定律：流量q与过水面积A和水头（h1–h2）成正比与 渗透路径L成反比。
§3.2 土的渗透性
实验证明：在砂土中水的流动符合达西定律。 它是通过坐标原点的直线，而在粘性土中，只有当 水头梯度i超过起始水头梯度i0后才开始发生渗流。
/
s
§3.2 土的渗透性
3.2.3 渗透试验和渗透系数
渗透系数k 是反映土的渗透能力的定量指标，
同时也是渗流计算必须用到的基本参数。它可以通
过试验直接测定。
室内试验方法
• •
常水头试验法 变水头试验法
• 井孔抽水试验
野外试验方法 • 井孔注水试验
§3.2 土的渗透性
1.常水头法 •在整个试验过程中，水头保持不变。 •常水头法适用于透水性强的无粘性土。
§3.2 土的渗透性
§3.2 土的渗透性
3.2.2 土的层流渗透定律 水在土中流动时,由于土的孔
隙通道很小,且很曲折,渗流过程中 粘滞阻力很大,所以多数情况下,水 在土中的流速缓慢,属于层流状态。
法国工程师H.达西(Darcy，1855)利用该试验装 置对均匀砂进行了大量渗透试验，得出了层流条件下， 土中水渗透速度与能量(水头)损失之间关系的渗流规 律，即达西定律。
• 土的密实度
面或边与边搭接）比分散结构（面对面的 片状堆积）具有更大的透水性；
• 土的饱和度
在宏观构造上，天然沉积的层状粘性
土层，由于扁平状黏土颗粒的水平排列，
• 土的结构和构造 往往使土层水平方向的透水性大于垂直层
（2）水的性质 面方向的透水性，有时水平方向上的透水
性是垂直层面不会发生仅由压力水头差引起的
自B向A的渗流。结论是A、B两点间无渗流发生。
§3.2 土的渗透性
例3-2 :某渗透试验装置及各点的测管水头位置如 图所示。试求出点B、C、D、F的位置水头、压力 水头、总水头及各段水头损失。
解:选最低水位面0-0为基准面，列表算出上述 所求各点的水头值(单位cm)。
§3.1 概 述
2. 渗透破坏问题 土中的渗流会对土颗粒施加作用力即渗流力，
当渗流力过大时就会引起土颗粒或土体的移动．产 生渗透变形，甚至渗透破坏，如边坡破坏、地面隆 起、堤坝失稳现象。
3. 渗流控制问题 当渗流量或渗透变形不满足设计要求时，就要 研究工程措施进行渗流控制。
§3.1 概 述
板桩围护下的基坑渗流
dQ k h Adt L
§3.2 土的渗透性
同一时间内经过土样的渗水量与细管的入水量相等：
k h Adt adh, 则 dt aL dh
L
kA h
将两边积分
t2 dt t2 aL dh
t1
t1 kA h
从而得到土的渗透系数
k aL ln h1 或 k 2.3 aL lg h1
A(t2 t1) h2
层呈现明显的各向异性。
§3.2 土的渗透性
4.影响土的渗透系数主要因素
（1）土的性质
• 粒径大小及级配
• 土的密实度
• 土的饱和度
温度愈高，水的动力粘滞度
• 土的结构与构造 越小，土的渗透系数则愈大。
（2）水的性质 《土工试验方法标准》规定标准
温度为20℃。
§3.2 土的渗透性
影响土的渗透系数的主要因素是土的孔隙比和 颗粒性质（粒径大小及级配）。
γw γw 水的重度（kN / m3）；z 位置水头即基准面高程（m）。
§3.2 土的渗透性
§3.2 土的渗透性
例3-1:在一个玻璃筒中装满饱和砂及静态水，如下
图（a）所示，试证明土内A、B两点间无渗流发生。
解:1.任选基准面0-0，并分别自A、B两点安置两根测压管，
测压管中水位均应上升至筒中静水位高度，如（b）图。
卡沙格兰德建议的三个重要界限值为1.0cm/s 、 10-4cm/s和10-9cm/s，在工程应用中很有意义。
1.0cm/s是土中渗流的层流和紊流的界限； 10-4cm/s是排水良好与排水不良的界限，也是对 应于发生管涌的敏感范围； 10-9cm/s大体是土的渗透系数的下限。
§3.2 土的渗透性
5.成层土的等效渗透系数 天然沉积土是由渗透性不同的土层所组成。对 于土层层面平行和垂直的简单渗流情况，当各土层 的渗透系数和厚度为已知时，即可求出整个土层与 层面平行和垂直的平均渗透系数，作为进行渗流计 算的依据。
2.变水头法 •在整个试验过程中，水头是随着时间而变化的。 •变水头法适用于透水性弱的粘性土。
§3.2 土的渗透性
试验时，将玻璃管充水至 需要的高度后，开动秒表， 测记起始水头差△h1，经过 时间t后，再测记终了水头差 △h2，通过建立瞬时达西定 律，即可推出渗透系数k的 表达式。
dQ adh 根据达西定律，在 dt时段内流经试样的水量 可表达为
§3.1 概 述
综上所述，水在土体中的渗流，一方面会引起水 头损失或基坑积水，影响工程效益和进度；另一方面 将引起土体变形，改变构筑物或地基的稳定条件，直 接影响工程安全。
§3.2 土的渗透性
水在土的孔隙中流动，其形式可以分为层流和紊流。 层流－流速较小时，液体质点作有序的直线运动，水流 各层或微小流束上的质点彼此互不混掺的流动； 紊流－随流速增大，流层逐渐不稳定，质点相互混掺， 液体质点运动轨迹极不规则的流动。
A(t2 t1) h2
选择几组量测结果 ，计算相应的k，取平均值。
§3.2 土的渗透性
室内试验方法小结
§3.2 土的渗透性
3. 现场测定渗透系数 有野外注水试验和抽水试验等，是在现场钻井
孔或挖试坑，在往地基中注水或抽水时，量测地基 中的水头高度和渗流量，再根据相应的理论公式求 出渗透系数k值。
§3.2 土的渗透性
2.列表标出A、B两点间的各种水头：
位置 A B
位置水头（z）
zA zB
压力水头（u/γw） huA huB
总水头（h）
zA+huA=h zB+huB=h
3.上表说明，尽管在位置水头上zA＞zB,在压力水头上 huA＜huB，但A、B两点的总水头却相同，均等于h,两点间 的总水头差△h＝0。因此，既不会发生仅由位置水头差引
在粗粒土孔隙中，水流形态可能会随流速增 大呈紊流状态，渗流不再服从达西定律。可 用雷诺数进行判断，雷诺数≤10的地下水层 流运动适用于达西定律。
§3.2 土的渗透性
例3-3 :某渗透试验如图所示，砂样的断面积A=200cm2,砂Ⅰ 的渗透系数k1=2×10-1cm/s；砂Ⅱ的渗透系数k2=1×10-1cm/s； 试问：1.若在砂Ⅰ和砂Ⅱ分界面处安装一测压管，则测压管中 的水面将升至右端水面以上多高；2.砂Ⅰ和砂Ⅱ界面处的单位 渗水量q为多大？
§3.2 土的渗透性
在圆柱形试验筒内装填截面为A，长度为L的饱和 试样，打开阀门，使水自上而下流经试样，并自出 水口处排出，待水头差△h和渗出的流量稳定后，量 测经过一定时间t内流经试样的水量Q。