《渗流理论》PPT课件

h q k( d1 )(d1 1) k h
q
k(
h
d3
)( d 3
1)
k
h
q q'
性质Ⅱ:各流管内的流量是相等的 q=q′
二.流网的绘制及应用
第3节 流网理论简介
基本要求：
H
s l
0
△h l
s
1. 正交性：流线与等势线必须正交 2. 各个网格的长宽比c应为常数。取c=1，即为曲边正方形 3. 在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。
按层厚加权平均，由较大值控制
H
k z
0.03m / day Hi
ki
倒数层厚加权平均，由较小值控制
本节小结
第2节 达西定律
一．渗流中的水头与水力坡降 二．渗透试验与达西定律 三．渗透系数的测定及影响因素 四．层状地基的等效渗透系数
能量方程 渗流速度的规律 渗透特性 地基的渗透系数
本章内容
第1节 地下水引发的工程问题 第2节 达西定律
设在任意时刻测压管的水位为h(变数)，水力坡降i=h/l。在dt时间内， 断面积为A的测压管水位下降了dh,则
A t2
h2 dh
k h Adt a(dh)
k
l
dt a
t1
h1
h
l
k
A l
(t2
t1)
a lg
h2 h1
a lg
h1 h2
k 2.3al lg h1 A(t2 t1) h2
3.现场抽水试验
V k h At 2.5102 45 120 10 54 cm3
l
25
2.变水头渗透试验
第2节 达西定律
该试验适用于:渗透系数较小的细砂及粉砂。
如图所示，圆柱体试样断面积为A，长度为l，在试验中测压管的水位 在不断下降，测定从时间t1到t2时测压管的水位h1和h2后，渗透系数可以 按照以下的方法求出:
水对土特性影响的直观理解为：土的含水量小时，土比较硬；土中适当 含水可使散粒土颗粒粘合在一起，使其具有一定的粘结强度，但当土的含水 量过大时则会变软。
当水在土中流动较快时，将引起坝基渗流、基坑渗流、塌方、泥石流及流 土、地下工程受淹等灾害。
土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖
土石坝 浸润线
不透水层
透水层
vi
v ki
A
Av
第2节 达西定律
k: 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i＝1时的渗流速度 单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day
在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i 的一次方成正比，并与土的性质有关。
注意： V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度
渗流量 渗透变形
板桩围护下的基坑渗流
板桩墙
基坑
透水层 不透水层
渗水压力 渗流量 渗透变形
水井渗流
渗流量
Q
天然水面
第1节 地下水引发的工程问题
透水层
不透水层
渠道渗流
原地下水位
渗流量
渗流时地下水位
渗流滑坡
渗流滑坡
渗 流 作 用 造 成 大 坝 塌 方
第2节 地下水引发的工程问题
雨 后 出 现 的 山 体 滑 坡 事 故
k3
H3
2 不透水层 L
竖直渗流:
条件:
vi v
h hi
H Hi
等效渗透系数:
vi = ki (Δhi/Hi)
hi
vH i ki
h vH kz
vH kz
vH i ki
1 ( Hi 1 )
kz
H ki
kz
H Hi
ki
第2节 达西定律
z k1
v
k2
k3
承压水
Δh x
H1 H2 H H3
△h l
s
第3节 流网理论简介
实际应用：
H
△h l
s
1.测管水头 2.水力坡降
h
i H / l
s l
0
3.确定孔压 （h hz）
4.确定流速 vi k ii
二. 渗透试验与达西定律
1.渗透试验
▪试验前提：层流 ▪试验装置：如图
▪试验条件: h1，A，L=const ▪量测变量: h2，V，T ▪试验结果
Δh=h1-h2
Q=V/T
Δh↑，Q↑ A↑，Q↑ L↑， Q↓
Q A h L
断面平均流速 v Q A
水力坡降 i h L
vi
2. 达西定律 渗透定律
第2节 达西定律
第3节 流网理论简介 第4节 流土、管涌及其防治 第5节 非饱和土的湿化及其危害
第2节 达西定律
水在土的孔隙中流动，其形式可以分为： 层流：水的流速很慢，认为相邻两个水分子运动轨迹相互平行而不混掺。 紊流：紊流与层流的意义相反。
层 流
层流
紊 流
紊流
2.1 渗流定律 一、贝努力定律
v vcr o
v
o i0
第2节 达西定律
v k im (m 1)
i
i
三. 渗透系数的测定 测定土的渗透系数的方法有:
第2节 达西定律
室内试验测定方法 野外试验测定方法
常水头试验法 变水头试验法 井孔抽水试验 井孔注水试验
第2节 达西定律
1.常水头渗透试验
该试验适用于渗透性大的粗颗粒土。试验装置如图所示，圆柱 体试料断面积为A，长度为l，保持水头差h不变，测定经过一 定时间t的透水量是V，渗透系数k可根据式导出如下：
第2节 达西定律
野外测定方法－抽水试验和注水试验法
观察井
A=2πrh i=dh/dr
Q Aki 2rh k dh
抽水量Q
r2 r r1
dr
dr
dr
井
dh
Q 2khdh
r
Q ln r2 r1
k
(h
2 2
h12 )
地下水位≈测压管水面
h1 h
h2
k
Q
ln(r2 / r1 )
h
2 2
h12
不透水层
q
k(
h d1 )(d1
1)
k(
h' d 2 )(d 2
1)
式中:(d1χ1）和（d2χ1） 表示与流线正交的断面积的 单位厚度。由上式得Δh =Δhˊ，
性质Ⅰ:表示各正方形网格的水头损失 相等,即各等高线上水位相等。
第3节 流网理论简介
设C的内接圆直径为d3，比较通过相同的等势线中的两部分A和B的透水量
第3节 流网理论简介
第4节 流土、管涌及其防治 第5节 非饱和土的湿化及其危害
第3节 流网理论简介
一、流网性质
由流线和等势线组成的网格叫流网。流线和等势线正交，所以把网格在 局部绘制成正方形是很方便的。这里，所谓的正方形，是指图所示的与 圆外切的方块形。
第3节 流网理论简介
为了了解这种正方形流网的性质，如图所示，从流网中取出三个正方 形网目A,B,C。 设A和B的内接圆直径分别是d1，d2，通过包含A，B在内的流线间的（称 为流管）流量不变，根据达西定律q=kiA，有：
n
kxix H kxiixiHi i 1
ix ixi
n
kxiHi
kx
i 1
H
第3节 达西定律
易知垂直透水时，各层土单位面积上的垂直透水量相等，有:
qz
qzi
k zi izi
k zi
hi Hi
n
qz
i1
Hi k zi
h
又因为总垂直透水量为:
故总垂直渗透系数为:
n
hi
i 1
n
qz
i 1
Hi k zi
衡量无粘性土的密实度方法
孔隙比e或孔隙率n 相对密度Dr 现场标准贯入试验测定
1. 水是土的一个组成成分，在地下工程中举足轻重。 2. 有时我们需要地下水，但更多的是治水。由于水的原因造成重大工程事故并不
少见。 3. 对地下水的研究是土力学的一个重要内容。
第1节 地下水引发的工程问题
土中通常含有水，土中含水量的变化及土体中水的流动对土特性的影响 非常大。有时这种影响可能会带来灾难。
h
qz
h n Hi
i1 kzi
qz
kziz
kz
h H
kz
H n Hi
i1 kzi
第2节 达西定律
算例说明
H1 1.0m, H2 1.0m, H3 1.0m,
k1 0.01m / day k 2 1m / day k 3 100m / day
k x
k iHi 33.67m / day H
i1
（2）试求垂直透水时总垂直渗透系数Kz 。提示：
n
qz qzi , h hi
i 1
第2节 达西定律
来自百度文库
第3节 达西定律
解:
(1)水平透水时各层土的水力坡降（或水头差）相等，单位 面积上的总水平透水量等于各层透水量之和，即:
，
n
qx qxi
qx kxixH
qxi kxiixiHi
i 1
层状地基的等效渗透系数
天然土层多呈层状
第2节 达西定律
✓确立各层的ki ✓根据渗流方向确定等效渗流 系数
等效渗透系数
第2节 达西定律
条件
已知 等效 推定
水平渗流情形
q qi;H Hi;
ii
i
h L
H1, H2 ...;k1...
q kxiH
1
kx H kiHi
垂直渗流情形
q1 q2 ... q; v1 v2 ... v;
例题2.3 某水平堆积而成的成层土的层厚自上而下分别为H1，H2，…，Hn，水 平渗透系数分别是Kx1，Kx2，…，Kxn，垂直渗透系数分别是Kz1，Kz2，…，Kzn， 如果上下面的总水头差是Δh。 （1）试求水平透水时总水平渗透系数Kx 。提示：
n
ix ixi (h hi ), qx qxi
第二章
渗流、流土和湿化
§2.1 地下水引发的工程问题 §2.2 达西定律 §2.3 流网理论简介 §2.4 流土、管涌及其防治 §2.5非饱和土的湿化及其危害
§1.4 无粘性土的密实特性
无粘性土的松密程度 影响 力学特性
密实度大
结构稳定、强度大、压缩变形小
密实度小
结构疏松、不稳定、压缩变形大
定义: 土的密实度通常是指单位体积中固体颗粒的含量
h hi;H Hi
H1, H2 ...;k1,k 2 ...
v
kzi
kz
h H
kz
H Hi
ki
5.渗透系数的影响因素分析
第2节 达西定律
k f (土粒特性、流体特性）
✓粒径大小及级配 ✓孔隙比 ✓矿物成分 ✓结构性
水的动力粘滞系数 饱和度（含气量）对k影响 很大，封闭气泡
第2节 达西定律
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，则贝努力定律可以用下式表示:
v2 z u h 常数
2g
w
总水头 －单位质量水体所具有的能量
h
h z u v2 w 2g
z：位置水头 u/γw：压力水头
V2/(2g)：流速水头
≈0 总水头： h z
u
w
Q V kiA k h A
t
l
k V /t Vl Ai Aht
第3节 达西定律
例题2.1 在图2.2所示的常水头渗透试验（h=45cm，l=25cm）中，若土试样的断面积是 120cm2，渗透系数是2.5×10-2cm/sec，求10sec内土的透水量。 解: 已知 A=120cm2，k =2.5×10-2cm/sec，t =10sec， h=45cm，l=25cm 根据常水头渗透试验透水量公式，得10sec内土的透水量为:
小结
土的渗透性及渗透规律 二维渗流及流网
渗透力与渗透变形
渗流量 渗水压力 渗透变形 渗流滑坡
挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 边坡渗流
土坡稳定分析
渗流：水在土体孔隙中流动的现象。 渗透性：土具有被水等液体透过的性质。 渗透力：流经土体的水流对土颗粒和土体施加的作用力。
本章内容
第1节 地下水引发的工程问题
uA w
h1 zA
0
A B
L
基准面
A点总水头：
h1
zA
uA w
B点总水头：
h2
zB
uB w
水力坡降： i h L
h1 h2 h
Δh
uB
w h2 zB
0
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:
z u h
w
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）h 高的地方向低的地方流。常说的“水从高 处向低处流”，在这里不只是位置水头z， 还应该加上压力水头，应该理解成为水从 总水头（势）h的高处向低处流。
第3节 流网理论简介
绘制方法
根据渗流场 的边界条件
确定边界流线 和首尾等势线
H 0
A
B s
l
△h
l
s
D
C 0
正交性 曲边正方形
初步绘制流网 流线→等势线→反复修改，调整
一个高精度的流网图，需经过 多次的修改后才能完成。
精度较高的流网图
第4节 流网理论简介
H
流网特点：
s l
0
1.与上下游水位变化无关 Δh=const； 2.与k无关； 3.等势线上各点测管水头h相等。
优点：可获得现场较为可 靠的平均渗透系数
缺点：费用较高，耗时较长
4.层状地基的等效渗透系数
第2节 达西定律
水平渗流
条件:
ii
i
h L
1
qx qix
H Hi
q1x
等效渗透系数:
qx=vxH=kxiH
q2x
Σqix=ΣkiiiHi
q3x
k x
1 H
kiHi
1
2 Δh x
z k1 k2
H1 H2 H
Vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度
n Av A
A > Av Q＝VA ＝ VsAv
v
vs
v n
适用条件
层流（线性流） ——大部分砂土，粉土；疏松的粘土 及砂性较重的粘性土
两种特例
粗粒土： ①砾石类土中的渗流不符合达西定律 ②砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s 粘性土： 致密的粘土 i>i0, v=k(i - i0 )