土力学-第二章土的渗透性及渗流
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九江大堤决口
1998年8月7日13:10 发生管涌险情，很快 形成宽62m的溃口 原因 堤基管涌
8
土石坝坝基坝身渗流破坏实例
位于青海省，高71 米，长265米，建 于1989年。 1993年8月7日突然 发生溃坝，是现代 碾压堆石坝垮坝的 先例。
面板砂砾石坝
溃坝原因： 面板止水失效，下游坝体排水不畅， 造成坝坡失稳
5
Teton坝失事现场现状
土坝，高93m， 长1000m， 1975年建成， 次年6月失事 原因
渗透破坏：管涌 水力劈裂
6
2、渗流量的计算及渗透变形控制问题
土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖 不透水层
土石坝
浸润线
透水层
渗流问题：
1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗透力？
7
土石坝坝基坝身渗流破坏实例
库水位升降引发滑坡
17
第一节 土的渗透定律
一、水头 二、水力梯度 三、达西渗透定律 四、达西定律的适用范围
18
水流动的驱动力
水往低处流
位置：使水流从位置势能 高处流向位置势能低处
速度v
水往高处“跑”
压力u
流速：水具有的动能 压力：水所具有的压力势能
19
一、水头
水头 hydraulic head：单位重量的水所具有的能量。
27
两种特例：
（1）粗粒土：
v
①砾石类土中的渗流常不符合达西定律 vcr
②砂土中渗透速度
o
vcr=0.3-0.5cm/s
（2）粘性土： 致密的粘土
i > i0
修正：v = k(i - i0 )
v
o i0
v kim (m 1)
i
i
28
第二节 渗透系数及其测定
一、渗透系数的影响因素 二、渗透系数的测定方法 三、成层土的平均渗透系数
9
2、渗流量的计算及渗透变形控制问题
基坑围护结构下的渗流
板桩墙
基坑
透水层
渗流问题：
1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗水压力？
不透水层
10
基坑开挖降水
井点降水
11
管井降水
12
工程实例 湖南浯溪水电站二期基坑出现管涌
13
2、渗流量的计算及渗透变形控制问题
水井渗流 Q
天然水面
含水层
渗流问题：
uB
w
hB
zB
21
二、水力梯度
uA
w
hA zA
测压管 piezometer tube
总水头线
A B
L
h
uB
w
hB
zB
水力梯度（坡降） hydraulic gradient
i hA hB h LL
单位流程的水头损失。
22
三、达西渗透定律
1.达西渗透试验
▪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
土的力学性质
渗透特性
强度特性
变形特性
3
为什么要学习土的渗透性和水的渗流？
土的渗透性和水的渗流 工程活动
直接影响
（1） 渗透变形（破坏）问题 （2） 渗流量的计算问题 （3） 渗流变形控制问题
4
1、渗透变形（破坏）问题
因渗流造成土体变形甚至破坏
Teton大坝， 位于美国爱达 荷州的东南部， 为高93m的土坝。 1976年6月5日 该坝完成后第 一次蓄水时即 发生破坏，造 成11人死亡及 数百万美元的 损失。破坏是 由右岸距坝顶 约40m处的一个 漏洞引起的。
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
水力梯度 i h L
vi
23
2.达西定律
渗透定律
vi
k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数
物理意义：水力梯度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与水力梯度i 的一次方成正比，并与土的性质有关。
v ki
A
Av
注意：
v：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度
vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度
土截面
n Av
A
v
A > Av q＝vA ＝ vsAv
v vs n
24
四、达西渗透定律的适用范围 适用条件： 层流（线性流）
按地下水的渗流状态
线性流（层流） 地下水的渗流速度 与水力梯度成正比
1.渗流量Q？ 2.降水深度？
不透水层
14
2、渗流量的计算及渗透变形控制问题
渠道渗流
渗流时地下水位
渗流问题：
1.渗流量？ 2.地下水影响 范围？
原地下水位
15
2、渗流量的计算及渗透变形控制问题
降雨入渗引发滑坡
降雨入渗 引发滑坡
16
2、渗流量的计算及渗透变形控制问题
2003年7月三峡库区 湖北省秭归县发生 的千将坪滑坡，该 滑坡造成24人死 亡，22艘船翻沉。
适用范围：
岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般 粘土，均属层流范围
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Re进行判断：
雷诺数Re ：是流体力学中用来判别流体流动状态的重要参数
Re＜5~10时层流 Re ＞100~200时紊流 100~200＞ Re ＞5~10时为过渡区
非线性流（紊流） 地下水的渗流速度与 水力梯度成非线性关系
线性稳定流
线性非稳定流
非线性稳定流 非线性非稳定流
我们现在需要掌握和理解的达西定律
25
四、达西渗透定律的适用范围
水 2.0 力 坡 1.5 降
1.0 0.5
0
达西定律 适用ห้องสมุดไป่ตู้围
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 流速 (m/h)
26
板桩墙
基坑
A
透水层
L
不透水层
B
20
土体中一点总水头
动水头速度水头
h z hw hv z u / w v2 / 2g
势水头 位置水头
静水头 孔隙水压
渗流速度
压力水头
测压管 piezometer tube
uA
w
hA zA
总水头线
A B
L
土中渗流速度 通常较小， 可忽略，故有
h zu/w
h
29
一、渗透系数的影响因素
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
➢饱和度（含气量） ➢水的动力粘滞系数
30
土粒特性对渗透系数的影响
（1）土颗粒的粒径、级配和矿物成分
a. 砂土的渗透性由其中的小颗粒控制 土中孔隙直径大小是主要影响因素； 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。
第二章 土的渗透性及水的渗流
1
主要内容
第一节 土的渗透定律 第二节 渗透系数及其测定 第三节 渗透力及临界水力梯度 第四节 二维稳定渗流问题（自学）
2
什么是土的渗透性和水的渗流？
土
多孔介质
渗流
三相体系 能量差
孔隙流体流动
土颗粒 土中水
水在土体孔隙中流动的现象
渗流
土具有被水透过的性质
渗透性
1998年8月7日13:10 发生管涌险情，很快 形成宽62m的溃口 原因 堤基管涌
8
土石坝坝基坝身渗流破坏实例
位于青海省，高71 米，长265米，建 于1989年。 1993年8月7日突然 发生溃坝，是现代 碾压堆石坝垮坝的 先例。
面板砂砾石坝
溃坝原因： 面板止水失效，下游坝体排水不畅， 造成坝坡失稳
5
Teton坝失事现场现状
土坝，高93m， 长1000m， 1975年建成， 次年6月失事 原因
渗透破坏：管涌 水力劈裂
6
2、渗流量的计算及渗透变形控制问题
土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖 不透水层
土石坝
浸润线
透水层
渗流问题：
1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗透力？
7
土石坝坝基坝身渗流破坏实例
库水位升降引发滑坡
17
第一节 土的渗透定律
一、水头 二、水力梯度 三、达西渗透定律 四、达西定律的适用范围
18
水流动的驱动力
水往低处流
位置：使水流从位置势能 高处流向位置势能低处
速度v
水往高处“跑”
压力u
流速：水具有的动能 压力：水所具有的压力势能
19
一、水头
水头 hydraulic head：单位重量的水所具有的能量。
27
两种特例：
（1）粗粒土：
v
①砾石类土中的渗流常不符合达西定律 vcr
②砂土中渗透速度
o
vcr=0.3-0.5cm/s
（2）粘性土： 致密的粘土
i > i0
修正：v = k(i - i0 )
v
o i0
v kim (m 1)
i
i
28
第二节 渗透系数及其测定
一、渗透系数的影响因素 二、渗透系数的测定方法 三、成层土的平均渗透系数
9
2、渗流量的计算及渗透变形控制问题
基坑围护结构下的渗流
板桩墙
基坑
透水层
渗流问题：
1. 渗流量？ 2. 渗透破坏？ 3. 渗水压力？
不透水层
10
基坑开挖降水
井点降水
11
管井降水
12
工程实例 湖南浯溪水电站二期基坑出现管涌
13
2、渗流量的计算及渗透变形控制问题
水井渗流 Q
天然水面
含水层
渗流问题：
uB
w
hB
zB
21
二、水力梯度
uA
w
hA zA
测压管 piezometer tube
总水头线
A B
L
h
uB
w
hB
zB
水力梯度（坡降） hydraulic gradient
i hA hB h LL
单位流程的水头损失。
22
三、达西渗透定律
1.达西渗透试验
▪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
土的力学性质
渗透特性
强度特性
变形特性
3
为什么要学习土的渗透性和水的渗流？
土的渗透性和水的渗流 工程活动
直接影响
（1） 渗透变形（破坏）问题 （2） 渗流量的计算问题 （3） 渗流变形控制问题
4
1、渗透变形（破坏）问题
因渗流造成土体变形甚至破坏
Teton大坝， 位于美国爱达 荷州的东南部， 为高93m的土坝。 1976年6月5日 该坝完成后第 一次蓄水时即 发生破坏，造 成11人死亡及 数百万美元的 损失。破坏是 由右岸距坝顶 约40m处的一个 漏洞引起的。
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
水力梯度 i h L
vi
23
2.达西定律
渗透定律
vi
k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数
物理意义：水力梯度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与水力梯度i 的一次方成正比，并与土的性质有关。
v ki
A
Av
注意：
v：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度
vs：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度
土截面
n Av
A
v
A > Av q＝vA ＝ vsAv
v vs n
24
四、达西渗透定律的适用范围 适用条件： 层流（线性流）
按地下水的渗流状态
线性流（层流） 地下水的渗流速度 与水力梯度成正比
1.渗流量Q？ 2.降水深度？
不透水层
14
2、渗流量的计算及渗透变形控制问题
渠道渗流
渗流时地下水位
渗流问题：
1.渗流量？ 2.地下水影响 范围？
原地下水位
15
2、渗流量的计算及渗透变形控制问题
降雨入渗引发滑坡
降雨入渗 引发滑坡
16
2、渗流量的计算及渗透变形控制问题
2003年7月三峡库区 湖北省秭归县发生 的千将坪滑坡，该 滑坡造成24人死 亡，22艘船翻沉。
适用范围：
岩土工程中的绝大多数渗流问题，包括砂土或一般 粘土，均属层流范围
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Re进行判断：
雷诺数Re ：是流体力学中用来判别流体流动状态的重要参数
Re＜5~10时层流 Re ＞100~200时紊流 100~200＞ Re ＞5~10时为过渡区
非线性流（紊流） 地下水的渗流速度与 水力梯度成非线性关系
线性稳定流
线性非稳定流
非线性稳定流 非线性非稳定流
我们现在需要掌握和理解的达西定律
25
四、达西渗透定律的适用范围
水 2.0 力 坡 1.5 降
1.0 0.5
0
达西定律 适用ห้องสมุดไป่ตู้围
0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 流速 (m/h)
26
板桩墙
基坑
A
透水层
L
不透水层
B
20
土体中一点总水头
动水头速度水头
h z hw hv z u / w v2 / 2g
势水头 位置水头
静水头 孔隙水压
渗流速度
压力水头
测压管 piezometer tube
uA
w
hA zA
总水头线
A B
L
土中渗流速度 通常较小， 可忽略，故有
h zu/w
h
29
一、渗透系数的影响因素
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
➢饱和度（含气量） ➢水的动力粘滞系数
30
土粒特性对渗透系数的影响
（1）土颗粒的粒径、级配和矿物成分
a. 砂土的渗透性由其中的小颗粒控制 土中孔隙直径大小是主要影响因素； 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。
第二章 土的渗透性及水的渗流
1
主要内容
第一节 土的渗透定律 第二节 渗透系数及其测定 第三节 渗透力及临界水力梯度 第四节 二维稳定渗流问题（自学）
2
什么是土的渗透性和水的渗流？
土
多孔介质
渗流
三相体系 能量差
孔隙流体流动
土颗粒 土中水
水在土体孔隙中流动的现象
渗流
土具有被水透过的性质
渗透性