2.土的渗透性与渗透问题解析

3.水的动力粘滞系数
动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘 滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。 T、20分别为T℃和20℃时 水的动力粘滞系数，可查表 20 T T 20
k k
4.土中封闭气体含量
土中封闭气体阻塞渗流通道，使土的渗透系数降低。封闭气体 含量愈多，土的渗透性愈小。
代入
各土层的相应的水力坡降为i1、 i2、…、in，总的水力坡降为i
总水头损失等于各层水 Hi H1i1 H 2 i2 H n i n 头损失之和
1 k y (i1H1 i2 H 2 in H n ) k1i1 k2i2 knin 垂直渗 H 透系数 H ky 整个土层与层面垂直 Hn H H 1 2 的等效渗透系数 k1 k2 kn

【解答】 已知试样截面积A=30cm，渗径长度L=4cm，细玻璃管的内截面积
四、例题分析 【例】 设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为 30cm2，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm， 试验开始时的水位差为160cm，经时段15分钟后，观察 得水位差为52cm，试验时的水温为30℃，试求试样的 渗透系数。
VL k hAt
2.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化 适用于透水性差，渗透系数 截面面积a 小的粘性土 任一时刻t的水头差为h，经 时段dt后，细玻璃管中水位 降落dh，在时段dt内流经试 样的水量
在时段dt内流经试样的水量
dV=－adh
dV=kiAdt=kAh/Ldt
管内减少水量＝流经试样水量 分离变量 积 －adh=kAh/Ldt 分
土的渗透问题概述
上游
浸润线
下游
土坝蓄水后水透 过坝身流向下游
流线
等势线 隧道开挖时，地下 水向隧道内流动
在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透
H
§1.1

达西定律
1856年法国学者 Darcy对砂土的渗透 性进行研究
渗透试验播放
一、达西定律
结论：
水在土中的渗透速度与试 样的水力梯度成正比 达西定律
v=ki
水力梯度，即沿渗流方向 单位距离的水头损失
讨论： 达西定律

二、达西定律适用范 围与起始水力坡降 砂土的渗透速度 与水力梯度呈线 性关系 密实的粘土，需要克服结 合水的粘滞阻力后才能发 生渗透;同时渗透系数与水 力坡降的规律还偏离达西 定律而呈非线性关系
达西定律适用于层 流，不适用于紊流
起始水 力坡降

三、成层土的渗透系数
1.水平渗透系数
q1x k1 qx q2x k2 q3x k3
达西定律
n
H1
通过整个土层的总渗流量qx 应为各土层渗流量之总和
H2
H3
H qx q1x q2 x qnx qix
平均渗透系数
i 1
n
q x k x iH
q
i 1
ix
k1iH1 k2iH 2 kniH n
2 2
§1.3

渗透力与渗透变形
一、渗透力和临界水力坡降
沿水流方向放置两个测压管， 测压管水面高差h 土样 土粒对水流 面积 的阻力应为
1.渗透力（动水力）——渗透水流施加于单位体积土粒上的拖曳力。
h h1
1
2
h2
F w hA
L
水流流经这段土体，受 到土颗粒的阻力，阻力 引起的水头损失为h
根据牛顿第三定律，试样的 总渗流力J和土粒对水流的阻 力F大小相等，方向相反
J F w hA
渗流作用于单位土体的力
w hA J j i w AL AL
说明：渗透力 j 是渗流对单位体积土体的作用力，是一 种体积力，其大小与水力坡降成正比，作用方向与渗流 方向一致，单位为kN/m3
aL h1 k＝2.3 lg At2 t1 h2 aL h1 k＝ ln At 2 t1 h2
二、影响渗透系数的因素 1.土粒大小与级配

细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量 愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。
2.土的密实度
同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度 增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。
v ki
v v=ki
0
砂土
v
虚直线简化
i
0
v k i ib
ib
密实粘土
i
§1.2

渗透系数及其确定方法
过程中水头保持不变
一、渗透试验（室内） 1.常水头试验————整个试验
适用于透水性大（k>10-3cm/s）的土， 例如砂土。
时间t内流出的水量
h V qt kiAt k At L
1 kx H
整个土层与层面平 行的等效渗透系数
k H
i 1 i
n
i
2.垂直渗透系数
qy
k1
q1y H1 q2y H2 H q3y H3
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根据水流连续定理，通过整个土层 的渗流量等于通过各土层的渗流量
k2
k3
qy q1y q2 y qny
k yiA k1i1 A k2i2 A =knin A
h1=160cm，h2=52cm，△t=900s 试样在30℃时的渗透系数 h1 aL 0.1256 4 160 5 k30 2.3 lg 2.3 lg 2.09 10 cm/s A t2 t1 h2 30 900 52
d 3.14 0.4 a 0.1256cm 2 4 4
渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对 土体稳定性有显著的影响
渗透力方向与 重力一致，促 使土体压密、 强度提高，有 利于土体稳定
渗流方向近乎水平，使土 粒产生向下游移动的趋势， 对稳定不利 渗流力与重力方向相 反，当渗透力大于土 体的有效重度，土粒 将被水流冲出
a
b
c
2.临界水力坡降——使土体开始发生渗透变形的水力坡降 当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不 J 受任何力作用，好像处于悬浮状态，这时的 水力坡降即为临界水力坡降
土的渗透性与渗透问题
主要内容


达西定律 渗透系数及其确定方法 渗透力与渗透变形 渗流工程问题与处理措施
教学目的:使学生掌握达西定律,渗透系数及其确定方法,渗透力 与渗透变形,渗流工程问题与处理措施 教学重点与难度:达西定律,渗流工程问题与处理措施 教学手段:以多媒体课件进行讲解
课时安排:2课时