土的渗透性与渗透问题

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
qy q1y q2 y qny
各土层的相应的水力坡降为i1、 i2、…、in，总的水力坡降为i
k y iA k1i1 A k 2i2 A k n in A
总水头损失等于各层 水头损失之和
Hi H1i1 H 2i2 H ni n
的动力粘滞系数，可查表
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。

三、成层土的渗透系数
q1x k1 k2 k3 H1 H2 H H3
1.水平渗透系数
通过整个土层的总渗流量qx 应为各土层渗流量之总和
q x q1x q 2 x q nx qix
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
砂土
v
i 虚直线简化
v k i ib
0
起始水 力坡降 ib
达西定律适用于层 流，不适用于紊流
密实粘土 i
§2.2

渗透系数及其确定方法
1.常水头试验————整个试验 过程中水头保持不变
dV=kiAdt=kAh/Ldt
aL h1 k＝2.3 lg At2 t1 h2 管内减少水量＝流经试样水量 分离变量 aL h1 －adh=kAh/Ldt 积分 k＝ ln At2 t1 h2

二、影响渗透系数的因数
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。
一、渗透试验（室内）
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
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 dV=－adh 在时段dt内流经试样的水量

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

二、达西定律适用范围与起始水力坡降
达西定律
讨论：
砂土的渗透速度与水 力梯度呈线性关系
v ki
v v=ki O
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。
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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。
k 20 kT T 20
4.土中封闭气体含量
T、20分别为T℃和20℃时水
a
b
c
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
2.临界水力坡降———使土体开始发生渗透变形的水力坡降 J 当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何 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
GJ
G
wicr
icr
' w
或
Gs 1 sat w icr 1 e w
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
【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
d 2 3.14 0.42 a 0.1256 cm 2 4 4
J F w hA
渗流作用于单位土体的力
j
hA J w i w AL AL
说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，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 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
h1=160cm，h2=52cm，△t=900s 试样在30℃时的渗透系数
k 30 2.3 h aL 0.1256 4 160 lg 1 2.3 lg 2.09 105 cm/s At 2 t1 h2 30 900 52
§2.3

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
F w hA
1.渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力
h
1 h1 2 h2
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
第二章
土的渗透性与渗透问题
主要内容




§2.1达西定律 §2.2渗透系数及其确定方法 §2.3渗透力与渗透变形 §2.4渗流工程问题与处理措施
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
§2.1
i 1 n
qx
q2x q3x
平均渗透系数
达西定律
q
i 1
n
q x k x iH
ix
k1iH 1 k 2 iH 2 k n iH n
整个土层与层面平 行的等效渗透系数
1 kx H
k H
i 1 i
n
i
2.垂直渗透系数 qy
k1
k2 k3
q1y H1
q2y H2 H q3y H3
代入
1 k y (i1 H 1 i2 H 2 in H n ) k1i1 k 2 i2 k n in 垂直渗 H 透系数 H ky 整个土层与层面垂直 H1 H 2 Hn 的等效渗透系数 k1 k2 kn
四、例题分析

【例】 设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积