土力学-第2章

水力梯度，沿渗流方向单位距离的水头损失，无因次；
h 试样两端的水位差，即水头损失； L 渗径长度； k 渗透系数（cm/s或m/s,m/d）； A 试样截面积（cm2或者m2）。
2.2.3 达西渗流定律 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 v=ki 达西定律
第二章 土的渗透性与土中渗流
§2.1 概述
§2.2 渗流理论
§2.3 流网及其工程应用 §2.4 土中渗流的作用力及渗透变形
2.1 概述
三相系 多孔介质
孔隙流体 能量差
孔隙流体流动
一、渗漏，造成水量损失
二、引起土体内部应力状态的变化，从而改 变地基、边坡或土工建筑物的稳定条件。 三、影响土体变形快慢。 四、基坑排水。 五、边坡稳定计算。
一、常水头试验
给水
常水头试验——整个试验过程中水头保 持不变
排水 时间 t 内流出的水量
h Q qt kiAt k At L QL k hAt
适用于透水性大（k>103cm/s）的土，例如砂土。
试验中测取的量为：h, t, Q
二、变水头试验
变水头法在整个试验过程中，
截面面积a
水头是随着时间而变化的， 试验装置如图，试样的一端 与细玻璃管相接，在试验过 程中测出某一时段内细玻璃 管中水位的变化，就可根据 达西定律求出水的渗透系数； 粘性土，渗透系数小，流经 水量少。 适用于粘性土，渗透系 数小，流经水量少。
产生的问题
2.1 概述
土石坝坝基坝身渗流
浸润线
渗流量 渗透变形
透水层 不透水层
2.1 概述
板桩围护下的基坑渗流
板桩墙
基坑
渗流量
透水层
渗透变形
不透水层
2.1 概述
渠道渗流
渗流量
渗流时地下水位
2.1 概述
渗流滑坡
2.1 概述
Teton坝
损失： 直接8000万美元，起 诉5500起，2.5亿美元， 死14人，受灾2.5万人， 60万亩土地，32公里 铁路
k (1 ~ 1.5) d ——哈森
2 10
k 2d e ——太沙基
2 2 10
五、影响渗透系数的因素
1.土粒大小与级配
土粒越粗越均匀，渗透系数越大。粘粒含量越多，渗透系数 越小。 2.土的结构 水平渗透系数一般大于竖向渗透系数。
3.渗透水的性质 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 k20 kT T 20 的动力粘滞系数，可查表 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。
二、变水头试验
设玻璃管的内截面积为 a ，
试验开始以后任一时刻 t 的 水位差为 h ，经时段 dt ，细 玻璃管中水位下落 dh ，则在 时段dt内流经试样的水量。
截面面积a
dQ adh h dQ k Adt l
试验中测取的量 为：t1, t2, h1, h2
二、变水头试验
dQ adh
12：00过后 坍塌口加宽
2.1 概述
Teton坝
洪水扫过下游 谷底，附近所 有设施被彻底 摧毁
2.1 概述
Teton坝
失事现场目 前的状况
2.2 渗流理论 2.2.1 定义
定义：土孔隙中的自由水在重力作用下发 生运动的现象称为水的渗透，而土被水流
透过的性质，称为土的渗透性。
2.2.2 渗流模型
渗透系数，水力梯 度为1时的渗透速度， 单位：cm/s
注意：
1.渗流速度并非真正流体速度
1856年法国学者 达西对砂土的渗 透性进行研究
2.水力梯度也并非真正的水力 梯度
2.2.3 达西渗流定律
v
v=ki
O 砂土 达西定律
i
v ki
砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系
二、达西定律适用范围
v
vcr
h dQ k Adt l
h adh k Adt l
h1 al k ln A(t2 t1 ) h2
三、现场抽水试验
观察井
抽水量q
r1
r
r2 dr h2
井 透水层 地下水位≈测压管水面
dh
h1
h
不透水层
r2 ln r q 1 k 2 π h2 h12


四、经验公式
2.2.4 渗流系数的确定

渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的重要力
学性质指标。渗透系数的测定可以分为现场试验和室内试 验两大类。一般，现场试验比室内试验得到的结果要准确
可靠。因此，对于重要工程常需进行现场测定。
常水头试验法
室内试验测定方法 野外试验测定方法
变水头试验法 井孔抽水试验 井孔注水试验
Leabharlann BaiduTeton坝
11:30 洞口继续向上扩大， 泥水冲蚀了坝基， 主洞的上方又出现 一渗水洞。流出的 泥水开始冲击坝趾 处的设施。
2.1 概述
Teton坝
11：50左右 洞口扩大加速， 泥水对坝基的冲 蚀更加剧烈。
2.1 概述
Teton坝
11:57 坝坡坍塌， 泥水狂泻而下
2.1 概述
Teton坝
的阻力相等。
2.2.2 渗流模型
由于土中孔隙一般非常微小，水在土体中流动时 的粘滞阻力很大，流速缓慢 层流
水在土中的渗透速度和试 样两端水面间的水位差成 正比，而与渗径长度成反
比：
h v k ki L
q vA kiA
2.2.2 渗流模型
v 渗透速度（cm/s或m/s）； q 渗流量（cm3/s后m3/s）； i
概况： 土坝，高90m，长1000m，建于 1972-75年，1976年6月失事
原因： 渗透破坏－水力劈裂
2.1 概述
Teton坝
1976年6月5 日上午10:30 左右，下游坝 面有水渗出并 带出泥土。
2.1 概述
Teton坝
11：00左右 洞口不断扩 大并向坝顶 靠近，泥水 流量增加
2.1 概述
v=ci1/2 v=ki
v
虚直线简化
v k (i ib )
i
O
砾土 一、粗粒土中的渗流
起始水 0 ib 力坡降
i 密实粘土
二、密实粘土中的渗流
水力梯度较大时，水流成为 紊流，达西定律不适用，表 现为次线性。（用雷诺数或 者临界流速判断）
结合水膜的影响，密实粘 土中的渗流也不符合达西 定律，表现为超线性。
模型的简化:
(1) 不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析主要流向； (2) 不考虑土中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间
之总和均为渗流所充满。
符合几点要求：
(1) 在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量；
(2) 在任意截面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等； (3) 在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到