第三章渗流

Re
v d10

Re＜5时层流 Re ＞200时紊流 200＞ Re ＞5时为过渡区
d10-含水层的有效粒径 η -水的运动粘滞系数
粗粒土：
①砾石类土中的渗流常不符合达西定律 ②砂土中渗透速度 vcr=0.3-0.5cm/s
粘性土：
致密粘土 i > i0, v = k(i - i0 )
[ i ] : 允许坡降
ic i i K
K: 安全系数2.0～2.5
3.4.2 渗透变形
流砂防治原则
①减小或消除水头差，如采取基坑外的井点降水法
降低地下水位。 ②增长渗流路径，如打板桩。 ③在向上渗流出口处地表用透水材料覆盖压重以平 衡渗流力。 ④土层加固处理，如冻结法、注浆法等。
3.4.2 渗透变形
第三章
土的渗透性和渗流
3.1 概述 3.2 土的渗透性 3.3 土中二维渗流及流网简介 3.4 渗透力及渗透稳定性
3.1概述
渗流
碎散性
多孔介质 能量差
土颗粒
三相体系
孔隙流体流动
土中水
水、气等在土体孔隙中流动的现象
土具有被水、气等流体透过的性质
渗流 渗透性
3.1概述
土石坝坝基坝身渗流
土石坝
透水层
渗流问题：
1. 渗透力？ 2. 入渗过程？
事故实例
降雨入渗引起的滑坡
3.1 概述- 土渗流特性
• 挡水建筑物 • 集水建筑物 • 引水结构物 • 基础工程 • 地下工程 • 边坡工程
渗透特性 变形特性 强度特性
• • • • • •
渗流量 扬压力 渗水压力 渗透破坏 渗流速度 渗水面位置
土的渗透特性
渗透力 j = J/V = γwΔh/LA = γwi
j = rwi
3.4.1 渗透力
a b
P1
W
贮水器
Δh
h1
土样
hw L
h2
0 滤网
P2 R
A=1
看
0
向上渗流存在时，滤网支持力减少 渗流中的土体所受滤网支持力 R = γ L－ γwΔh γ L－ γwΔh = 0 i = Δh/L = γ /γw
3.1 概述 3.2 土的渗透性 3.3 土中二维渗流及流网简介 3.4 渗透力及渗透稳定性
3.2 土的渗透性
3.2.1 渗流模型
对实际渗流作出两方面的简化
1）不考虑渗流路径的迂回曲； 2）不考虑土体中颗粒的影响
q 假想平均流速 v A
水的运动轨迹
渗流模型
v-渗流模型的平均流速
vA vA v 实际平均流速 v0 A nA n
q-渗流流量
A-过水断面面积
△A-孔隙面积 n－孔隙度
3.2.2 饱和渗流的基本定理-达西定律 (1) 渗流中的总水头与水力坡降 总水头－单位重量水体所具有的能量
u v2 h z w 2g z：位置水头
u/γw：压力水 头 V2/(2g)：流速水头≈0
uA w
Δh A
uB w
h1 zA 0 测管水头
vi
v k i
A
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 Av Q＝vA ＝ vsAv
v vs n
(3) 达西定律适用范围
层流（线性流） 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：

原因
内因：有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙 外因：渗透力足够大
渗透变形 – 管涌
3.4.2 渗透变形
管涌
在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗 粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。 管涌
原因：
内因—— 有足够多的粗颗粒形 成大于细粒径的孔隙通道 管涌破坏
(1)计算作用在砂样上渗透力的大小； (2)若砂土的孔隙比e=0.72，试验测得其土粒比重Gs=2.68，试判断该砂样是 否会发生流砂现象？ (3) 若砂样发生流砂时，计算所需的最小水头差。
【解】
h 20 10 = 8.0 kN/m3 L 25 (2) 先计算砂土的浮重度 (Gs 1) w =9.76 kN/m3 1 e 9.76 icr 0.976 临界水力梯度 w 10.0
坝体
粘性土k1<<k2
渗流
砂性土k2
原因： i icr
Gs 1 i cr 1 e
与土的密实度有关
渗透变形 - 流土
3.4.2 渗透变形
流土
在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象
条件：
j
或
rwi
临界状Fra Baidu bibliotek对应的水力梯度
工程容许水力梯度：
可用管涌的水力梯度来表示
ic i i K
[ i ] : 允许坡降 K: 安全系数1.5～2.0
管涌防治措施
①改变几何条件，在渗流逸出部位铺设反滤层是防治管涌破坏的有效措施。 ②改变水力条件，降低水力梯度，如打板桩。
基坑渗流破坏
广州京广广场基坑塌方
基坑渗流破坏
珠海祖国广场基坑失事
【例3-3】已知砂样厚度L=25cm，水头差h=20cm。
(1)渗透力为 J wi w
实际水力梯度 i (3) 令
h 20 0.8 L 25
i ic
所以不会出现流砂现象
i1 i c
所以，若砂样发生流砂时，所需的最小水头差为24.4cm
h1 ic故 L
h1 i c L 0.976×25cm = 24.4 cm
思考题： 习题：1、5
临界水力坡降
icr = γ/γw
(G s 1) w 1 e
Gs 1 icr 1 e
3.4.2 渗透变形
土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏
流土 管涌
基本类型
接触流失 接触冲刷
3.4.2 渗透变形
流土：在向上的渗透作用下，表层局部范围内的土体或颗 粒群同时发生悬浮、移动的现象。任何类型的土，只要水 力坡降达到一定的大小，都可发生流土破坏
B点总水头：
B L
基准面
h2
zB 0
u 总水头： h z w
A点总水头：
水头差：
水力坡降：
i h L
u h1 z A A w
uB h2 zB w
h h1 h 2
(2) 渗透试验与达西定律 1856 年达西(Darcy)在研究城市 供水问题时进行的渗流试验，达 西试验装置如图所示 著名的达西(Darcy)渗透定律
3.4.1 渗透力
土水整体分析 ①计算方法：
P1 W P1 = γwhw 贮水器 hw L 土样
a b
Δh h1 h2
0
滤网
P2
R
P2 = γwh2 A=1
0
静水中的土体
R = γ L
渗流中的土体 R = γ L－ γwΔh 总渗透力 J = γwΔh
向上渗流存在时，滤网支持力减少 减少的部分由谁承担？ 水与土之间的作用力－渗流的拖曳力
或
h q kA kAi L q v ki A
(2) 渗透试验与达西定律 渗透定 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
外因——渗透力足够大
3.4.2 渗透变形
产生管涌条件
几何条件： 土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，这是必要 条件，一般不均匀系数 Cu 10 的土才会发生管涌 水力条件： 渗流力能够带动细颗粒在空隙间滚动或移动是管涌的水力条件， 发生管涌的临界水力梯度ic一般通过试验确定 容许水力梯度：
不透水层
3.1概述
板桩围护下的基坑渗流
板桩墙
基坑
透水层 不透水层
3.1 概述- 渗流问题
Q
天然水面
渗流问题： 1. 渗流量Q？
透水层
2. 降水深度？
不透水层
水井渗流
3.1 概述- 渗流问题
渗流问题： 1. 渗流量？
渗流时地下水位
2. 地下水影响 范围？
原地下水位
渠道、河流渗流
3.1 概述- 渗流问题
在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通 过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与 地表贯通的管道
过程演示
坝体
渗流
2. 孔隙不断扩大，渗流 1. 在渗透水流作用下， 3. 形成贯穿的渗流通道， 速度不断增加，较粗 细颗粒在粗颗粒形成 造成土体塌陷 颗粒也相继被水带走 的孔隙中移动流失
3.1 概述 3.2 土的渗透性 3.3 土中二维渗流及流网简介 3.4 渗透力及渗透稳定性
3.4 渗透力及渗透稳定性
3.4.1 渗透力
a b
j
贮水器 hw L 土样
Δh h1 h2
0
滤网 渗 流 土 粒
0
Δh=0 静水中，土骨架会受到浮力作用。 Δh>0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨 架产生一个摩擦、拖曳力。 渗透力 j ——渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。