第二章 岩土体的渗透特性

水的问题
水的问题指在工程中由于水本身引起的工程问题， 比如基坑、隧道等开挖工程中普遍存在地下水渗 出而出现需要排水的问题；相反在以蓄水为目的 的土坝中会由于渗透造成水量损失而出现需要挡 水的问题；另外还有一些像污水的渗透引起地下 水污染，地下水开采引起大面积地面沉降及沼泽 枯竭等地下水环境的问题。也就是说，说自身的 量（涌水量，渗水量）、质（水质）、赋存位置 （地下水位）的变化所引起的问题。
K<10-6
q<0.1
完整岩石，含等价开度<0.025mm裂隙的岩体
粘土
微透水
10-6≤K<10-5
0.1≤q<1
含等价开度0.025～0.05mm裂隙的岩体
粘土－粉土
弱透水
10-5≤K<10-4
1≤q<10
含等价开度0.05～0.01mm裂隙的岩体
粉土－细粒土质砂
中等透水
10-4≤K<10-2
10≤q<100
土的问题
土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状 态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态 的变化，从而影响建筑物或地基地稳定性或产生 有害变形的影响，在坡面、挡土墙等结构物中常 常会由于水的渗透而造成内部应力状态的变化而 失稳；土坝、堤防、基坑等结构物会由于管涌逐 渐改变地基土内的结构而酿成破坏事故；非饱和 的坡面会由于水分的渗透而造成土的强度的降低 而引起滑坡。由于渗透而引起的代表性例子就是 地下水开采造成的地面下沉问题。
结论
对于成层土，如果各土层的厚度大致相近， 而渗透性相差悬殊时
与层向平行的平均渗透系数将取决于最透水土层的厚度和渗透性
与层向垂直的平均渗透系数将取决于最不透水土层的厚度和渗透性
概述
水在岩土体孔隙中的流动过 程称为渗透。 程称为渗透 。 岩土体具有渗透 的性质称为岩土体的渗透性。 的性质称为岩土体的渗透性。
2.2
岩土体的渗透性
2．2．1 土的渗透性 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 = hi L
q = vA = kiA
Darcy渗透定律
渗透速度（cm/s或m/s） 渗流量（cm3/s后m3/s） 水力梯度，沿渗流方向单位距离的水头 损失，无因此 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） v q i
ib
流速与水力梯度的关系－粘土
粘性土不但存在起始水力梯度，而且当水 力梯度超过起始水力梯度后，渗透速度与 水力梯度的规律还偏离达西渗透定律而呈 非线性关系。为方便，用虚直线来描述密 实粘土地渗透速度与水力梯度的关系，用 以下形式表示。
v = k (i i0 )
流速与水力梯度的关系－砾土
在粗粒土中（砾、卵 石等），只有在小的 水力梯度下，渗透速 度与水力梯度才呈非 线性关系，而在较大 的水力梯度下，水在 土中流动进入紊流状 态，渗透速度与水力 梯度呈非线性关系， 此时达西定律同样不 能适用
在冰冻季节土中水分冻结成为冻土。 在冰冻季节土中水分冻结成为冻土 。 根据其冻融 情况，冻土分为：季节性冻土、隔年冻土和多年冻土。 情况 ， 冻土分为 ： 季节性冻土 、 隔年冻土和多年冻土 。 季节性冻土是指冬季冻结夏季全部融化的冻土； 季节性冻土是指冬季冻结夏季全部融化的冻土 ； 两年 内不融化的土层称为隔年冻土； 内不融化的土层称为隔年冻土 ； 凡冻结状态持续三年 或三年以上的土层称为多年冻土。 或三年以上的土层称为多年冻土 。 我国多年冻土的分 布基本上集中在纬度较高和海拔较高的严寒地区， 布基本上集中在纬度较高和海拔较高的严寒地区 ， 如 东北的大兴安岭北部和小兴安岭北部、 东北的大兴安岭北部和小兴安岭北部 、 青藏高原以及 西部天山、 阿尔泰山等地区， 西部天山 、 阿尔泰山等地区 ， 总面积约占我国领土的 20％左右， 20％左右，而季节性冻土则分
2.2.3 岩体的渗透性
岩体的渗透性： 岩体的渗透性：
(3)岩溶介质渗流：岩溶介质渗流是岩体渗流最复杂的一种形式，由 岩溶介质渗流：岩溶介质渗流是岩体渗流最复杂的一种形式， 于受岩溶的发育规律所控制，岩溶的渗流具有间歇性、隐伏性、 于受岩溶的发育规律所控制 ， 岩溶的渗流具有间歇性 、 隐伏性 、 封 闭性和地下水系等特点。 闭性和地下水系等特点。 岩溶介质渗流的复杂性主要表现在以下三个方面： 岩溶介质渗流的复杂性主要表现在以下三个方面： 这是岩溶介质渗流最突出的特点之一。 ①多循环系统共存 这是岩溶介质渗流最突出的特点之一。如一个 泉眼可能是一个循环系统的排泄点， 泉眼可能是一个循环系统的排泄点 ， 也可能是几个循环系统的排泄 同时，单个系统在空间上可以相互交叉。 点。同时，单个系统在空间上可以相互交叉。 ②裂隙性渗流与管道型渗流共存。 裂隙性渗流与管道型渗流共存。 ③多种渗流特征参数共存。 多种渗流特征参数共存。
2.2.4
岩土渗透性分级
岩土渗透性分级： 岩土渗透性分级：
渗透性等级
标准 《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）规定，岩土渗透性可按表 水利水电工程地质勘察规范》 ）规定，岩土渗透性可按表2 岩体特征 土类 分级。 －3分级。 分级 渗透系数k （cm/s） 透水率q （Lu）
极微透水
含等价开度0.01～0.5mm裂隙的岩体
砂―砂砾来自百度文库
强透水
10-2≤K<100
q≤100
含等价开度0.5～2.5mm裂隙的岩体
砂砾－砾石、卵石
极强透水
K≤10-5
q≤100
含连通孔洞或等价开度>2.5mm裂隙的岩体
粒径均匀的巨砾
2.2.5
在冻融过程中土中水分的迁移与积聚
1．冻土现象及其对工程的危害： ．冻土现象及其对工程的危害：
d ≤ η Re/ ρv ≤ 0.52
对于比粗砂更细的土来说，达西渗透定律一般 是适用的，而对于粗粒土来讲，只有在水力坡降 很小的情况下才能适用。
土的渗透系数参考值
土类 纯砾 纯砾与砾混合物 极细砂 粉土、砂与粘土 混合物 粘土 渗透系数k(cm/s) >10-1 10-3~10-1 10-5~10-3 10-7~10-5 <10-7 渗透性 高渗透性 中渗透性 低渗透性 极低渗透性 几乎不透水
影响渗透系数的因素很多，诸如土的种类、级配、孔隙比 及水的温度等。因此，为了准确地测定土的渗透系数，必须尽 力保持土的原始状态并消除人为因素的影响
成层土的渗透系数
天然沉积土往往由渗透性不同的土层组成。 对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况， 当各层的渗透系数和厚度已知时，我们可以 求出整个土层与层面平行和垂直的平均渗透 系数，作为进行渗透计算的依据。
2.2.3 岩体的渗透性
岩体的渗透性： 岩体的渗透性：
岩体的渗透性是一个复杂的问题，根据目前的研究， 岩体的渗透性是一个复杂的问题，根据目前的研究， 岩体的渗流大体可划分为准均匀介质渗流、 岩体的渗流大体可划分为准均匀介质渗流 、 裂隙性介 质渗流和岩溶性介质渗流三种。 质渗流和岩溶性介质渗流三种。 (1)准均匀介质渗流： 属于这一类型的有全、强风化 准均匀介质渗流： 属于这一类型的有全、 带及弱风化带的中上部的多孔隙砂岩。在该渗流场中， 带及弱风化带的中上部的多孔隙砂岩 。 在该渗流场中 ， 达西定律基本上适用； 达西定律基本上适用； 裂隙性介质渗流： (2) 裂隙性介质渗流：裂隙性介质渗流是岩体渗流的 基本形式， 水的渗流主要受裂隙的类型、裂隙的大小、 基本形式 ， 水的渗流主要受裂隙的类型 、 裂隙的大小 、 裂隙的产状及裂隙充填情况所控制。 裂隙的产状及裂隙充填情况所控制。
上游
浸润线 下游
流线
H
等势线
l (a) (b)
由水的渗透引起岩土体边坡失稳、边坡变形、地基变形、 由水的渗透引起岩土体边坡失稳、边坡变形、地基变形、岩溶渗透 塌陷等均属于岩土体的渗透稳定问题。水在孔隙介质中的渗透问题， 塌陷等均属于岩土体的渗透稳定问题。水在孔隙介质中的渗透问题， 目前的研究在试验及理论上都有一定的水平， 目前的研究在试验及理论上都有一定的水平，在解决实际问题方面也 能够较好地反映土在孔隙介质中的渗流的运动规律。 能够较好地反映土在孔隙介质中的渗流的运动规律
Re = ρvd η
Darcy渗透定律的适用条件
从层流转换为紊流时的Re数一般为0.1~7.5 的范围，而一般认为在土的孔隙内水流只 要雷诺数<1.0，达西定律就可以满足。因 此达西定律的适用界限可以考虑为
ρvd / η ≤ 1.0
Darcy渗透定律的适用条件
如果考虑水的密度ρ＝1.0（g/cm3）水温10℃时水 的粘滞系数η＝0.0131(g/seccm)，而一般的流速 可以考虑v＝0.25（cm/sec）可以算出满足达西定 律的土的平均粒径d
注意
按照达西定律求出的渗透速度是一种假想 的平均流速 ，它假定水在土中的渗透是通 过土体截面来进行的 。 实际上 ，水在土体中的实际流速要比用达 西定律求出的流速要大得多。，他们之间 的关系为
e v = v ′n = v ′ 1+ e
Darcy渗透定律的适用条件
太沙基通过大量试验证明从砂土到粘土达西渗透 定律在很大的范围内都能适用，其适用范围是由 雷诺系数来决定的，也就是说只有当渗流为层流 的时候才能适用。 根据水的密度ρ，流速v，水的粘滞系数η，土粒粒 子平均粒径d，可以算出雷诺数Re
h
2.2.2 岩石的透水性
岩石的透水性： 岩石的透水性
在一定的水力梯度或压力作用下，岩石能被水透过的性质，称为透水性。 在一定的水力梯度或压力作用下 ， 岩石能被水透过的性质 ， 称为透水性 。 对孔隙介质岩体，一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样， 对孔隙介质岩体，一般认为，水在岩石中的流动，如同水在土中流动一样， 也服从于线性渗流规律——达西定律； 也服从于线性渗流规律 达西定律； 达西定律 渗透系数是表征岩石透水性的重要指标，其大小取决于岩石中空隙、 渗透系数是表征岩石透水性的重要指标 ， 其大小取决于岩石中空隙 、 裂隙 的数量、规模及连通情况等，并可在室内根据达西定律测定。 的数量、规模及连通情况等，并可在室内根据达西定律测定。 岩石的渗透性一般都很小，远小于相应岩体的透水性， 岩石的渗透性一般都很小 ， 远小于相应岩体的透水性 ， 新鲜致密岩石的渗 透系数一般均小于10 cm/s量级 量级。 透系数一般均小于10-7cm/s量级。 同一种岩石，有裂隙发育时，渗透系数急剧增大，一般比新鲜岩石大4 同一种岩石 ， 有裂隙发育时 ， 渗透系数急剧增大 ， 一般比新鲜岩石大 4 ～ 6 个数量级，甚至更大， 个数量级，甚至更大，说明空隙性对岩石透水性的影响是很大的
2.2.5
在冻融过程中土中水分的迁移与积聚
1．冻土现象及其对工程的危害： ．冻土现象及其对工程的危害：
布范围更广。 布范围更广 。 冻土现象是由冻结及融化两种作 用所引起。 某些细颗粒土层在冻结时， 用所引起 。 某些细颗粒土层在冻结时 ， 往往会发生土 体体积膨胀， 使地面隆起成丘，即所谓冻胀现象。 土 体体积膨胀， 使地面隆起成丘 ， 即所谓冻胀现象。 层发生冻胀的原因， 层发生冻胀的原因 ， 不仅是由于水分冻结成冰时其体 积要增大9 的缘故，而主要是由于土层冻结时， 积要增大9％的缘故，而主要是由于土层冻结时，周围 未冻结区土中的水分会向表层冻结区迁移聚集， 未冻结区土中的水分会向表层冻结区迁移聚集 ， 使冻 土区土层中水分增加，冻结后的冰晶体不断增大， 土 土区土层中水分增加 ， 冻结后的冰晶体不断增大 ， 体积也随之发生膨胀隆起。冻土的冻胀会使路基隆起， 体积也随之发生膨胀隆起 。 冻土的冻胀会使路基隆起 ， 柔性路面鼓包、开裂，刚性路面错缝或折断； 柔性路面鼓包 、 开裂 ， 刚性路面错缝或折断 ； 冻胀还 使修建在其上的建筑物抬起， 引起建筑物开裂、 使修建在其上的建筑物抬起 ， 引起建筑物开裂 、 倾斜 甚至倒塌。 甚至倒塌。
流速与水力梯度的关系－砂土
砂土的水力梯度 与渗透速度呈线 性关系，符合达 西渗透定律。
流速与水力梯度的关系－粘土
对于密实的粘土，由于 吸着水具有较大的粘滞 阻力，因此，只有当水 力梯度达到某一数值后， 克服了吸着水的粘滞阻 力以后，才能发生渗透。 我们将这一开始发生渗 透时的水力梯度成为粘 性土的起始水力梯度
第二章
岩土体的渗透特 性
2..1 概述
土是具有连续孔 隙的介质。当土 作为建筑物的地 基和直接用作建 筑材料时，水就 会在水位差的作 用下，从水位较 高的一侧透过土 的孔隙流向水位 较低的一侧。
关于防渗墙
防渗墙 防渗墙施工现场
渗透的定义及土的渗透性
水透过土体孔隙的现象成为渗透 土具有被水透过的性能称为土的渗透性 水在土体中的渗透，一方面会造成水量的 损失，影响工程效益；另一方面将引起土 体内部的应力状态的变化，从而改变水工 建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿 成破坏事故。 土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度 以及工程施工都有非常重要的影响