第二章 土中水及其流動

1、12.1 概述概述2.2 滲透力和滲透變形滲透力和滲透變形2一、滲透的工程背景一、滲透的工程背景滲透滲透(流流):在水位差作用下，水透過土體孔隙發(fā)生流動的現(xiàn)象。在水位差作用下，水透過土體孔隙發(fā)生流動的現(xiàn)象。石壩石壩浸潤線浸潤線透水層透水層土壩蓄水后水透土壩蓄水后水透過壩身流向下游過壩身流向下游1.1.土壩蓄水后水透過壩身流向下游土壩蓄水后水透過壩身流向下游第一節(jié)第一節(jié) 概述概述3透水層透水層基坑基坑板樁墻板樁墻2.2.滲流對基坑開挖的影響滲流對基坑開挖的影響 上圖為軟土地基深基坑施工時常用的防滲、護(hù)壁圍護(hù)結(jié)上圖為軟土地基深基坑施工時常用的防滲、護(hù)壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在開挖基坑的過程中，通常是基坑外土層

2、中的地下水位高構(gòu)，在開挖基坑的過程中，通常是基坑外土層中的地下水位高于基坑內(nèi)水位而形成水頭差，地下水將通過坑外土層繞過板樁于基坑內(nèi)水位而形成水頭差，地下水將通過坑外土層繞過板樁滲入坑內(nèi)。滲入坑內(nèi)。43.3.隧道開挖時，地下水向隧道內(nèi)流動隧道開挖時，地下水向隧道內(nèi)流動 4.4.滲流對邊坡穩(wěn)定的影響滲流對邊坡穩(wěn)定的影響5典型事故典型事故2003年年7月月1日凌晨發(fā)生的上海軌道交通日凌晨發(fā)生的上海軌道交通4號線塌方事故，號線塌方事故，直接經(jīng)濟(jì)損失直接經(jīng)濟(jì)損失1.5億元左右，億元左右，3棟建筑物嚴(yán)重傾斜，黃浦江棟建筑物嚴(yán)重傾斜，黃浦江防汛墻局部塌陷并引發(fā)管涌。防汛墻局部塌陷并引發(fā)管涌。事故發(fā)生段為地鐵

3、董家渡段的兩條隧道之間的一條狹小事故發(fā)生段為地鐵董家渡段的兩條隧道之間的一條狹小連接通道，即旁通道，靠黃浦江連接通道，即旁通道，靠黃浦江260米處。米處。事故發(fā)生原因：事故發(fā)生原因：（1）豎井與旁通道的開挖順序錯誤；）豎井與旁通道的開挖順序錯誤；（2）冷凍設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致溫度回升；）冷凍設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致溫度回升；（3）地下承壓水導(dǎo)致噴沙。）地下承壓水導(dǎo)致噴沙。三方面不利因素遇在一起，最終導(dǎo)致了事故的發(fā)生。三方面不利因素遇在一起，最終導(dǎo)致了事故的發(fā)生。典型事故典型事故6789二、滲透模型二、滲透模型 實(shí)際土體中的滲流僅是流經(jīng)土粒間的孔隙,由于土體孔隙的形狀、大小及分布極為復(fù)雜,導(dǎo)致滲流水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)

4、動軌跡很不規(guī)則,如右圖所示。10對滲流作如下二方面的簡化：對滲流作如下二方面的簡化： 一是不考慮滲流路徑的迂回曲折，只分析它的主要流向； 二是不考慮土體中顆粒的影響，認(rèn)為孔隙和土粒所占的空間之總和均為滲流所充滿。滲流模型滲流模型11為為 了使?jié)B流模型在滲流特性上與真實(shí)的滲流相一致，它還應(yīng)該符了使?jié)B流模型在滲流特性上與真實(shí)的滲流相一致，它還應(yīng)該符合以下要求：合以下要求： (1) (1) 流量相等：流量相等：在同一過水?dāng)嗝妫瑵B流模型的流量等于真在同一過水?dāng)嗝?，滲流模型的流量等于真實(shí)滲流的流量；實(shí)滲流的流量； (2) (2) 壓力相等：壓力相等：在任意截面上，滲流模型的壓力與真實(shí)滲在任意截面上，滲流

5、模型的壓力與真實(shí)滲流的壓力相等；流的壓力相等； (3) (3) 阻力相等：阻力相等：在相同體積內(nèi)，滲流模型所受到的阻力與在相同體積內(nèi)，滲流模型所受到的阻力與真實(shí)滲流所受到的阻力相等。真實(shí)滲流所受到的阻力相等。 建立滲流模型后，即可采用液體運(yùn)動的有關(guān)概念和理論對建立滲流模型后，即可采用液體運(yùn)動的有關(guān)概念和理論對土體滲流問題進(jìn)行分析。土體滲流問題進(jìn)行分析。真實(shí)滲流與滲流模型中平均流速的關(guān)系真實(shí)滲流與滲流模型中平均流速的關(guān)系12水在土中流動遵從水力學(xué)的連續(xù)方程和能量方程。一、土中滲流的總水頭和水力坡降伯努利方程：h=z+hw+hv 根據(jù)能量方程，相對于任意確定的基準(zhǔn)面，土中一點(diǎn)的總水頭h為： 動水頭

6、hv與流速的平方成正比，由于水在土中滲流的速度一般很小， hv可以忽略不計(jì)。wwzhzh第二節(jié)第二節(jié) 滲透力和滲透變形滲透力和滲透變形13總水頭差h為水力梯度i也叫水力梯度或水力坡降，即沿滲流方向單位 流程的水頭損失。BAhhhLhiwhzhAB基準(zhǔn)面hAzA總水頭線（壓力水頭線）hBzBh測壓管測壓管wAWAhwBWBhL（流程）14二、達(dá)西滲透定律試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置1、達(dá)西滲透實(shí)驗(yàn)裝置、達(dá)西滲透實(shí)驗(yàn)裝置1856年法國學(xué)者Darcy對砂土的滲透性進(jìn)行研究 直立圓筒。橫截面積為A，上端開口。在圓筒側(cè)壁裝有兩支相距為L的側(cè)壓管。 濾板。濾板上填放顆粒均勻的砂土。 ：溢水管。水由上端注入圓筒，多余的

7、水從此溢出，使筒內(nèi)水位維持一恒定值。 ：短水管。滲透過濾板的水從此流入。 量杯。計(jì)算滲流量q。 同時讀取斷面1-1和斷面2-2處的側(cè)壓管水頭值h1、h2，得到兩斷面之間的水頭損失h= (L+h1)-h2152、達(dá)西定律、達(dá)西定律達(dá)西分析了大量實(shí)驗(yàn)資料，發(fā)現(xiàn)土中滲透的滲流量q與圓筒斷面積A及水頭損失h成正比，與斷面間距l(xiāng)成反比或式中 i=h/l，稱為水力梯度，也稱水力坡降k為滲透系數(shù)滲透系數(shù), 其值等于梯度為1時水的滲透速度，cm/s 。上式所表示的關(guān)系稱為達(dá)西定律，它是滲透的基本定律。v=kiivO O砂土163、 達(dá)西定律的適用范圍達(dá)西定律的適用范圍達(dá)西定律是由砂質(zhì)土體砂質(zhì)土體(中砂、細(xì)砂、

8、粉砂等中砂、細(xì)砂、粉砂等)實(shí)驗(yàn)得到的，后來經(jīng)過修正后推廣應(yīng)用于其他土體如粘土和具有細(xì)裂隙的巖石等。進(jìn)一步的研究表明，在某些條件下，滲透并不一定符合達(dá)西定律，因此在實(shí)際工作中還要注意達(dá)西定律的適用范圍。大量試驗(yàn)表明:(1) 當(dāng)滲透速度較小滲透速度較小時，滲透的沿程水頭損失與流速的一次方成正比程水頭損失與流速的一次方成正比。在一般情況下，砂土、粘土砂土、粘土中的滲透速度很小，其滲流可以看作是一種水流流線互相平行的流動層流層流，滲流運(yùn)動規(guī)律符合達(dá)西定律，滲透速度v與水力梯度i的關(guān)系可在v-i坐標(biāo)系中表示成一條直線，如圖(a)所示。(2) 粗顆粒土粗顆粒土(如礫、卵石等如礫、卵石等)的試驗(yàn)結(jié)果如圖(b

9、)所示。由于其孔隙很大，當(dāng)水力梯度較小時，流速不大，滲流可認(rèn)為是層流，v-i關(guān)系成線性變化，達(dá)西定律仍然適用。當(dāng)水力梯度較大時，流速增大，滲流將過渡為不規(guī)則的相互混雜的流動形式紊流紊流，v-i關(guān)系呈非線性變化，達(dá)西定律不再適用。17 土顆粒周圍存在著結(jié)合水，結(jié)合水因受到分子引力作用而呈現(xiàn)粘滯性,需要克服結(jié)合水的粘滯阻力才能發(fā)生滲流。通常把克服此粘滯阻力所需要的水頭梯度，稱為粘土的起始水頭梯度ib, 只有在達(dá)到起始水力梯度后才能發(fā)生滲透。18三、滲透系數(shù)及其測定 滲透系數(shù)k是評價(jià)土的滲透性的指標(biāo)。k值大的土，滲透性強(qiáng)，反之，滲透性弱。1.滲透系數(shù)的實(shí)用意義2.滲透系數(shù)的影響因素土顆粒的粒徑、級配

10、和礦物成分土顆粒的粒徑、級配和礦物成分土顆粒的粒徑小，滲透系數(shù)??；級配好，滲透系數(shù)小；在含水量相同的情況下，蒙脫石的滲透系數(shù)比高嶺石的小，伊利石的滲透系數(shù)居于兩者之間。19土的孔隙比或孔隙率土的孔隙比或孔隙率 同一種土，孔隙比或孔隙率大，則土的密實(shí)度低，過水?dāng)嗝娲?，滲透系數(shù)也大；反之，滲透性弱。土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造擊實(shí)土樣其滲透系數(shù)比分散結(jié)構(gòu)土樣大許多。 宏觀構(gòu)造上的成層性及扁平粘粒在沉積過程中的 定向排列，使得粘性土在水平方向的滲透系數(shù)往 往遠(yuǎn)大于垂直方向。20土的飽和度土的飽和度 如果土不是完全飽和而有封閉氣體存在，土中封閉氣體阻塞滲流通道，使土的滲透系數(shù)降低。封閉氣體含量愈多，土

11、的滲透性愈小。水的動力粘滯度水的動力粘滯度 動力粘滯度隨水溫發(fā)生明顯的變化。水溫愈高，水的動力粘滯度愈小，土的滲透系數(shù)則愈大。2020TTkk T、20分別為T和20時水的動力度，可從國家標(biāo)準(zhǔn)GBJ12388查得。 我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以20作為標(biāo)準(zhǔn)溫度。213.滲透系數(shù)的測定方法室內(nèi)測定方法室內(nèi)測定方法室內(nèi)滲透試驗(yàn)有常水頭和變水頭兩種試驗(yàn)方法。常水頭滲透試驗(yàn)整個試驗(yàn)過程中水頭差保持不變適用范圍：適用于砂土 時間t內(nèi)流出的水量hAtVLk 滲透系數(shù)測定方法有室內(nèi)測定方法和原位測定方法。試驗(yàn)裝置：如圖 公式： hqvtkiAtkAtLQqt22變水頭滲透試驗(yàn)整個試驗(yàn)過程水頭差隨時間變化試驗(yàn)裝置：適用

12、范圍：適用于粘土 a23管內(nèi)減少水量流經(jīng)試樣水量 adh=kAh/Ldt 分離變量、積分 2112lnhhttAaLk2112lg3 .2hhttAaLk公式： 任一時刻t的水頭差為h，經(jīng)時段dt后，細(xì)玻璃管中水位降落dh，在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量 dQ=adh 在時段dt內(nèi)流經(jīng)試樣的水量 dQ=kiAdt=kAh/Ldt 24例題分析【例例3 3】在變水頭滲透試驗(yàn)中，土樣高3cm，其橫截面積為32.2cm2，變水頭管的內(nèi)截面積為1.11cm2。試驗(yàn)開始時總水頭差為320cm，1h后降至315cm，求土樣的k值?！窘獯鸾獯稹縮cmhhttAaLk/1052.4315320ln360012.3

13、2311.1ln72112a25原位測定方法原位測定方法試驗(yàn)裝置 原位試驗(yàn)?zāi)塬@得較為符合實(shí)際情況的土性參數(shù)，對于難以取得原狀土樣的粗顆粒土尤有重要意義。r3r2r1 h0 抽水孔r0 h2h h1觀測孔2觀測孔126公式：d2drhqkrh分離變量、積分：2211dr2drhrhqkh hr得：222121ln-rqkrh h 如果只有一個觀測孔，如只有觀測孔1，則上式的h1和 h2各用h0和 h1代替，r1和r2分別代之以r0和r1即可。274.成層土的平均滲透系數(shù)水平滲透系數(shù)水平滲透系數(shù) H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通過整個土層的總滲流量qx應(yīng)為各土層滲流量之總和 12

14、1xxxnxnixiqqqqqiHkqxx達(dá)西定律nnniixiHkiHkiHkq22111由此得：niiixHkHk1128垂直滲透系數(shù)垂直滲透系數(shù) H1H2H3k1k2k3H 根據(jù)水流連續(xù)定理，通過每一土層的滲流速度相等q3yq2yq1y 總水頭損失等于各層水頭損失之和 nniHiHiHHi2211nnykHkHkHHk2211nhhhh21nyyyyyqqqqq.321根據(jù)達(dá)西定律nnyyyyyHkvHkvHkvHkv2211即：由此得： qy29四、滲透力及滲透變形 水是具有一定粘滯度的液體，當(dāng)其在土中滲流時，對土顆粒有推動、摩擦和拖曳作用，它們綜合形成的作用于土骨架的力，即為滲透力。

15、1.滲透力h2h1h21L 沿水流方向放置兩個測壓管，測壓管水面高差h 土粒對水流的阻力應(yīng)為 hAFw30hAFJw 在根據(jù)牛頓第三定律，試樣的總滲流力J和土粒對水流的阻力F大小相等，方向相反 滲流作用于單位土體的力wwiALhAALJj滲透力j是滲流對單位土體的作用力，是一種體積力，其大小與水力梯度成正比，作用方向與滲流方向一致，單位為kN/m3。滲透力的存在，將使土體內(nèi)部受力發(fā)生變化，這種變化對土體穩(wěn)定性有顯著的影響。說明：312.臨界水力梯度當(dāng)水向上滲流時，向上的滲透力與土顆粒的浮重相等時，土顆粒處于失重或懸浮狀態(tài)，這時的水力梯度即為臨界水力梯度。當(dāng)水向上滲流時，滲透力與重力方向相反，當(dāng)

16、滲透力大于土體的有效重度，土粒將被水流沖出。當(dāng)水向下滲流時，滲透力方向與重力一致，促使土體壓密、強(qiáng)度提高，有利于土體穩(wěn)定。GJJG wLAhAwcri323.土的滲透變形土由于受滲流作用而發(fā)生的破壞 土的滲透破壞主要有流砂（或稱流土、翻砂）和管涌兩種。流砂流砂指水向上滲流時，在滲流出口處一定范圍內(nèi)，土顆?；蚱浼象w浮揚(yáng)而向上移動或涌出的現(xiàn)象33是否發(fā)生流土，可按下述原則來判斷：若iicr，會發(fā)生流土破壞 設(shè)計(jì)計(jì)算時不僅應(yīng)使iicrscrFii Fs為安全系數(shù)，其取值不一定，但大多數(shù)不小于1.5。34管涌管涌指在滲流作用下，無粘性土中的細(xì)小顆粒通過較大顆粒的孔隙，發(fā)生移動并被帶出的現(xiàn)象。 發(fā)生管

17、涌，其水力梯度必須超過其臨界值。但應(yīng)注意，管涌的臨界水力梯度與流土的水力梯度不同，有關(guān)的研究工作還不夠，尚無公認(rèn)合適的計(jì)算公式。35 2002.8.222002.8.22湘江大堤望城靖港鎮(zhèn)東湖湘江大堤望城靖港鎮(zhèn)東湖責(zé)任段出現(xiàn)散浸，并有個別散浸點(diǎn)轉(zhuǎn)化為責(zé)任段出現(xiàn)散浸，并有個別散浸點(diǎn)轉(zhuǎn)化為管涌，經(jīng)搶險(xiǎn)隊(duì)伍用砂卵石將散浸口和管管涌，經(jīng)搶險(xiǎn)隊(duì)伍用砂卵石將散浸口和管涌口壓住，其他管涌和也被砂卵石填壓。涌口壓住，其他管涌和也被砂卵石填壓。大堤從凌晨大堤從凌晨1 1時出現(xiàn)的險(xiǎn)情到下午時出現(xiàn)的險(xiǎn)情到下午5 5點(diǎn)得到點(diǎn)得到了完全控制。了完全控制。最大的管涌處最大的管涌處最大的管涌處3637流土流土土體局部范圍的

18、顆粒同時發(fā)土體局部范圍的顆粒同時發(fā)生移動生移動管涌管涌只發(fā)生在水流滲出的表層只發(fā)生在水流滲出的表層只要滲透力足夠大，只要滲透力足夠大，可發(fā)生在任何土中可發(fā)生在任何土中破壞過程短破壞過程短導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等導(dǎo)致下游坡面產(chǎn)生局部滑動等現(xiàn)象現(xiàn)象位置位置土類土類歷時歷時后果后果土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成土體內(nèi)細(xì)顆粒通過粗粒形成的孔隙通道移動的孔隙通道移動可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流可發(fā)生于土體內(nèi)部和滲流溢出處溢出處一般發(fā)生在特定級配的一般發(fā)生在特定級配的無粘性土或分散性粘土無粘性土或分散性粘土破壞過程相對較長破壞過程相對較長導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷或潰口383. 3. 防治措施防治措施 scrFiii 增大增大ii：下游增加透水蓋重下游增加透水蓋重 防治防治流土流土減小減小i i ：上游延長滲徑；上游延長滲徑； 下游減小水壓下游減小水壓防治防治管涌管涌改善幾何條件：改善幾何條件：設(shè)反濾層等設(shè)反濾層等改善水力條件：改善水力條件：減小滲透坡降減小滲透坡降39 管涌既可以發(fā)生在土體內(nèi)部，也可以發(fā)生在滲流出口處，發(fā)展一般有個時間過程，是一種漸進(jìn)性的破壞。流土只發(fā)生在滲流出口處，不發(fā)生在內(nèi)部，破壞也比較突然。流土與管涌的區(qū)別流土與管涌的區(qū)別 發(fā)生管涌的土一般為無粘性土，其產(chǎn)生的必要條件之一是土中含有適量的粗顆粒和細(xì)顆粒，且粗顆粒間的孔隙