土的渗透性及渗流

第 3 章 土的渗透性及渗流

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内容提要3.1 概 述 3.2 土的渗透性和渗流定律 土的渗透性 土的层流渗透定律— 达西定律

渗透系数的测定及其影响因素

3.3 渗透破坏与控制 渗流力的计算 土的渗透破坏和防治措施北京工业大学 土力学课程

第 3 章

3.1 概

述

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3.1 概 述 土 体 多孔介质能量差渗流

孔隙水流动

土颗粒

土中水

渗流：水在能量差的作用下在土体孔隙通道中流动的现象。 渗透性：土体具有的能够被水和气体等流体通过的性质。 水在土孔隙中的流动会引起土体中应力状态的改变，从而使 土体的强度和变形特性发生变化。北京工业大学 土力学课程

3.1 概 述 与渗透性相关的工程问题 基坑开挖排水 修筑渗水路堤 饱和粘性土地基的沉降

施工降水 地下水开采

土石坝及堤岸的稳定性(流砂、管涌)

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3.1 概 述 土的渗透性研究主要包括如下三方面的问题： 渗流量问题 渗透破坏问题 渗流控制问题

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3.1 概 述土石坝坝基坝身渗流土石坝浸润线

防渗斜墙及铺盖

渗流量 渗透变形

透水层 不透水层

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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

渗水压力 渗流量 渗透变形

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3.1 概 述水井渗流Q

天然水面

透水层

渗流量 地下水位

不透水层

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3.2 土的渗透性和渗流定律

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3.2 土的渗透性和渗流定律水在孔隙中的 真实运动轨迹 渗流模型 一. 土的渗透性—

理想化的 渗流模型

对渗流的简化： 不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向； 不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土颗粒所占的空间之总和均为渗

流所充满。北京工业大学 土力学课程

3.2 土的渗透性和渗流定律一. 土的渗透性— 渗流模型对渗流模型的要求： 在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； 在任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等； 在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的

阻力相等。

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3.2 土的渗透性和渗流定律一. 土的渗透性— 渗流速度 渗流速度真实渗流仅发生在 实际流速土体孔隙内

Q v At渗流速度表征过水截面上 的平均流速，并不代表水 在土中渗流的真实流速。

Q v0 nAtn < 1.0

v < v0

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3.2 土的渗透性和渗流定律一. 土的渗透性— 水头和水力

梯度(水力坡降)板桩墙

基坑

A L B

透水层 不透水层

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3.2 土的渗透性和渗流定律一. 土的渗透性— 水头和水力梯度(水力坡降)uA w

Δh

h1 zA 0

AB

uB w

h2 0

v h z w 2g位置水头 速度水头 压力水头

u

2

L基准面

zB

位置水头：代表单位质量液体所具有的位能，与基准面的选取有关； 压力水头：该点孔隙水压力对应的水柱的高度； 速度水头：代表单位质量液体所具有的动能。北京工业大学 土力学课程

3.2 土的渗透性和渗流定律一. 土的渗透性— 水头和水力梯度(水力坡降)uA w

Δh

水力梯度

h1 zA 0

AB

uB w

h2 0

L基准面

zB

h h1 h2 i L L

水力梯度：表示在水的渗流路径上单位长度上的水头损失， 也称为水力坡降或水头梯度。水力梯度可以表征水在土中渗流的推动力的大小。北京工业大学 土力学课程

3.2 土的渗透性和渗流定律二. 土的层流渗透定律— 达西定律 土体中孔隙一般较小，水在孔隙中渗流时的粘滞阻力很大，

流速缓慢。

层 流

层流：水流流线互相平行的流动。 层流渗透定律

达西(Darcy)定律

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3.2 土的渗透性和渗流定律二. 土的层流渗透定律— 达西定律

h v k ki L

q kAi层流的渗透速度 与水力梯度成正比达西渗透试验北京工业大学 土力学课程

3.2 土的渗透性和渗流定律二. 土的层流渗透定律— 达西定律 渗透系数k:表征土体渗透性强弱的指标，数值上等于 单位水力梯度时对应的渗流速度，具有速度的量纲。 土的渗透系数参考值土的类别 渗透系数(m/s)

粘土粉质粘土 粉土 黄土 粉砂

< 5×10-85×10-8~1×10-6 1×10-6~5×10-6 2.5×10-6~5×10-6-5 5×10-6~1× 10 北京工业大学 土力学课程

3.2 土的渗透性和渗流定律二. 土的层流渗透定律— 达西定律 土的渗透系数参考值土的类别 细砂 渗透系数(m/s) 1×10-5~5×10-5

中砂粗砂 圆砾

5×10-5~2×10-42×10-4~5×10-4 5×10-4~1×10-3

卵石

1×10-3~5×10-3

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3.2 土的渗透性和渗流定律三. 达西定律的适用范围 达西定律只适用于层流的情况，一般只适用于中砂、细砂、

粉砂等土类中水的渗流。 对于粗砂、砾石、卵石等粗颗粒土，水的渗流速度较大，

不再是层流而是紊流，达西定律不再适用。 对于粘土中水的渗流，达西定律需进行修正。

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