第二章 土的渗透性和渗流问题

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1、第二章土的渗透性和渗流问题第一节概述土是多孔介质，其孔隙在空间互相连通。当饱和土体中两点之间存在能量差时，水就通过土体的孔隙从能量高的位置向能量低的位置流动。水在土体孔隙中流动的现象称为渗流；土具有被水等液体透过的性质称为土的渗透性。土的渗透性是土的重要力学性质之一。在水利工程中，许多问题都与土的渗透性有关。渗透问题的研究主要包括以下几个方面：1．。例如对土坝坝身、坝基及渠道的渗漏水量的估算（图2－la、b），基坑开挖时的渗水量及排水量计算（图2－1C），以及水井的供水量估算（图2－1d）等。渗流量的大小将直接关系到这些工程的

2、经济效益。2．。流经土体的水流会对土颗粒和土体施加作用力，这一作用力称为渗透力。当渗透力过大时就会引起土颗粒或土体的移动，从而造成土工建筑物及地基产生渗透变形。渗透变形问题直接关系到建筑物的安全，它是水工建筑物和地基发生破坏的重要原因之一。由于渗透破坏而导致土石坝失事的数量占总失事工程数量的25%~30%。3．。当渗流量和渗透变形不满足设计要求时，要采用工程措施加以控制，这一工作称为渗流控制。渗流会造成水量损失而降低工程效益；会引起土体渗透变形，从而直接影响土工建筑物和地基的稳定与安全。因此，研究土的渗透规律、对渗流进行有效的

3、控制和利用，是水利工程及土木工程有关领域中的一个非常重要的课题。第二节土的渗透性一、土的渗透定律—达西定律（一）渗流中的总水头与水力坡降液体流动除了要满足连续原理外，还必须要满足液流的能量方程，即伯努里方程。在饱和土体渗透水流的研究中，常采用水头的概念来定义水体流动中的位能和动能。水头是指单位重量水体所具有的能量。按照伯努里方程，液流中一点的总水头h，可用位置水头Z、压v2力水头和流速水头之和表示，即?w2guv2h?z??(2-1)?w2gu式(2—1)中各项的物理意义均代表单位重量液体所具有的各种机械能，其量纲为长度。对于

4、流经土体中A、B二点渗流（图2－2），按照式（2－1），A、B两点的总水头可分别表示为：vh1?zA??A?w2gh2?zB?uBuA2?w?vB2g2且h1?h2??h1式中，ZA、ZB—分别为A点和B点相对于任意选定的基准面的高度。代表单位重量液体所具有的位能，故称z为位置水头。uA、、uB—分别为A和B两点的水压力即孔隙水压力（kN/m2），代表单位重量液体所具有的压力势能。将它们除以水的容重?w（kN/m3）后，uA?w和uB?w就分别代表A、B两点孔隙水压力的水柱高度，因此称u?w为压力水头。vA、vB—分别为A点和

5、B点处的渗流流速（m/s），g为重力加速度（m/s2）。v2v22g即代表单位重量液体所具有的动能，故称2g为流速水头。h1、h2—分别代表A点和B点单位重量液体所具有的，故称之为。?h—A、B二点间的，代表单位重量液体从A点向B点流动时，为克服阻力而损失的能量。另外，我们常将位置水头与压力水头之和z?u?w称为。如果将二根测压管分别安装在点A和点B处时，测压管中的水面将会分别上升至ZA+处。所以，测压管水头代表的是单位重量液体所具有的总势能。uA?w和ZB+uB?w的标高饱和土体中两点间是否会出现渗流是由总水头差?h（=h1

6、-h2）决定的。只有当两点间的总水头差?h>0时，才会发生水从总水头高的点向总水头低的点流动。由于土中渗流阻力大，流速v在一般情况下都很小，因此流速水头也很小，为简便起见可以忽略。这样，渗流中任一点的总水头就可用测压管水头来代替，式（2—1）可简化为h?z?u?w(2-5)将土体中A、B两点的测压管水头连接起来（图2－2），就得到测压管水头线（又称水力坡降线）。由于渗流过程中存在能量损失，测压管水头线沿渗流方向下降。A、B两点间的水头损失，可用无量纲的形式来表示，即i??h(2-6)L这里，i称为水力坡降，L为A、B两点

7、间渗流路径的长度。水力坡降i代表单位渗流长度上的水头损失。（二）渗透试验与达西定律2达西利用图2－5所示的试验装置对均匀砂进行了渗流试验，得出了层流条件下，土中水的渗流速度与能量（水头）损失之间的渗流规律，即达西定律。达西试验装置的主要部分是一个上端开口的直立圆筒，下部放碎石，碎石上放一块多孔滤板，滤板上面放置颗粒均匀的土样，其断面积为A，长度为L。筒的侧壁装有两支测压管，分别设置在土样两端的两个过水断面处。水由上端进水管注入圆筒，并以溢水管保持简内为恒定水位。透过土样的水从装有控制阀门的弯管流入容器中。当筒的上部水面保持恒定

8、以后，通过砂土的渗流是恒定流，测压管中的水面将恒定不变。取图2—5中的0—0界面为基准面，h1、h2分别为上下断面处的测压管水头；?h即为渗流流经L长度砂样后的水头损失。达西根据对不同类型及长度的土样所进行的试验发现，渗出水流量Q[L3T-1]与圆筒断面积A[L2]和水力坡降