第二章 土的渗透性及渗流

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1、第二章土的渗透性及渗流主要内容2.1土的渗透性及举例2.2土的水理性质2.3地下水的运动方式和判别2.4达西定律及其适应范围2.5渗透系数的测定2.6二维渗流及流网应用2.7渗透力、潜蚀和流沙的危害及防治2.8渗流情况下的有效应力和孔隙水压力2.1土的渗透性及举例由于土是具有连续孔隙的介质，当土中两点存在着能量差时，也就是存在水位差时，水就在土的孔隙中从能量高的点（水位高的点）向能量低的点流动。这种水透过土体孔隙的现象就叫做渗透（渗流）。土具有被水等液体透过的性质叫渗透性。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

2、构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基的稳定性或产生有害变形的问题。浸润线透水层不透水层渗流量渗透变形土石坝坝基坝身渗流透水层不透水层板桩墙基坑板桩围护下的基坑渗流渗流量渗透变形渗流量渗流时地下水位渠道渗流透水层不透水层天然水面水井渗流漏斗状潜水面Q渗流滑坡土的水理性质：土体在水的作用及其变化的条件下，产生土的物理、力学状态及性质的变化以及对工程的影响。这里主要讨论以下的两方面问题：土的毛细水性质土的冻胀2.2土的水理性质土的毛细水性质土的毛细现象：土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上及向其他方向移动的现象。土能够产生毛细现象的性质称

3、为土的毛细性。土的毛细性对工程的影响：毛细水上升是引起路基冻害的因素之一对于房屋建筑，毛细水的上升会引起地下室过分潮湿毛细水的上升可能引起土的沼泽化和盐渍化，对工程及农业经济都有很大的影响土的冻胀地下水位较高处的粉砂、粉土、粉影响冻胀的因素有下列三个方面：（1）土的因素；（2）水的因素；（3）温度的因素上述三方面的因素是土层发生冻胀的三个必要条件。其结论是：在持续负温作用下，质粘土等土层常具有较大的冻胀危害。主要措施：将构筑物基础底面置于当地冻结深度（可查有关规范）以下，以防止冻害的影响。2.3地下水的运动方式和判别地下水：地下水位以下的重力

4、水。除特殊情况外，地下水总是处在运动状态之中。地下水的运动方式的分类：①按流线形态：层流、湍流②按水流特征随时间的变化状况分为：稳定流运动、非稳流运动③按水流在空间上的分布状况分为：一维流动、二维流动、三维流动地下水运动的基本方式雷诺（英国）1883年得出了划分层流与湍流的定量界限，称雷诺数。圆管中水的流动雷诺数：式中：v为圆管水流的速度，cm/s；d为圆管的直径，cm；s为水的运动粘滞系数，也称斯托克斯系数，1ST=1cm2/s。当温度T=0摄氏度时，；当温度T=30摄氏度时，根据计算结果当Re<(2000~2300)时属层流；当Re>（2

5、000~2300）时属湍流。地下水运动方式的判别—雷诺数式中，z为位置水头；压力水头；为流速水头，流速水头近似等于0。水的渗流是由水头势能驱动，从水头高（势能大）的地方流向水头低（势能小）的地方。1、各种水头概念及水力坡降水头(waterhead)：单位重量水体所具有的能量。渗流中一点的总水头h可用下式表示几个重要的概念上式可写为ABLh1h2zAzBΔh00基准面水力坡降线A点总水头：B点总水头：总水头：水力坡降：渗流流过单位长度时的水头损失。水力坡降的物理意义注意：土体中两点是否会发生渗流，只取决于总水头差，若hA≠hB时，才会发生水从总

6、水头高的点向总水头低的点流动（但水并非一定向低处流）。2、管内水流动的两种形式（1）流动时相邻的两质点流线永不相交的流动称为层流。（2）若水流动时，相邻的两个质点流线相交，流动时将出现漩涡，这种流动称为湍流。土体中水的流速很小可看作为层流。2.4达西定律及其适用范围达西（H.Darcy），1803～1858，法国水力工程师。1856年，达西发表了著名的多孔介质地下水运动或流动的报告，报道了他所做的关于水在沙柱中流动的实验。达西发现通过沙柱的流量与所用砂的透水性和观测点的水头有关，该关系的数学表达式即为达西定律。可以说，达西的发现首次从数量上揭

7、示了多孔介质中水流与多孔介质渗透性之间的数量关系，使多孔介质中地下水流计算成为可能。现代地下水流计算中，几乎所有的经典计算方法和计算模型，都是直接或间接地由达西定律推倒而得来。所以可以毫不夸张地说，达西是水文地质学的奠基人之一，他的实验成果开创了一门研究地下水流在多孔介质中运动的科学——地下水动力学。一、达西渗透定律由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。著名的达西(Darcy)渗透定律，渗透速度：或渗流量为：式中：v--水在土中的渗透速度，cm/s。它不是地下水的实际流速，而是在

8、单位时间（sec）内流过单位土截面（cm2）的水量（cm3），是土体断面的平均渗透速度；i--水力梯度，即土中两点的水头差(如下图，为H1-H2)与两点间的流线长度