1、第二章第二章 土中水的運動規律土中水的運動規律2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 滲透理論滲透理論2.3 2.3 流網及其工程應用流網及其工程應用2.4 2.4 土中滲流的作用力及滲透變形土中滲流的作用力及滲透變形學習目標：學習目標： 掌握土的滲透定律與滲透力計算方法 具備對地基滲透變形進行正確分析的能力基本要求：基本要求： 1. 掌握土的滲透定律 2. 了解二維滲流及流網繪制 3 . 熟悉土中滲流量計算 4. 掌握土中水的滲透力與地基滲透變形分析第一節第一節 概述概述 地基土以及某些土工建筑物本身(如土壩)是由顆粒狀或碎塊固體材料組成的多孔隙介質多孔隙介質，其內部包含著許多互相連通的孔隙

2、或裂隙。 存在于地基中的地下水，在一定的壓力差作用下，將透過土中的這些孔隙發生流動， 這種現象稱為滲流或滲透滲流或滲透。 土中的自由水可分為毛細水毛細水和重力水重力水。 毛細水毛細水位于地下水位以上的土孔隙中，它是由于水-氣界面表面張力的作用，地下水沿著不規則的孔隙和裂隙上升而形成的。 毛細水既受重力作用重力作用還受表面張力引起的毛細力作用毛細力作用，兩者達到平衡后在地下水位以上形成穩定的毛細飽水區，毛細飽水區的形成將可能使地基土浸濕或產生凍脹而影響其承載能力和穩定性。 重力水重力水位于地下水位以下的土孔隙中，它受重力作用的控制，能對土體產生浮力，在透水土層中還能在水力梯度作用下發生流動而形成

3、滲流。 本章研究的就是土中重力水重力水的運動規津。 不同的土具有不同的透水能力， 主要由土的顆粒組成土的顆粒組成和孔隙比孔隙比等決定。 土的透水性定量指標是滲透系數滲透系數， 滲透系數值愈大，表示上的透水能力愈強。 土層中所有各點在同一方向的透水能力相同時， 稱為均質土層均質土層，否則稱為非均質土層非均質土層。 土層中任一點處各個方向的透水能力相同時， 稱為各向同性土層各向同性土層，否則稱為各向異性土層各向異性土層。 在許多實際工程中都會遇到滲流問題。 如水利工程中的土壩和閘基、建筑物基礎施工中開挖的基坑等。閘基滲流 基坑滲流 圖2-1(a)是水利工程中常見的閘基，在上游水位壓力差的作用下，水

4、將從上游河底進入閘基的地基，沿地基土中的孔隙滲向下游，再從下游河床逸出。 圖2-1（b）為軟土地基深基坑施工時常用的防滲、護壁圍護結構，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。 在這些滲流問題中， 通常都要求計算其滲流量并評判其滲透穩定性計算其滲流量并評判其滲透穩定性。 當滲流的流速較大時， 水流拖曳土體的滲透力將增大。 滲透力的增大將導致土體發生滲透變形，并可能危 及建筑物或周圍設施的安全。 因此，在工程設計與施工中，應正確分析可能出現的滲流情況，必要時采取合理的防滲技術措施防滲技術措施。 土壩，高土壩，高90m，長長

5、1000m，1975年建成，年建成，次年次年6月失事月失事滲透破壞：滲透破壞： 沖蝕沖蝕 水力劈裂水力劈裂美國美國tetonteton壩壩失事現場現狀原因原因溝后面板砂礫石壩溝后面板砂礫石壩位于青海省，位于青海省，高高7171米，長米，長265265米，米，建于建于19891989年。年。19931993年年8 8月月7 7日突然日突然發生潰壩，發生潰壩，是現代碾壓堆石壩是現代碾壓堆石壩垮壩的先例。垮壩的先例。潰壩原因：潰壩原因：面板止水失效，下游壩體排水不暢，面板止水失效，下游壩體排水不暢，造成壩坡失穩造成壩坡失穩廣州京廣廣場基坑塌方廣州京廣廣場基坑塌方珠海祖國廣場基坑失事珠海祖國廣場基坑失

6、事第二節第二節 滲透理論滲透理論 一、滲透模型滲透模型 實際土體中的滲流僅是流經土粒間的孔隙，由于土體孔隙的形狀、大小及分布極為復雜，導致滲流水質點的運動軌跡很不規則，如右圖所示。圖圖2-2 (a) 水在土孔隙中的運動水在土孔隙中的運動 考慮到實際工程中并不需要了解具體孔隙中的滲流情況，可以對滲流作出如下二方面的簡化： 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，認為孔隙和土粒所占的空不考慮土體中顆粒的影響，認為孔隙和土粒所占的空間之總和均為滲流所充滿間之總和均為滲流所充滿。 作了這種簡化后的滲流其實只是一種假想的

7、土體滲流，稱之為滲流模型滲流模型，如圖2-2(b)所示。圖圖2-2 (b)理想化的滲流模型理想化的滲流模型 為了使滲流模型在滲流特性上與真實的滲流相一致，為了使滲流模型在滲流特性上與真實的滲流相一致， 它還應該符合以下要求：它還應該符合以下要求： (1) 在同一過水斷面，滲流模型的流量等于真實滲流 的流量； (2) 在任意截面上，滲流模型的壓力與真實滲流的壓 力相等； (3) 在相同體積內，滲流模型所受到的阻力與真實滲流 所受到的阻力相等。 建立滲流模型后，即可采用液體運動的有關概念和理論對土建立滲流模型后，即可采用液體運動的有關概念和理論對土 體滲流問題進行分析。體滲流問題進行分析。 真實滲

8、流與滲流模型中平均流速的關系：qa滲流模型：滲流模型：真實滲流：真實滲流：0qa0/ana nl.0，即v10-3cm/s)的土的土，應用粒組范圍大致為細砂到中等卵石細砂到中等卵石。常水頭滲透試驗裝置2、變水頭試驗、變水頭試驗 當土樣的滲透性較差時，由于流量太小，加上水的蒸發，使量測非常困難，此時宜采用變水頭試驗測定k值。 土試樣的截面面積為a；量管的過水斷面積為a。水在壓力差作用下經試樣滲流，玻璃量管中的水位慢慢下降，即讓水柱高度h隨時間t逐漸減小，然后讀取兩個時間t1和t2對應的水頭高度h1和h2。 可推導出滲流系數為 2112ln hhttalak 變水頭試驗適用于透水性較小(10-7c

9、m/sk10-3)的粘性土。 圖2-5 變水頭滲透試驗裝置圖 變水頭滲透試驗裝置 變水頭試驗公式推導變水頭試驗公式推導dhadq qdtdqadtlhkkiadtadtlhkdha積分可得thhdtlakahdh021tlakahh21ln21lnhhatlak 滲透系數 （二）現場測定法（二）現場測定法（粗顆粒土或成層的土（粗顆粒土或成層的土 ） 現場測定法的試驗條件比實驗室測定法更符合實際土層的滲透情況，測得的滲透系數k值為整個滲流區較大范圍內土體滲透系數的平均值，是比較可靠的測定方法，但試驗規模較大，所需人力物力也較多。常用的是野外注水試驗和野外抽水試驗等野外注水試驗和野外抽水試驗等。

10、現場測定滲透系數的方法較多，常用的有野外注水試驗和野外抽野外注水試驗和野外抽水試驗水試驗等，這種方法一般是在現場鉆井孔或挖試坑，在往地基中注水或抽水時，量測地基中的水頭高度和滲流量，再根據相應的理論公式求出滲透系數k值。 抽水試驗開始前，先在現場鉆一中心抽水井，根據井底土層情況可分為二種類型：完整井和非完整井。完整井和非完整井。 野外抽水試驗野外抽水試驗一般是：在現場鉆井孔或挖試坑，在往地基中注水或抽水時，量測地基中的水頭高度和滲流量，再根據相應的理論公式求出滲透系數k值。圖圖(a)(a)無壓完整井抽水試驗無壓完整井抽水試驗 圖圖(b)(b)無壓非完整井抽水試驗無壓非完整井抽水試驗 21212

11、120試驗井觀察孔地面水位不透水層（a）不透水層（b）地面水位rh020021212120試驗井觀察孔地面水位不透水層（a）不透水層（b）地面水位rh0200 完整井：完整井：井底鉆至不透水層； 非完整井：非完整井：井底末鉆至不透水層。 在抽水井四周設若干個觀測孔，以觀測周圍地下水位的變化。試驗抽水后，地基中將形成降水漏斗。當地下水進入抽水井的流量與抽水量相等且維持穩定時，測讀此時的單位時間抽水量q，同時在兩個距離抽水井分別為r1和r2的觀測孔處測量出水位h1和h2 。對非完整井需量測抽水井中的水深h0，并確定降水影響半徑r 。圖圖2-7 2-7 抽水試驗抽水試驗 （1）無壓完整井）無壓完整井

12、 上式求得的k值為r1r 或 wi 流土的臨界狀態對應的水力梯度ic稱為臨界水力梯度臨界水力梯度，它可用下式表示： ic = /w = (s-1)/(1+e) 式中，s地基土的土粒密度，g/cm3。流土（砂）流土（砂） 在粘性土中在粘性土中，滲透力的作用滲透力的作用往往使滲流逸出處某一范圍內的土體出現表面隆起變形表面隆起變形； 而在粉砂細砂及粉土等粘聚性差的土粉砂細砂及粉土等粘聚性差的土中，水力梯度達到一定值后，滲流逸出處出現表面隆起變形的同時，還可能出現滲流水流夾帶泥土向外涌出的砂沸現象，致使地基破壞，工程上將這種流土現象稱為流砂流砂。 工程中將臨界水力梯度ic除以安全系數k作為容許水力梯度

13、容許水力梯度i，設計時滲流逸出處的水力梯度i應滿足如下要求： ciiik對流土(砂)安全性進行評價時，k一般可取2.02.5。（二）管涌（二）管涌管涌管涌是在滲流過程中，土體中的化合物不斷溶解、細小顆粒在大顆粒間的孔隙中移動，形成一條管狀通道，最后土粒在滲流逸出處沖出的一種現象。產生管涌的條件比較復雜，從單個土粒來看，如果只計土粒的重量，則當土粒周界上水壓力合力的垂直分量大于土粒的重量時，土粒即可被向上沖出。實際上管涌可能在水平方向發生，土粒之間還有摩擦力等的作用，它們很難計算確定。因此，發生管涌的臨界水力梯度ic一般通過試驗確定。 測定管涌臨界水力梯度ic的試驗裝置如圖所示。 抬高儲水容器，

14、水頭差h增大，滲透速度隨之增大。 當水頭差增大到一定程度后，可觀察到試樣中細小土粒的移動現象，此時的水力梯度即為發生管涌的臨界水力梯度。 圖2-14(a) 管涌試驗裝置圖 在試驗中可測定出不同水力梯度i下對應的滲透速度v，繪制出v-i關系曲線，如圖所示。 v-i關系曲線上可以發現，滲透速度隨水力梯度的變化率在發生管涌前后有明顯不同，在發生管涌前后分成兩條直線. 這兩條直線的交點對應的水力梯度即為發生管涌的臨界臨界水力梯度水力梯度ic。 圖2-14(b) 管涌試驗v-i關系曲線 工程中在對管涌安全性進行評價時，通常可取k1.52.0。 管涌的形成與土的不均勻系數cu 、土中細粒土含量等因素有關。因此工程中也可用它們來判別土的抗管涌安全性。 如右圖所示，不均勻系數cu越大，管涌現象愈容易發生 。 例題例題2-2 某工程開挖深度為某工程開挖深度為6.0 m的基坑時采用板樁圍護結的基坑時采用板樁圍護結構，基坑在排水后的穩定滲流流網如圖所示。地基土的飽構，基坑在排水后的穩定滲流流網如圖所示。地基土的飽和重度和重度gsat=19.8 kn/m3 ，地下水位距