大学课程《工程地质与土力学》教学PPT课件:第7章 土的渗透性.pptx
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第七章土的渗透性第一节达西定律第二节渗透系数的测定第三节渗透力和临界水力坡降第四节渗透变形,渗流的概念水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生缓慢流动的现象称为水的渗透。
土体被水透过的特性称为土的渗透性。
第一节达西定律,在水利工程中,水的渗透会引起两方面的问题:
一是渗漏问题;二是渗透稳定性问题。
一、达西定律1856年法国学者达西(H.Darcy)根据均质砂滤床实验提出,在层流状态下,土中水的渗透速度与水力坡降成正比(8-1)式中:
v为渗透速度(cms);k为土的渗透系数(cms);i为水力坡降,h为渗流起点和渗流终点(上游测压管和下游测压管)间的水位差;L为渗流起点到渗流终点的距离。
第一节达西定律,若以渗透流量表示时则有(8-2)式中:
q为单位时间的渗流量或简称渗流量(cm3s);A为垂直于渗流方向土的截面积(cm2)。
如果在一定的水力坡降下,经过t时段渗流后,透过垂直于渗流方向横截面面积为A的渗流量为Q,则渗流达西定律可表示为(8-3),由于土中水的渗流不是通过土的整个截面,而仅是通过该截面内土粒间的孔隙。
因此,土中孔隙水的实际流速u比前述公式中的渗流速度v要大。
土中孔隙水的实际流速u比前述公式中的渗流速度v谁大(?
),图8-2(a)细粒土的v-i关系图8-2(b)粗粒土的v-i关系砂土、一般黏土颗粒极细的黏土,二、达西定律的适用范围,二、达西定律的适用范围在一般情况下,砂土、黏土中的渗透速度很小,其渗流渗流运动规律符合达西定律,如图8-2(a)所示。
粗颗粒土(如砾、卵石等)的试验结果如图8-2(b)所示,由于其孔隙很大,当水力梯度较小时,达西定律仍然适用。
当水力梯度较大时,流速增大,渗流将过渡为不规则的相互混杂的流动形式紊流,这时v-i关系呈非线性变化,达西定律不再适用。
少数黏土(如颗粒极细的高压缩性土,可自由膨胀的粘性土等)的渗透试验表明,它们的渗透存在一个起始水力梯度ib,这种土只有在达到起始水力梯度后才能发生渗透。
这类土在发生渗透后,其渗透速度仍可近似的用直线表示,即v=k(iib),如图8-2(a)中曲线所示。
一、渗透实验
(一)室内渗透试验土的渗透系数可通过室内渗透试验获得,室内渗透试验有常水头试验和变水头试验之分。
1.室内常水头渗透试验适合透水性大的砂性土,室内常水头渗透试验装置的示意图如图8-3(a)所示。
由此求得试验温度下土样的渗透系数为:
(8-5),第二节渗透系数的确定,图8-3(a)常水头渗透试验图8-3(b)变水头渗透试验,2.室内变水头渗透试验适用于透水性较小(10-7cm/sk10-3cm/s)的粘性土等。
室内变水头渗透试验装置的示意图如图8-3所示。
假定试验开始时,储水管水头为h1,经过时段t后储水管的水头降为h2。
设在时间dt内水头降低了-dh,则在dt时间内通过土样的流量为:
dQ=adh由此求得土的渗透系数为:
(8-7)或:
(8-8),现场抽水试验,如图8-4现场潜水完整井抽水试验示意图,
(二)现场渗透试验,可得:
或,二、影响土渗透性的因素实验研究表明,影响土渗透性的因素颇多,其中主要有以下几种:
1土粒大小、形状和级配土颗粒愈粗、愈浑圆、愈均匀时,土的渗透性也愈好。
砂土中含有较多的粉粒和粘粒时,其渗透系数明显降低。
粘性土中含有较多的亲水性矿物时,其体积膨胀,渗透性变差。
2土的孔隙比土的密度增大,孔隙比减小时,渗透性也随之减小。
3土的结构构造单粒结构的土体其渗透系数大于蜂窝结构的土体,而絮状结构土体的渗透系数一般更小。
天然土层通常不是各向同性的,受土的构造影响,其渗透系数也通常不是各向同性的。
如黄土竖直方向的渗透系数通常比水平方向的要大一些。
层状黏土中常夹有粉砂层,再加上其常见的层理构造,使其水平方向的渗透系数远大于竖直方向。
4土中水的温度雷诺(Reynold)通过实验研究首先发现,土的渗透系数除与土的性质有关外,还与水的温度有关。
水温升高时,随之增大。
为了便于进行对比,一般用20时的渗透系数K20或10时的渗透系数K10进行比较,并将K20或K10称为的K标准值。
(2-11)式中:
20某一标准温度(10或20)下水的动力粘滞系数;Kt和t试验温度为t时土的渗透系数和水的动力粘滞系数;,5土中封闭气体的含量当土中封闭气体的含量增加时,其渗透系数随之减小。
此外,土中有机质和胶体颗粒的存在都会影响土的渗透系数。
含有大量有机质的淤泥几乎是不透水的。
表8-1土的渗透系数参考值,三、成层土的等效渗透系数
(一)水平向渗流水平渗流的特点:
(1)各层土中的水力坡降i(Dh/L)与等效土层的平均水力坡降i相同。
(2)垂直x-z面取单位宽度,通过等效土层H的总渗流量等于各层土渗流量之和,即将达西定律代入上式可得沿水平方向的等效渗透系数kx:
(二)竖直向渗流竖直渗流的特点:
(1)根据水流连续原理,流经各土层的流速与流经等效土层的流速相同,即
(2)流经等效土层H的总水头损失h等于各层上的水头损失之和,即(3)将达西定律代入上式可得沿竖直方向的等效渗透系数kz:
一、渗透力1.渗透压力的定义这种渗透水流作用对土骨架产生的拖曳力称为渗透压力,用J表示。
第三节土的渗透力和临界水力坡降,2.渗透力的计算渗流水作用在单位体积土体中土颗粒上的渗流压力称为动水力或渗透力,用(kN/m3)表示。
动水力的作用方向与渗流水的方向一致,可以得出渗流时单位体积内土粒受到的单位渗透力为:
(2-12)单位:
kN/m3渗透力的方向与渗流方向一致,二、临界水力坡降由于动水力的方向与渗流方向一致,因此,当水的渗流自下而上发生时,动水力的方向与土体重力方向相反,这样将减小土颗粒间的压力。
当动水力与砂土的浮重度相等时:
通过上述分析可知,产生流砂现象时,除渗流必须自下而上发生外,还需满足:
不产生流土或管涌现象的最大水力坡降或开始产生流土或管涌时的界限坡降。
当渗透力等于土的浮重度时,土粒就处于被渗透水流挟带走的临界状态,此时的水力坡降即为临界水力坡降。
(在渗透变形试验中,临界水力坡降定义为破坏水力坡降与破坏的前一级水力坡降之平均值)。
在设计中用允许坡降,K取值1.22。
特别重要的工程也可取2.5,在实际设计中:
实际水力坡降应不超过允许值,即:
一、渗透变形在渗透力作用下发生的土粒或土体移动或渗透破坏现象。
主要表现形式有管涌或流土。
1.流土在渗流作用下,局部土体表面隆起,或某一范围内土粒群同时发生移动的现象。
流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处,不发生于土体内部。
开挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象,属于流土破坏。
细砂、粉砂、淤泥等较易发生流土破坏。
第四节渗透变形,2.管涌在渗流作用下,无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒的孔隙,发生移动并被带出的现象。
管涌既可以发生在土体内部,也可以发生在渗流出口处,发展一般有个时间过程,是一种渐进性的破坏。
粘性土流土破坏;一般认为不均匀系数的匀粒砂土,在一定的水力梯度下,局部地区较易发生流土破坏;对Cu10的土,较易发生管涌。
对于CU10的土,一般来说较为准确;而对于CU20的土,仍有可能产生流土破坏。
3.流土与管涌的判别渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配以及水力条件等因素有关。
对Cu5的土,分两种情况:
级配不连续:
流土型,管涌型,过渡型,土中细粒含量,级配连续:
细粒直径(d3、d5)与孔隙平均直径D0比较法,流土型,管涌型,过渡型,发生管涌时的临界水力坡降与土的颗粒大小及其级配情况等多种因素有关,目前还没有一个公认的计算标准。
实际工程可参考以下两式进行判断。
当渗流自下而上发生时:
当渗流从侧向发生时:
以上两式中:
d3土中小于某粒径的颗粒占总颗粒质量的3%时,该粒径即定义为d3,cm;K土的渗透系数,cm/s;n土的孔隙度;土的内摩擦角;C常数,根据区域土的性质和工程经验确定,一般取C=42。
工程实践还表明,发生管涌时的临界水力坡降和土的不均匀系数之间存在一定关系,不均匀系数Cu越大,临界水力坡降icr越小,其具体关系参见表8-2,表8-2不同级配土的管涌临界水力坡降,三、水工建筑物(土石坝)防治渗透变形的措施,主要的防治措施有:
垂直截渗、水平铺盖、排水减压和反滤盖重等。
1.垂直截渗常用的方法有黏土截水槽、灌浆帐幕和混凝土防渗墙等。
2.水平铺盖当透水层很厚,垂直截渗措施难以奏效时,常采用此措施。
图86截水槽示意图a心墙坝;b均质斜墙坝,图87防渗铺盖示意图,3.排水减压常用的方法有排水沟和减压井,它们的作用是减小逸出段的实际水力梯度。
如果坝基为单一透水结构或透水层上覆粘性土较薄的双层结构,可以在下游坝脚附近开挖排水沟,使之与透水层连通,以有效地降低浸润曲线和水头。
如果双层结构的上层粘性土厚度较大,则应采用排水沟和减压井相结合的方法。
减压井的井距一般为1530m,井径200300mm。
图88典型反滤层结构图a各分层间粒径关系;b排水孔反滤层结构,4.反滤盖重在渗流逸出段分层铺设,粒径由细到粗,常设置三层,即为反滤层。
典型的反滤层结构如图88所示。
反滤层是保护渗流出口的有效措施,它既可以保证排水通畅,降低逸出水力梯度,又起到盖重的作用。
专门的盖重措施,是把坝后用土或碎石填压,增加荷重,以防止被保护层浮动。
复习思考题1.何谓达西定律?
其表达式如何?
它的适用条件是什么?
2.什么是土的渗透系数?
影响土的渗透系数的因素是什么?
3.常水头和变水头渗透试验方法有何区别?
各适用于什么土?
4.什么是管涌、流土?
引起流土和管涌破坏的原因是什么?
5.渗透变形的防治都有哪些工程措施?
6.什么叫渗透力?
大小、方向如何确定?
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