第七章土的渗流理论 第一节概述 土中的重力水及外部水在重力作用下可以穿过士的孔隙发生运 动,例图如7-1所示的情况。当水闸和土坝挡水后,高水位的水就 会通过坝体和坝基向低水位处渗流。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 难易程度称为土的渗透性。 阐底板 不透水地基 图71闯坝渗透示意图 a)土坝渗透;(b)间基诱
第七章 土的渗流理论 ⚫ 第一节 概述 ⚫ 土中的重力水及外部水在重力作用下可以穿过土的孔隙发生运 动，例图如7-1所示的情况。当水闸和土坝挡水后，高水位的水就 会通过坝体和坝基向低水位处渗流。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 难易程度称为土的渗透性
●土的渗透在工程中具有重要的意义。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。前者 是研究因渗透引起的水量损失。而后者则是研究受渗流影响时的 土体稳定性问题。在建筑工程中,深基坑开挖中的边坡及地基的 稳定性、降水设计和外力作用下饱和土的固结等都和土的渗透问 题有关。本章将研究水在土中渗透的基本规律及渗流理论在工程 中的应用问题。 第二节土的渗透性及达西定律 ●本节研究的内容是地下水(孔隙中的重力水)的运动规律。如前 所述,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,而土体被水透过的性能称为土的渗透性。 地下水按流线形态划分的流动状态有层流和紊流两种状态。若水 流流动过程中每一水质点都沿一固定的途径流动,其流线互不相 交,则称其为层流状态,简称层流。水流流动时,水质点的流动 途径是不规则的,其流线在流动过程中相交再相交,并在流动过 程中产生漩涡,则称其为紊流状态或紊流。一般认为,绝大多数 场合下土中水的流动呈现层流状态。如果土中渗流为紊流时,常 导致土体发生失稳破坏
⚫ 土的渗透在工程中具有重要的意义。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。前者 是研究因渗透引起的水量损失。而后者则是研究受渗流影响时的 土体稳定性问题。在建筑工程中，深基坑开挖中的边坡及地基的 稳定性、降水设计和外力作用下饱和土的固结等都和土的渗透问 题有关。本章将研究水在土中渗透的基本规律及渗流理论在工程 中的应用问题。 ⚫ ⚫ 第二节土的渗透性及达西定律 ⚫ ⚫ 本节研究的内容是地下水（孔隙中的重力水）的运动规律。如前 所述，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，而土体被水透过的性能称为土的渗透性。 ⚫ 地下水按流线形态划分的流动状态有层流和紊流两种状态。若水 流流动过程中每一水质点都沿一固定的途径流动，其流线互不相 交，则称其为层流状态，简称层流。水流流动时，水质点的流动 途径是不规则的，其流线在流动过程中相交再相交，并在流动过 程中产生漩涡，则称其为紊流状态或紊流。一般认为，绝大多数 场合下土中水的流动呈现层流状态。如果土中渗流为紊流时，常 导致土体发生失稳破坏
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位差成正比,与渗流长度成反比。 引入比例系数则有 7-1) 式中Δh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;k为土的渗透系数(cm /s);v为渗透速度(cm/s)。若令 并定义i为水力坡 降,则达西定律可表示为: (7-2) 若以渗透流量表示时则有 7-3) 式中q为单位时间的渗流量或简称渗流量(cm3/s);A为垂直于 渗流方向土的截面积(cm2)。通过公式(7-2)和(7-3)不难发 现,土的渗透速度是指在一定的水力坡降下,单位时间内透过垂 直于渗流方向的单位横截面面积土体的渗流量
⚫ 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位差成正比，与渗流长度成反比。 引入比例系数则有 （7-1） ⚫ 式中Δh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；k为土的渗透系数（cm ／s）；v为渗透速度（cm／s）。若令 ，并定义i为水力坡 降，则达西定律可表示为： （7-2） ⚫ 若以渗透流量表示时则有 （7-3） ⚫ 式中q为单位时间的渗流量或简称渗流量（cm3／s）；A为垂直于 渗流方向土的截面积（cm2）。通过公式（7-2）和（7-3）不难发 现，土的渗透速度是指在一定的水力坡降下，单位时间内透过垂 直于渗流方向的单位横截面面积土体的渗流量。 L h v = L h i = v = i q = i A
如果在一定的水力坡降下,经过时段渗流后,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 (7-3) ●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K2或10℃时的渗透 系数K10进行比较,并将K2或K10称为的K标准值。士的渗透系数 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。 室内常水头渗透试验 室内常水头渗透试验装置的示意图如图7-2所示。在圆柱形试验 筒内装置土样,土的截面积为A(即试验筒截面积),在整个试 验过程中土样上的水压力保持不变。在土样中选择两点a、b,两 点的距离为L,分别在两点设置测压管。待渗流稳定后,测得在 时段t内流过土样的流量Q,同时读得a、b两点测压管的水头差Ah 则从公式(7-3)可得: (7-4)
⚫ 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 （7-3) ⚫ 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。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 ⚫ 室内常水头渗透试验装置的示意图如图7-2所示。在圆柱形试验 筒内装置土样，土的截面积为A（即试验筒截面积），在整个试 验过程中土样上的水压力保持不变。在土样中选择两点a、b，两 点的距离为L，分别在两点设置测压管。待渗流稳定后，测得在 时段t内流过土样的流量Q，同时读得a、b两点测压管的水头差Δh。 则从公式（7-3）可得： （7-4） Q = i At L h Q q t i A t A t t t = = =
●由此求得试验温度下土样的渗透系数为: (7-5) ●在试验过程中,如果控制水力坡降保持为1,则此时的渗透速度即为 渗透系数,即 K=v=Q/(At) 7-6) h 然然以 图72常水头渗透试验 图73变水头渗透试验
图7-2 常水头渗透试验 图7-3 变水头渗透试验 ⚫ 由此求得试验温度下土样的渗透系数为： （7-5） ⚫ 在试验过程中，如果控制水力坡降i保持为1，则此时的渗透速度即为 渗透系数，即 ⚫ Kt =v= Q ／（A·t） （7-6） h A t Q L t =