第二章土的渗透性和渗流问题要点.pdf
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1、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渗流量问题 。例如对土坝坝身、坝基及渠道的渗漏水量的估算(图2la、b), 基坑开挖时的渗水量及排水量计算(图21C),以及水井的供水量估算(图21d)等。 渗流量的大小将直接关系到这些工程的经济效益。 2渗透变形 (或称渗透破
2、坏)问题 。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渗流控制问题 。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、对渗流进行有效的控制和利用,是水利工 程及土木工程有关
3、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 力水头 w u 和流速水头 g v 2 2 之和表示,即 1)-(2 2 2 g vu zh w 式(21)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。 对于流经土体中A、B 二点渗流(图22),按照式( 21)
4、, A、B 两点的总水头可 分别表示为: g vu zh g vu zh B w B B A w A A 2 2 2 2 2 1 且hhh 21 2 式中, A Z、 B Z 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/m 2),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/m 3)后, w A u 和 w B u 就分别代表A、B 两 点孔隙水压力的水柱高度,因此称 w u 为压力水头 。 A v、 B v 分别为 A 点和 B 点处的
5、渗流流速 (m/s),g 为重力加速度 (m/s 2)。 g v 2 2 即 代表单位重量液体所具有的动能 ,故称 g v 2 2 为流速水头 。 1 h、 2 h 分别代表A 点和 B 点单位重量液体所具有的总机械能 ,故称之为 总水头 。 h A、B 二点间的 总水头差 ,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 w u z称为 测压管水头 。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 A Z+ w A u 和 B Z+ w B u 的标高 处。所以,测压管水头代表的是单位重量液体所具有
6、的总势能 。 饱和土体中两点间是否会出现渗流是由总水头差h( = 1 h- 2 h)决定的。 只有当两点间 的总水头差h0 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(21)可简化为 5)-(2 w u zh 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 6)-(2 L h i 这里,
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