土的渗透性与渗流解析课件.ppt
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- 渗透性 渗流 解析 课件
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1、第第3章章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流n土的渗透性、渗透系数n土中二维渗流及流网n渗透破坏与控制主要内容第第3章章 土的渗透性及渗流土的渗透性及渗流n达西定律n渗透系数及其确定方法n熟悉流网n渗透力与渗透变形n渗流工程问题与处理措施重点掌握内容3.1概述概述浸润线浸润线流线流线等势线等势线下游下游上游上游土坝蓄水后水透土坝蓄水后水透过坝身流向下游过坝身流向下游H隧道开挖时,地下隧道开挖时,地下水向隧道内流动水向隧道内流动 在水位差作用下,水透过土体孔隙的现象称为在水位差作用下,水透过土体孔隙的现象称为渗透渗透 相互关联相互关联相互影响相互影响 渗透渗透 在水位(头)差作用下,水透过土体孔
2、隙的现象在水位(头)差作用下,水透过土体孔隙的现象 渗透性渗透性 土体具有被液体透过的性质土体具有被液体透过的性质 土的强度土的强度 土的变形土的变形 土的渗流土的渗流 渗透性研究的渗透性研究的三个方面三个方面渗流量问题渗流量问题 渗透破坏问题渗透破坏问题 渗流控制问题渗流控制问题3.2 土的渗透性土的渗透性(达西定律达西定律)3.2.23.2.2土的层流渗透定律土的层流渗透定律1856年法国学者年法国学者DarcyDarcy对砂土的渗对砂土的渗透性进行研究透性进行研究结论:结论:水在土中的渗透速度与试样水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比的水力梯度成正比v=ki达西定律达西定律水力梯度,
3、即沿渗流方向水力梯度,即沿渗流方向单单位距离的水头损失位距离的水头损失 1 1、达西定律、达西定律i=h/L k 渗透系数渗透系数 cm/s砂土的渗透速度与水砂土的渗透速度与水力梯度呈线性关系力梯度呈线性关系 v=kiivO O砂土砂土 v=k i q=kAi k 是反映土体透水能力大小的综合性指标是反映土体透水能力大小的综合性指标k越越 大土的透水能力越强大土的透水能力越强 i=h/L渗透定律渗透定律2 2、达西定律适用范围与起始水力坡降、达西定律适用范围与起始水力坡降密实的粘土,需要克服结合水的密实的粘土,需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透粘滞阻力后才能发生渗透;同时渗同时渗透系数与水
4、力坡降的规律还偏离透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系达西定律而呈非线性关系 i b起始水起始水力坡降力坡降虚直线简化虚直线简化达西定律适用于层达西定律适用于层流,不适用于紊流流,不适用于紊流0iv密实粘土密实粘土V=k(i-ib)讨论讨论v 砂土、粘性土:砂土、粘性土:小水流为层流,渗透规律符合小水流为层流,渗透规律符合 达西定律,达西定律,-i 为线性关系为线性关系v 粗粒土:粗粒土:i 小、小、大大水流为层流,渗透规律符合水流为层流,渗透规律符合 达西定律,达西定律,-i 为线性关系为线性关系 i 大、大、大大水流为紊流,渗透规律水流为紊流,渗透规律不不符合符合 达西定律,
5、达西定律,-i 为非线性关系为非线性关系 3.2.3 3.2.3 渗透试验与渗透系数渗透试验与渗透系数1 1、渗透试验(室内)、渗透试验(室内)时间时间t内流出的水量内流出的水量常水头试验常水头试验整个试验过程中水整个试验过程中水头保持不变头保持不变 适用于透水性大(适用于透水性大(k10-3cm/s)的土,例如砂土。的土,例如砂土。Q=qtQ=qtk=QL/A htk=QL/A ht2.2.变水头试验变水头试验整个试验过程水头随时间变化整个试验过程水头随时间变化 截面面积截面面积a任一时刻任一时刻t的水头差为的水头差为h,经经时段时段dt后,细玻璃管中水位后,细玻璃管中水位降落降落dh,在时
6、段在时段dt内流经试内流经试样的水量样的水量 dQ=adh 在时段在时段dt内流经试样的水量内流经试样的水量 dQ=kiAdt=kAh/Ldt 管内减少水量流经试样水量管内减少水量流经试样水量 adh=kAh/Ldt 分离变量分离变量 积分积分 2112lnhhttAaLk2112lg3.2hhttAaLk适用于透水性差,渗透系数适用于透水性差,渗透系数小的粘性土小的粘性土 3 3、影响渗透系数的主要因素、影响渗透系数的主要因素(1)土的粒度成分土的粒度成分v 土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑,土粒愈粗、大小愈均匀、形状愈圆滑,渗透系数愈大渗透系数愈大v 细粒含量愈多,土的渗透性愈小细粒含量愈
7、多,土的渗透性愈小,(2)土的密实度土的密实度 土的密实度增大,孔隙比降低,土的渗透性也减小土的密实度增大,孔隙比降低,土的渗透性也减小土愈密实渗透系数愈小土愈密实渗透系数愈小 土的饱和度愈低,土的饱和度愈低,渗透系数愈小渗透系数愈小 (4)土的结构土的结构 扰动土样与击实土样,土的渗透性比同一密度扰动土样与击实土样,土的渗透性比同一密度 原状土样的小原状土样的小 (3)土的饱和度土的饱和度 (5)水的温度水的温度(水的动力粘滞系数水的动力粘滞系数)水温愈高,水的动力粘滞系数愈小水温愈高,水的动力粘滞系数愈小土的渗透系数则愈大土的渗透系数则愈大 (6)土的构造土的构造 水平方向的水平方向的 h
8、 h 垂直方向垂直方向 v v2020TTkk T、20分别为分别为T和和20时水的动时水的动力粘滞系数,可查表力粘滞系数,可查表 4 4、渗透系数渗透系数k k的经验确定方法的经验确定方法 洁净不含细粒土的松砂洁净不含细粒土的松砂 k=1.0-1.5(dk=1.0-1.5(d1010)2 2 黏性土黏性土 k=C k=C3 3(e(en n/1+e)/1+e)较密实、击实砂土较密实、击实砂土 k=0.35(k=0.35(d d1515)2 2(1)与层面平行的渗流的情况)与层面平行的渗流的情况(水平渗透系数水平渗透系数)H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqx通过整个土层的总渗流量通
9、过整个土层的总渗流量qx应为各土层渗流量之总和应为各土层渗流量之总和 niixnxxxxqqqqq1215 5、成层土的等效渗透系数、成层土的等效渗透系数H1H2H3k1k2k3Hq1xq2xq3xqxiHkqxx达西定律达西定律nnniixiHkiHkiHkq22111整个土层与层面平行的渗透系数整个土层与层面平行的渗透系数 平均渗透系数平均渗透系数niiixHkHk11(2)垂直渗透系数垂直渗透系数 H1H2H3k1k2k3H根据水流连续定理,通过根据水流连续定理,通过整个整个土层土层的渗流量等于通过的渗流量等于通过各土层各土层的渗流量的渗流量 nyyyyqqqq21q3yq2yq1yqy
10、各土层的相应的水力坡降为各土层的相应的水力坡降为i1、i2、in,总的水力坡降为总的水力坡降为i AikAikAikiAknny2211总水头损失等于各总水头损失等于各层水头损失之和层水头损失之和 nniHiHiHHi2211代入代入nnnnyikikikHiHiHiHk22112211)(1H1H2H3k1k2k3H垂直渗透系数垂直渗透系数q3yq2yq1yqynnnnyikikikHiHiHiHk22112211)(1整个土层与层面垂直的渗透系数整个土层与层面垂直的渗透系数 nnykHkHkHHk2211=n n H Hi=1i=1 K Kiyiy H Hi iK Kx x近似近似由由最不
11、透水最不透水(最最小小)的一层渗透系数和厚度控制的一层渗透系数和厚度控制由由最透水最透水(最最大大)的一层渗透系数和厚度控制的一层渗透系数和厚度控制nnykHkHkHHk2211niiixHkHk11=H HK Kiyiy n n i=1i=1 K Ky y近似近似水平向水平向K Kx x 垂直向垂直向K Ky y成层土成层土:H Hi i四、例题分析四、例题分析例 设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为30cm2,厚度为厚度为4cm,渗透仪细玻璃管的内径为渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm,试验开始时的水位差为试验开始时的水位差为160cm,经时段经时段1
12、5分钟后,观分钟后,观察得水位差为察得水位差为52cm,试验时的水温为试验时的水温为30,试求试,试求试样的渗透系数样的渗透系数 解解已知试样截面积已知试样截面积A=30cm,渗径长度渗径长度L=4cm,细玻璃管的内截面积细玻璃管的内截面积 222cm1256.044.014.34dah1=160cm,h2=52cm,t=900s 试样在试样在30时的渗透系数时的渗透系数 cm/s1009.252160lg9003041256.03.2lg3.25211230hhttAaLk3.33.3土中二维渗流及流网土中二维渗流及流网 3.3.13.3.1二维渗流方程二维渗流方程 2 2h h拉普拉斯方程
13、拉普拉斯方程(平面稳定渗流的基本方程式平面稳定渗流的基本方程式)x x2 2 2 2h h z z2 2+=0=0aa不透水层不透水层a ab bbbs ss sc c H HE Ez z1 1h h1 1z zE E3.3.23.3.2流网特征与绘制流网特征与绘制数学解析法数学解析法电模拟法电模拟法数值法数值法拉普拉斯方程表明拉普拉斯方程表明,渗流场内任意点水头是坐标位置的函数渗流场内任意点水头是坐标位置的函数h=f(x,z)h=f(x,z)求解拉氏方程四种方法求解拉氏方程四种方法:图解法图解法 2 2h h x x2 2 2 2h h z z2 2+=0=0知道了水头分布知道了水头分布,即
14、可确定渗流场的其他特征即可确定渗流场的其他特征 水头梯度水头梯度i i渗透压力渗透压力J J渗流场渗流量渗流场渗流量q q孔隙水压力孔隙水压力u u流速流速v v1.1.流网的特征流网的特征 等势线等势线 渗流场中势能或水头的等值线渗流场中势能或水头的等值线流网流网流线流线 水质点的流动路线水质点的流动路线流线流线等势线等势线组成的曲线正交网格组成的曲线正交网格aa不透水层不透水层a ab bbbs ss sc c H HE Ez z1 1h h1 1z zE Ev 流线与等势线互相正交流线与等势线互相正交流网的特征流网的特征:v 流线与等势线构成的各个流线与等势线构成的各个 网格的长宽比为常
15、数网格的长宽比为常数 1 1v 各个流槽的渗流量相等各个流槽的渗流量相等v 相邻等势线之间的水头损失相等相邻等势线之间的水头损失相等2 2、流网的绘制、流网的绘制 v 按一定比例绘出结构物和土层的剖面图按一定比例绘出结构物和土层的剖面图v 先试绘若干条流线先试绘若干条流线 应相互平行应相互平行,不不 交叉且是缓和曲线交叉且是缓和曲线,流线应与进水面、出流线应与进水面、出 水面正交水面正交,并与不透水面接近平行并与不透水面接近平行,不交叉不交叉v 判定边界条件判定边界条件 透水面透水面 等势线等势线 不透水面不透水面 流线流线v 绘等势线绘等势线 须与流线正交须与流线正交,且且 每个渗流区的形状
16、接近每个渗流区的形状接近“方块方块”aa不透水层不透水层a ab bbbs ss sc c H HE Ez z1 1h h1 1z zE E 流线流线=4=4 等势线等势线=10=10 N Nd d=10-1=10-1 N Nf f=4-1=4-1 1010m m1.51.5m m5m5m2.6m2.6m1 1m m1.201.20m mz zE EE EA AB BO OO O3 3、流网的工程应用、流网的工程应用 总水头差总水头差 H H h=h=相临等势线之间的水头损失相临等势线之间的水头损失 h h H HN N d d 等势线条数等势线条数n=10n=10,流线条数流线条数m=4m=
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