第四章土的渗流性和渗流问题 一、填空题 1.当渗流方向向上，且水头梯度大于临界水头梯度时，会发生流砂现象。 2.渗透系数的数值等于水力梯度为1时，地下水的渗透速度越小，颗粒越粗的土，渗透系数数值越大。 3.土体具有被液体透过的性质称为土的渗透性或透水性。 4.一般来讲，室内渗透试验有两种，即常水头法和变水头法。 5.渗流破坏主要有流砂和管涌两种基本形式。 6.达西定律只适用于层流的情况，而反映土的透水性的比例系数，称之为土的渗 透系数。 7.出现流砂的水头梯度称临界水头梯度。 8.渗透力是一种体积力。它的大小和水力坡度成正比，作用方向与渗流 方向相一致。 二、名词解释 1.渗流力：水在土中流动时，单位体积土颗粒受到的渗流作用力。 2.流砂：土体在向上动水力作用下，有效应力为零时，颗粒发生悬浮、移动的现象。 3.水力梯度：土中两点的水头差与水流过的距离之比。为单位长度上的水头损失。 4.临界水力梯度：使土开始发生流砂现象的水力梯度。 三、选择题 1.流砂产生的条件为：（D ） （A）渗流由上而下，动水力小于土的有效重度 （B）渗流由上而下，动水力大于土的有效重度 （C）渗流由下而上，动水力小于土的有效重度 （D）渗流由下而上，动水力大于土的有效重度 2.饱和重度为20kN/m3的砂土，在临界水头梯度I Cr时，动水力G D大小为：（ C ）（A）1 kN/m3（B）2 kN/m3 （C）10 kN/m3 （D）20 kN/m3 3.反应土透水性质的指标是（D ）。 （A）不均匀系数（B）相对密实度（C）压缩系数（D）渗透系数 4.下列有关流土与管涌的概念，正确的说法是（C ）。 （A）发生流土时，水流向上渗流；发生管涌时，水流向下渗流 （B）流土多发生在黏性土中，而管涌多发生在无黏性土中 （C）流土属突发性破坏，管涌属渐进式破坏 （D）流土属渗流破坏，管涌不属渗流破坏 5.土透水性的强弱可用土的哪一项指标来反映（D ） （A）压缩系数（B）固结系数（C）压缩模量（D）渗透系数 6.发生在地基中的下列现象，哪一种不属于渗透变形（A ） （A）坑底隆起（B）流土（C）砂沸（D）流砂 7.下属关于渗流力的描述不正确的是（D ）。 （A）其数值与水力梯度成正比，其方向与渗流方向一致 （B）是一种体积力，其量纲与重度的量纲相同 （C）流网中等势线越密集的区域，其渗流力也越大 （D）渗流力的存在对土体稳定总是不利的 8.下列哪一种土样更容易发生流砂（B ） （A）砂砾或粗砂（B）细砂或粉砂（C）粉质黏土（D）黏土
第四章 土的渗透性和渗流问题 第一节 概述 土是由固体相的颗粒、孔隙中的液体和气体三相组成的，而土中的孔隙具有连续的性质，当土作为水土建筑物的地基或直接把它用作水土建筑物的材料时，水就会在水头差作用下从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧。 渗透：在水头差作用下，水透过土体孔隙的现象 渗透性：土允许水透过的性能称为土的渗透性。 水在土体中渗透，一方面会造成水量损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部应力状态的变化，从而改变水土建筑物或地基的稳定条件，甚者还会酿成破坏事故。 此外，土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。 本章将主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，以及渗透力渗透变形等问题。 第二节 土的渗透性 一、土的渗透规律——达西定律 (一)渗流中的总水头与水力坡降 液体流动的连续性原理：（方程式） dw v dw v w w ??=2 211 2211v w v w = 1 221w w v v = 表明：通过稳定总流任意过水断面的流量是相等的；或者说是稳定总流的过水断面的 平均流速与过水断面的面积成反比。 前提：流体是连续介质 流体是不可压缩的； 流体是稳定流，且流体不能通过流面流进或流出该元流。 理想重力的能量方程式（伯努利方程式1738年瑞士数学家应用动能定理推导出来的。） c g v r p Z =++22 饱和土体空隙中的渗透水流，也遵从伯努利方程，并用水头的概念来研究水体流动中 的位能和动能。 水头：实际上就是单位重量水体所具有的能量。 按照伯努利方程，液流中一点的总水头h ，可以用位置水头Z ，压力水头U/r w 和流速水
2-3 如图 2 － 16 所示，在恒定的总水头差之下水自下而上透过两个土样，从土样 1 顶面溢出。 （ 1 ）已土样 2 底面c －c 为基准面，求该面的总水头和静水头 ; （ 2 ）已知水流经土样 2 的水头损失为总水头差的 30% ，求b －b 面的总水头和静水头； （ 3 ）已知土样 2 的渗透系数为 0.05cm /s ，求单位时间内土样横截面单位面积的流量； ( 4 ) 求土样 1 的渗透系数。 图 2 － 16 习题 2 － 3 图（单位： cm ） 2-3 如图 2-16 ，本题为定水头实验，水自下而上流过两个土样，相关几何参数列于图中。 解：（ 1 ）以 c-c 为基准面，则有：z c =0 ，h wc = 90cm ，h c = 90cm （ 2 ）已知 D h bc =30% ′ D h ac ，而 D h ac 由图 2-16 知，为 30cm ，所以： D h bc =30% ′ D h ac =0.3 ′ 30= 9cm ∴ h b = h c - D h bc =90-9= 81cm 又∵ z b = 30cm ，故h wb = h b - z b =81-30= 51cm （ 3 ）已知k 2 = 0.05cm /s ， q/A= k 2 i 2 = k 2 ′ D h bc / L 2 =0.05 ′ 9/30= 0.015cm 3 /s/cm 2 = 0.015cm /s
（ 4 ）∵ i 1 = D h ab / L 1 = （ D h ac - D h bc ） / L 1 = （ 30-9 ）/30=0.7 ，而且由连续性条件， q/A= k 1 i 1 = k 2 i 2 ∴ k 1 = k 2 i 2 / i 1 =0.015/0.7= 0.021cm /s 2-4 在习题 2 － 3 中，已知土样 1 和 2 的孔隙比分别为 0.7 和 0.55 ，求水在土样中的平均渗流速度和在两个土样孔隙中的渗流速度。 2-5 如图 2 － 17 所示，在 5.0m 厚的黏土层下有一砂土层厚 6.0 m ，其下为基岩（不透水）。为测定该沙土的渗透系数，打一钻孔到基岩顶面并以 10 -2 m 3 /s 的速率从孔中抽水。在距抽水孔 15m 和 30m 处各打一观测孔穿过黏土层进入砂土层，测得孔内稳定水位分别在地面以下 3.0m 和 2.5m ，试求该砂土的渗透系数。 图 2 － 17 习题 2 － 5 图（单位： m ） 2-5 分析：如图 2-17 ，砂土为透水土层，厚 6m ，上覆粘土为不透水土层，厚5m ，因为粘土层不透水，所以任意位置处的过水断面的高度均为砂土层的厚度，即 6m 。题目又给出了r 1 = 15m ，r 2 = 30m ，h 1 = 8m ，h 2 = 8.5m 。 解：由达西定律（ 2-6 ），，可改写为： 带入已知条件，得到：
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2－la 、b ），基坑开挖时的渗水量及排水量计算（图2－1C ），以及水井的供水量估算（图2－1d ）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 γ和流速水头g v 22 之和表示，即 1)-(2 22 g v u z h w ++=γ 式(2—1)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2－2），按照式（2－1），A 、B 两点的总水头可分别表示为： g v u z h g v u z h B w B B A w A A 22222 1++=++=γγ 且 h h h ?+=21
第二篇 土力学 第四章 土的渗透性和渗流问题 第一节 概述 土是由固体相的颗粒、孔隙中的液体和气体三相组成的，而土中的孔隙具有连续的性质，当土作为水土建筑物的地基或直接把它用作水土建筑物的材料时，水就会在水头差作用下从水位较高的一侧透过土体的孔隙流向水位较低的一侧。 渗透：在水头差作用下，水透过土体孔隙的现象 渗透性：土允许水透过的性能称为土的渗透性。 水在土体中渗透，一方面会造成水量损失，影响工程效益；另一方面将引起土体内部应力状态的变化，从而改变水土建筑物或地基的稳定条件，甚者还会酿成破坏事故。 此外，土的渗透性的强弱，对土体的固结、强度以及工程施工都有非常重要的影响。 本章将主要讨论水在土体中的渗透性及渗透规律，以及渗透力渗透变形等问题。 第二节 土的渗透性 一、土的渗透规律——达西定律 (一)渗流中的总水头与水力坡降 液体流动的连续性原理：（方程式） dw v dw v w w ?? =2 21 1 2211v w v w = 1 2 21w w v v = 表明：通过稳定总流任意过水断面的流量是相等的；或者说是稳定总流的过水断面的 平均流速与过水断面的面积成反比。 前提：流体是连续介质 流体是不可压缩的； 流体是稳定流，且流体不能通过流面流进或流出该元流。 理想重力的能量方程式（伯努利方程式1738年瑞士数学家应用动能定理推导出来的。） c g v r p Z =++22 饱和土体空隙中的渗透水流，也遵从伯努利方程，并用水头的概念来研究水体流动中 的位能和动能。 水头：实际上就是单位重量水体所具有的能量。 按照伯努利方程，液流中一点的总水头h ，可以用位置水头Z ，压力水头U/r w 和流速水 头V 2/2g 之和表示，即 g v r u Z h w 22 ++= 4-1 此方程式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，而其量纲都是 长度。