第2章 土的渗透性与土中渗流

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1、第2章土的渗透性与土中渗流2.1概述水是在土的孔隙中流动的，本章假定土颗粒骨架形成的孔隙是固定不变的(即假定土的骨架是刚体，这是便于分析的假定，实际上，如2.4所述，土颗粒常常会同水一起喷出来)，并且认为，在孔隙中流动的水是具有粘滞性的流体。也就是说，把土中水的流动，简单地看成是粘滞性的流体在土烧制成的素陶磁管似的刚体的孔隙中流动。这种思考方法，在被称为达西定律的试验中反映出来。达西定律是土中水的运动规律的最重要的公式。这个公式采用了“水是从水头(总水头)高的地方流向低处”这一水流的基本原理。根据达西定律和连续方程，再考虑边界条件，一般的透水

2、问题都可以得到解决，即可以求出土中水的流量(透水量)及土中水压力的分布。如图2-1所示为土木、水利工程中典型渗流问题。HHhlLabCIcd(a)基坑人工降水；(b)基坑排水；(c)渠道渗流；(d)堤防渗流图2-1土木、水利工程中的渗流问题由于土体本身具有连续的孔隙，如果存在水位差的作用时，水就会透过土体孔隙而产生孔隙内的流动，这一现象称为渗透。土具有被水透过的性能称为土的渗透性。这里所论及的水是指重力水。作为土木、水利工程对象的地基或土工建筑物内一般都存在着各种形态的水分，而土本身又具有渗透性，所以会产生各种各样的工程问题。这些问题可以分为

3、水的问题和土的问题。所谓水的问题是指在工程中由于水本身所引起的工程问题，比如基坑、隧道等开挖工程中普遍存在地下水的渗出而出现需要排水的问题；相反在以蓄水为目的的土坝中会由于渗透造成水量损失而出现需要挡水的问题；另外还有一些像污水的渗透引起地下水污染，地下水开采引起大面积地面沉降及沼泽枯竭等地下水环境的问题。也就是说，水自身的量（涌水量、渗水量）、质（水质）、赋存位置（地下水位）的变化所引起的问题。所谓土的问题是指由于水的渗透性引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物的稳定性或产生有害变形的问题。在坡面

4、、挡土墙等结构物中常常会由于水的渗透而造成内部应力状态的变化而失稳；土坝、堤防、基坑等结构物会由于管涌逐渐改变地基土内的结构而酿成破坏事故；非饱和的坡面会由于水分的渗透而造成非饱和土的强度降低从而引起滑坡。由于渗透而引起地基变形的代表性例子就是地下水开采造成的地面下沉问题。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。为此，我们必须对土的渗透性质、水在土中的渗透规律及其与工程的关系进行很好的研究，从而给土工建筑物或地基的设计、施工提供必要的资料。2.2达西定律一、伯努里定理所谓伯努里定理是指水的流动符合能量守恒原理

5、，如果忽略不计由摩擦等引起的能量损失，则伯努里定理可以用下式表示：2vu++==zh常数（2.1）2gγw2式中，v/2g是速度水头(v为流速，g为重力加速度)，z是位置水头(从基准面到计算点的高度)，u/γ是w压力水头(u为水压，γ为水的重度)。三者的和称为总水头。因为土中的水的流速小，速度水头项可忽略w不计，此时zu()位置水头+=/γ()压力水头h(总水头)（2.2）w所以土中水流动的时候，是从位置水头z与压力水头u/γ的和，即总水头(称之为势)h高的地方向低的地w方流。常说的“水从高处向低处流”，在这里不只是位置水头z，还应该加上压力

6、水头u/γ,应该理解为水w从总水头(势)A的高处向低处流。h>0ww//21uuhhzsz图2-2土中的水头和水的流动在图2-2中，位置水头z1h2，所以,水是从图中的点1流向点2。图中点1、2处立的管子叫做测压管，从测压管的底部到水头的高度是压力水头，从基准面(可以适当的确定)到计算点的高度是位置水头。压力水头可以用表示，所以，如果要求土中的水压力(孔隙水压)u，可以设测压管，根据测压管中的水位可知压力水头，压力水头乘以水的重度γ就得到水压力。在图2-2中，hhh=+∆，ω21所以−∆=hhhzu−=(/+γ)

7、−(/zu+γ)（2-3）1211ww22式中的−∆h(≥0)称为水头损失，是土中的水从点1流向点2的结果，也是由于水与土颗粒之间的粘滞阻力产生的能量损失。二、达西定律土体中孔隙的形状和大小是极不规则的，因而水在土体孔隙中的渗透是一种十分复杂的水流现象。然而，由于土体中的孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的粘滞阻力很大、流速缓慢，因此，其流动状态大多属于层流。在图2-2中，水头损失−∆h除以沿水流方向的流线长∆s，叫做水力坡度，用i表示：∆hi=−（2-4）∆s水力坡度的含义是：土中的水沿着流线方向每前进∆s的距离，就要有一∆h的水头损失。1

8、856年达西(Darcy)利用如图2-3所示的试验装置，对砂土的渗透性进行了研究发现：当水流是层流的时候，水力坡度i与土中水的流速v之间有一定的比例关系，这个比例系