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渗流有限元计算软件（SEEPAGE1.0） 基本理论 中国科学院力学研究所 2010 年 11 月 目 录 1 土体渗流特性 1 1.1 土中水气形态1 1.2 毛细现象2 1.3 土水特征关系3 1.4 渗透试验和达西定律3 2 饱和非饱和渗流微分方程 4 3 渗流边界条件 5 4 孔压间断现象 6 参考文献 8 1 土体渗流特性 水或其他流体在岩土等孔隙介质或裂隙介质中的流动，统称为渗流，其渗流 [1] 性质则决定于作为渗流骨架的岩土结构与其中流体的性质 。自然界的土体可依 据其孔隙中含水的相对比例可分为饱和区和非饱和区，如图 1所示。自由水面以 下的土体处于饱和状态。水的流动现象属于饱和渗流。而在自由水面以上的土体 则是处于非饱和状态。非饱和土体中的渗流既有水的渗流，又有气的渗流。上述 两个区域渗透就是饱和-非饱和渗流。 图 1 土中水的运动 1.1 土中水气形态 土是由固体颗粒、水和气体三部分所组成的三相体系。分布于土骨架孔隙中 的水按其物理化学性质，分为结合水、自由水两大类[2] 。 结合水由土粒和水的物理化学的相互作用所吸持，并可分为强粘结水和弱粘 结水两部分。强粘结水包括吸持在矿物晶体内部的水和直接吸附在土粒表面几个 水分子厚度的薄膜水，其属性与固体相类似，仅在变成蒸汽状态时才能在土中转 移。从研究土中渗流的观点看，可以视为固相的一部分，在水力下是不能移动的。 在离颗粒表面一定距离范围内，粘土颗粒表面所带的负电荷，一方面使水分子偶 极化，定向排列于强粘结水外面，另一方面又将土中水的阳离子吸引到颗粒周围， 这些阳离子周围又带了许多定向排列的极性水分子。这样，就在粘土颗粒周围形 1 成双电层，而双电层内的水，就称为弱结合水，其粘滞性比自由水高，具有半结 晶水的属性，在小的水力梯度下，克服了外层弱粘结水的粘滞阻力，使它逐渐转 变为自由水而参与运动，从而扩大孔隙通道的过水断面。这种性状有可能导致粘 土呈现非线性的渗透规律。 不受颗粒电场引力作用的水称为自由水。自由水又可分为毛细水和重力水两 类。毛细水依靠气-水界面弯液面的表面张力而被吸持于土的孔隙中。由于土颗 粒是亲水的，弯液面呈凹形吗，土中水受到附加的负压力，也就是孔隙水受到的 是张力。当土的含水量很低时，毛细水的数量很少，只是在土粒接触点周围形成 孤立的水环，不能传递静水压力，也不能以液态转移。随着含水量的增加，毛细 水的数量也增加，孤立的水环互相联系起来，可以传递静水压力，且可以呈液态 缓慢转移。以后毛细水继续增加，可以阻塞空气通道，使空气以个别的封闭气泡 形式存在。与此同时，土的吸力逐渐减小，透水性越来越大，直到接近饱和土的 透水性；而透气性则越来越小，直到空气通道完全闭塞时降到零为止。重力水， 自由水面以下，土颗粒电分子引力范围以外的水，仅在本身重力作用下运动，称 为重力水。土中重力水传递水压力，与一般水的性质无异。 按照孔隙中的水相和气相的存在形态，可以将土中水气形态归纳为三种系 统：水封闭、双敞开和气封闭系统[3]，如图 2所示。 图 2 土中水气形态 1.2 毛细现象 土的毛细现象是指土中水在表面张力作用下，沿着细的孔隙向上及其它方向 移动的现象，如图 3所示。 2 图 3 土中的毛细升高 1.3 土水特征关系 土水特征曲线（SWCC ）表示了土体的基质吸力s (s ua −uw ) 与饱和度（或 体积含水率）的相互关系。土水特性不仅取决于流体的特性，而且还于土的结构 构成，吸水、脱水过程也有关。