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第7章 渗流分析
第七章土的渗流理论
第一节 概述
土中的重力水及外部水在重力作用下可以穿过土的孔隙发生运
动,例图如7-1所示的情况。当水闸和土坝挡水后,高水位的水就
会通过坝体和坝基向低水位处渗流。水在压力坡降作用下穿过土
中连通孔隙发生缓慢流动的现象称为水的渗透。土体被水透过的
难易程度称为土的渗透性。
土的渗透在工程中具有重要的意义。在水利工程中,水的渗透会
引起两方面的问题:一是渗漏问题;二是渗透稳定性问题。前者
是研究因渗透引起的水量损失。而后者则是研究受渗流影响时的
土体稳定性问题。在建筑工程中,深基坑开挖中的边坡及地基的
稳定性、降水设计和外力作用下饱和土的固结等都和土的渗透问
题有关。本章将研究水在土中渗透的基本规律及渗流理论在工程
中的应用问题。
第二节土的渗透性及达西定律
本节研究的内容是地下水(孔隙中的重力水)的运动规律。如前
所述,水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生缓慢流动的现
象称为水的渗透,而土体被水透过的性能称为土的渗透性。
地下水按流线形态划分的流动状态有层流和紊流两种状态。若水
流流动过程中每一水质点都沿一固定的途径流动,其流线互不相
交,则称其为层流状态,简称层流。水流流动时,水质点的流动
途径是不规则的,其流线在流动过程中相交再相交,并在流动过
程中产生漩涡,则称其为紊流状态或紊流。一般认为,绝大多数
场合下土中水的流动呈现层流状态。如果土中渗流为紊流时,常
导致土体发生失稳破坏。
一、 达西定律
1856年法国学者达西(H.Darcy)根据均质砂滤床实验提出,在层流
状态下,土中水的渗透速度与水位差成正比,与渗流长度成反比。
引入比例系数则有
h
v
L (7-1)
式中Δh为渗流起点和渗流终点(上游测压管和下游测压管)间的
水位差;L为渗流起点到渗流终点的距离;k为土的渗透系数(cm
/s );v为渗透速度(cm /s )。若令i h ,并定义i为水力坡
L
降,则达西定律可表示为:
v i (7-2 )
若以渗透流量表示时则有
q i A (7-3 )
式中q为单位时间的渗流量或简称渗流量(cm3 /s );A为垂直于
2
渗流方向土的截面积(cm )。通过公式(7-2 )和(7-3 )不难发
现,土的渗透速度是指在一定的水力坡降下,单位时间内透过垂
直于渗流方向的单位横截面面积土体的渗流量。
如果在一定的水力坡降下,经过t时段渗流后,透过垂直于渗流
方向横截面面积为A 的渗流量为Q,则渗流达西定律可表示为
Q i A t (7-3)
雷诺(Reynold )通过实验研究首先发现,土的渗透系数除与土
的性质有关外,还与水的温度有关。水温升高时,随之增大。为
了便于进行对比,一般用20℃时的渗透系数K20或10℃时的渗透系
数K10进行比较,并将K20或K10称为的K标准值。土的渗透系数可
通过室内渗透试验获得,室内渗透试验有常水头试验和变水头试
验之分。
1. 室内常水头渗透试验
室内常水头渗透试验装置的示意图如图7-2所示。在圆柱形试验
筒内装置土样,土的截面积为A
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