渗透理论.doc

第二节 渗透理论 一、渗流模型 土体中空隙的形状和大小是极不规则的，因而水在土体空隙中的渗透是一种十分复杂的现象，由于土体中的空隙一般非常微小，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。对渗流作出如下二方面的简化： 是不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向； 是不考虑土体中颗粒的影响，认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。 渗流模型假定： 在同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量。 在任意截面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等。 在相同体积内，渗流模型所受到的阻力与真实渗流所受到的阻力相等。 二、达西(Darcy)渗透定律 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。） 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/rw和流速水 头V2/2g之和表示，即 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。 式中：相对于任意选定的基准面的高度，代表单位重量液体所具有的位能（位置高度）故称为位置水头。 代表单位重量液体所具有的压力势能。而代表某点的水柱高度。故称为压力水头。 即代表单位重量液体所具有的动能，故称为流速水头。 ：单位重量液体所具有的机械能，故称之为总水头。 此外，称为测管水头，代表单位重量液体所具有的总势能。 当土中渗流阻力大时，V一般都很小，形成的流速水头V2/2g更小，可不计，这时，总 水头h,可用测管水头来代替，即 （一）达西渗透实验与达西定律 1956年，法国工程师达西利用图2－3(教材P28)所示试验装置，对砂土的渗流性进行了研究，发现水在土中的渗流速度与圆筒断面积试样两端面间的水头差成正比，而与渗流长度成反比，于是他把渗流速度表示为： 或 这就是著名的达西定律， 式中：表示断面平均渗透速度，单位：； ：渗透系数，（mm/s）其物理意义是当水力坡降i=1时的渗透速度； ： 为A，B两点之间的总水头差，代表单位重量液体从A点向B点流动时，为克服阻力而损失的能量。 （二）达西定律的适用范围 （1）在层流状态的渗流中，渗流速度V与水力坡降的一次方成正比，并与土的性质有关。或：砂土的渗透速度与水力坡降呈线性关系。 （2）但对于密实的粘土，由于吸着水具有较大的粘滞阻力，因此只有当水力坡降达到某一数值，克服了吸着水的粘滞阻力以后，才能发生渗透。我们将这一开始渗透时的水力坡降称为粘性土的起始水力坡降。 试验资料表明，密实的粘土不但存在起始水力坡降，而且当水力坡降超过起始坡降后，渗透速度与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈线性关系。 式中：指密实粘土的起始水力坡降。 此外，试验也表明，在粗颗粒土中（如砾石，卵石），只见在小的水力坡降下，渗透速度与水力坡降才能呈线性关系，而在较大的水力坡降下，水在土中的流动即进入紊流（不规则的相互混杂的流动形式）状态，渗透速度与水力坡降呈非线性关系，此时达西定律不能适用。 三、渗透系数的确定 主要分现场试验和室内试验两大类，一般说，现场试验比室内试验所得到的成果要准确可靠。 1、实验室测定法：常水头试验法，透水性大的砂性土 变水头试验法，透水性小的无粘性土 2、现场测定法： 实测流速法：色素法、电解质法、食盐法 注水法 抽水法：降低水位法：平衡法，不平衡法 水位恢复法 （一）实验室测定法 1．常水头试验 常水头试验适用于透水性大（k10-3cm/s）的土，例如砂土。 常水头试验就是在整个试验过程中，水头保持不变。试验时测出某时间间隔t内流过试样的总水量，根据达西定律 即 2．变水头试验 粘性土由于渗透系数很小，流经试样的总水量也很小，不易准确测定。因此，应采用变水头试验。 变水头试验就是在整个试验过程中，水头随时间而变化的一种试验方法。利用数学方法可得到渗透系数 如用常用对数表示，上式可写为 （二）现场测定法 四、影响渗透系数的因素 渗透系数是一个代表土的渗透性强弱的定量指标，也是渗透计算时必须用到的一个基本参数。 影响渗透系数的主要有： 1.土的粒度成分和矿物成分的影响：土的颗粒大小，形状及级配，影响土中空隙大小及形状，因而影响渗透性。 土粒越粗，越浑园，越均匀时，渗透性就大。砂土中含有较多粉土，或粘土颗粒时，其渗透系数就大大降低。土中含有亲水性较大的粘土矿物或有机质时，也大大降