损失，无因次 ▪ h 试样两端的水位差，即水头损失 ▪ L 渗径长度 ▪ k 渗透系数（cm/s或m/s,m/d） ▪ A 试样截面积（cm2或者m2）
流速与水力梯度的关系－砂土
砂土的水力梯度 与渗透速度呈线 性关系，符合达 西渗透定律。
流速与水力梯度的关系－粘土
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 力梯度达到某一数值后， 克服了吸着水的粘滞阻 力以后，才能发生渗透。 我们将这一开始发生渗 透时的水力梯度成为粘 性土的起始水力梯度
失，影响工程效益；另一方面将引起土体内 部的应力状态的变化，从而改变水工建筑物 或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事 故。 ▪ 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
水的问题
▪ 水的问题指在工程中由于水本身引起的工程问题， 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，说自身的量（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。
土类 纯砾 纯砾与砾混合物 极细砂 粉土、砂与粘土 混合物 粘土
渗透系数k(cm/s) >10-1
10-3~10-1 10-5~10-3
10-7~10-5
<10-7
渗透性 高渗透性 中渗透性 低渗透性
极低渗透性
几乎不透水
影响渗透系数的因素很多，诸如土的种类、级配、孔隙比及 水的温度等。因此，为了准确地测定土的渗透系数，必须尽力 保持土的原始状态并消除人为因素的影响
整个土层的水头损失
h i1H1 i2H 2 in H n
ky
h H
kiii
结论
▪ 对于成层土，如果各土层的厚度大致相近， 而渗透性相差悬殊时
与层向平行的平均渗透系数将取决于最透水土层的厚度和渗透性
与层向垂直的平均渗透系数将取决于最不透水土层的厚度和渗透性
二向渗流和流网特征
流土
流土
管涌
▪ 管涌指在渗流作用下土体的细土粒在粗土粒形成的 孔隙通道中发生移动并被带出的现象。主要发生在 砂砾土中。
管涌
管涌
管涌
▪ 反滤倒渗
管涌的治理
▪ 反滤围井
管涌的治理
▪ 蓄水反压
管涌的治理
整体破坏－水库塌岸
按渗透变形划分土的类型
在很大的水力梯度下也不会发生管涌
非管涌土
在不大的水力梯度下就可以发生管涌
常水头法
▪ 常水头法就是在整个试 验过程中，水头保持不 变，试验装置如图
▪ 用量筒和秒表测出某一 时刻t内流经试样的水量 V，即可求出流过土体 的流量，再根据达西定 律求解k
qV t
k VL Aht
变水头法
▪ 粘性土，渗透系数小，流经 水量少
▪ 变水头法在整个试验过程中， 水头是随着时间而变化的， 试验装置如图，试样的一端 与细玻璃管相接，在试验过 程中测出某一时段内细玻璃 管中水位的变化，就可根据 达西定律求出水的渗透系数。
二 Darcy渗透定律
▪ 由于土中孔隙一般非常微小，水在土体中流动时的
粘滞阻力很大，流速缓慢
层流
水在土中的渗透速度和 试样两端水面间的水位 差成正比，而与渗径长 度成反比
v k h hi L
q vA kiA
Darcy渗透定律
▪ v 渗透速度（cm/s或m/s） ▪ q 渗流量（cm3/s后m3/s） ▪ i 水力梯度，沿渗流方向单位距离的水头
流土型土的临界水力梯度
逸出处单位土体
j



9.8

Gs 1w
1 e

9.8


w Gs
11
n

j wi
临界水力梯度 icr Gs 11 n
流土型土的临界水力梯度 icr Gs 11 n
流土的临界水力梯度决定于土的 物理性质，当土的比重和孔隙率已知 时，则土的临界水力梯度是一定值， 一般在0.8~1.2之间
ib
流速与水力梯度的关系－粘土
▪ 粘性土不但存在起始水力梯度，而且当水力 梯度超过起始水力梯度后，渗透速度与水力 梯度的规律还偏离达西渗透定律而呈非线性 关系。为方便，用虚直线来描述密实粘土地 渗透速度与水力梯度的关系，用以下形式表 示。
v ki i0
流速与水力梯度的关系－砾土
在粗粒土中（砾、卵 石等），只有在小的 水力梯度下，渗透速 度与水力梯度才呈非 线性关系，而在较大 的水力梯度下，水在 土中流动进入紊流状 态，渗透速度与水力 梯度呈非线性关系， 此时达西定律同样不 能适用
▪ 根据水的密度ρ，流速v，水的粘滞系数η，土粒粒 子平均粒径d，可以算出雷诺数Re
Re vd
Darcy渗透定律的适用条件
▪ 从层流转换为紊流时的Re数一般为0.1~7.5的 范围，而一般认为在土的孔隙内水流只要雷 诺数<1.0，达西定律就可以满足。因此达西 定律的适用界限可以考虑为
vd / 1.0
水库塌岸 岸坡、土坝在水位
降落时 引起的滑动
渗流力的概念
水在土中流动
力图拖曳土粒
渗透水流施于单位土体内土 粒上的拖曳力称为渗流力 渗透力、动水压力
能量消耗 水头损失
渗流力的概念
流土、浮冲、砂沸
渗流力存在
a
c Ww
Uw1 b Fs d
Uw2
渗流力的概念
渗流力的概念
渗流力的概念
Ww wab
▪ 4点，渗流力与重 力方向相反，对 稳定特别不利
渗透变形的形式
▪ 按照渗透水流引起的局部破坏特征，渗透变 形可分为流土和管涌两种基本形式
▪ 流土是指在渗流作用下局部土体表面隆起， 或土粒群同时起动而流失的现象。它主要发 生在地基或土坝下游渗流逸出处。
▪ 基坑或渠道开挖时所出现的流砂现象是流土 的一种常见形式
土的渗透性
一 概述
▪ 土是具有连续孔 隙的介质。当土 作为建筑物的地 基和直接用作建 筑材料时，水就 会在水位差的作 用下，从水位较 高的一侧透过土 的孔隙流向水位 较低的一侧。
关于防渗墙
防渗墙射水法施工
防渗墙
渗透的定义及土的渗透性
▪ 水透过土体孔隙的现象成为渗透 ▪ 土具有被水透过的性能称为土的渗透性 ▪ 水在土体中的渗透，一方面会造成水量的损
三 渗透系数的测定
▪ 渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱 的重要力学性质指标。渗透系数的测定可以 分为现场试验和室内试验两大类。一般，现 场试验比室内试验得到的结果要准确可靠。 因此，对于重要工程常需进行现场测定。
▪ 室内测定土的渗透系数的仪器和方法很多， 但就其原理来讲，可分为常水头试验和变水 头试验两种，前者适用于透水性强的无粘性 土，后者适用于透水性弱的粘性土。
根据竖向渗流不考虑周围土体的 约束作用情况下推得的，因此，按此 式求得临界水力梯度偏小，一般比试 验值要小15％～20％
粘性土的临界水力梯度
▪ 粘性土由于粒间粘结力的存在，其临界水力 梯度较大。
▪ 粘性土与无粘性土的流土破坏机理不同，后 者是由于渗流力的作用，前者则还与土体表 面的水化崩解作用（水稳性）以及渗流出口 临空面的孔径有关。水科院建议对粘性土
远离坝底，流线稀 疏，水力梯度小， 渗透速度小
流网特征
▪ 流线与等势线彼此正交 ▪ 每个网格的长度比为常数，为了方便常取1，
这时的网格就成为正方形或曲边正方形 ▪ 相邻等势线间的水头损失相等 ▪ 各流槽的渗流量相等
渗流力及渗透稳定
渗流
土体内部应力状态变化
土体的局部稳定问题
管涌、流土等
土体的整体稳定问题
U1 w h1 h2 b
U2 wh0a
Fs wbh
fs

Fs ab
wi
U1 Ww sin Fs 0
sin h h2 h1
a
渗流力的概念
▪ 1点，渗流力与重 力方向一致，渗 流力促使土体压 密，对稳定有利
▪ 2点，3点，渗流 力与重力方向正 交，对稳定不利
一、稳定渗流场中的拉普 拉斯方程
单位时间内流入单元体
的总水量必等于流出的 总水量
2h x 2

2h y 2

0
流网及其特征
▪ 渗流场中任一点的水头是其坐标的函数，因 此求解渗流问题的第一步就是先确定渗流场 中各点的水头，亦即求解渗流基本微分方程
▪ 满足拉普拉斯方程的将是两组彼此正交的曲 线，一组称为等势线（各点水头相等），另 一组称为流线（表示渗流的方向），等势线 和流线交织在一起形成的网格叫流网
icr

241 n
1 nL 0.791 n1 CD02
逸出梯度与渗透稳定
▪ 流土一般发生在渗流逸出处。因此只要求出 渗流逸出处的水力梯度，就可判别流土的可 能性。
ie icr
土处于稳定状态
ie icr
土处于临界状态
ie icr
土处于流土状态
逸出梯度与渗透稳定
▪ 渗透逸出的水力梯度实际上是不可求出的， 通常是把渗流逸出处的流网网格的平均水力 梯度作为逸出梯度。
注意
▪ 按照达西定律求出的渗透速度是一种假想的 平均流速 ，它假定水在土中的渗透是通过土 体截面来进行的 。
▪ 实际上 ，水在土体中的实际流速要比用达西 定律求出的流速要大得多。他们之间的关系 为
v vn v e 1 e
Darcy渗透定律的适用条件
▪ 太沙基通过大量试验证明从砂土到粘土达西渗透定 律在很大的范围内都能适用，其适用范围是由雷诺 系数来决定的，也就是说只有当渗流为层流的时候 才能适用。