说明：渗透力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大 小与水力坡降成正比，作用方向与渗流方向一致，单位为kN/m3 渗透力的存在，将使土体内部受力发生变化，这种变化对 土体稳定性有显著的影响
渗透力方向与 重力一致，促 使土体压密、 强度提高，有 利于土体稳定 渗流方向近乎水平，使 土粒产生向下游移动的 趋势，对稳定不利
二级抽水后水位
多级井点降水
要求地下水位降得较深， 采用井点降水。在基坑周 围布臵一排至几排井点， 从井中抽水降低水位
②设臵板桩 沿坑壁打入板桩，它一方面可以加固坑壁，同时增加了地 下水的渗流路径，减小水力坡降
钢板桩
③水下挖掘 在基坑或沉井中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成流 砂的水头差。为了增加砂的稳定性，也可向基坑中注水， 并同时进行挖掘
qy q1y q2 y qny
各土层的相应的水力坡降为i1、 i2、…、in，总的水力坡降为i
k y iA k1i1 A k 2i2 A k n in A
总水头损失等于各层 h h1 h2 h n 水头损失之和 hn h1 h2 h k y k1 k2 kn H H1 H2 Hn 垂直渗 透系数 H ky 整个土层与层面垂直 H1 H 2 Hn 的等效渗透系数 k1 k2 kn
3.流砂
流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，使地表塌陷或建 筑物的地基破坏，给施工带来很大的困难，影响建筑工程的稳定。 通常易在粉细砂和粉土地层中产生，在地下水位以下的基坑开挖、 埋设地下管道、打井等工程活动中常出现
4.基坑突涌
当基坑下部有承压水层时，开挖基坑减小了底板隔水层的厚 度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力，承压水头压力就会冲 毁基坑底板，这种现象称为基坑突涌
流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开 挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂、 淤泥等较易发生流土破坏
2.管涌——在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒 的孔隙，发生移动并被带出的现象
土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成 能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失 稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发 展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏
四、例题分析 【例】 设做变水头渗透试验的粘土试样的截面积为
30cm2，厚度为4cm，渗透仪细玻璃管的内径为0.4cm， 试验开始时的水位差为160cm，经时段15分钟后，观 察得水位差为52cm，试验时的水温为30℃，试求试 样的渗透系数
【解答】 已知试样截面积A=30cm，渗径长度L=4cm，细玻璃管的内截面积
三、例题分析 【例】某土坝地基土的比重Gs=2.68，孔隙比e=0.82，下
游渗流出口处经计算水力坡降i为0.2，若取安全系数Fs为 2.5，试问该土坝地基出口处土体是否会发生流土破坏
临界水力坡降
允许水力坡降
icr
[i ]
【解答】
Gs 1 2.68 1 0.92 1 e 1 0.82
a
b
c
渗流力与重力方向相 反，当渗透力大于土 体的有效重度，土粒 将被水流冲出
2.临界水力坡降———使土体开始发生渗透变形的水力坡降 J 当土颗粒的重力与渗透力相等时，土颗粒不受任何 力作用，好像处于悬浮状态，这时的水力坡降即为 临界水力坡降
GJ
G
wicr
icr
' w
或
Gs 1 sat w icr 1 e w
②设臵水平铺盖 上游设臵水平铺盖，与坝体防渗体连接，延长了水流渗透路径
粘土铺盖
③设臵反滤层
水位
回填中粗砂 砂垫层 加筋土工布 抛石棱体
设臵反滤层，既可通畅水流，又起到保护土体、防止细粒流失而 产生渗透变形的作用。反滤层可由粒径不等的无粘性土组成，也 可由土工布代替，上图为某河堤基础加筋土工布反滤层
④排水减压
减压井
粘性土 含水层
为减小下游渗透压力，在水工建筑物下游、基坑开挖时，设臵 减压井或深挖排水槽
2.基坑开挖防渗措施
①工程降水
采用明沟排水和井点降水的方法人工降低地下水位
原地下水位
明沟排水 原水位面 一级抽水后水位
在基坑内（外）设臵排 水沟、集水井，用抽水 设备将地下水从排水沟 或集水井排出
w H h

二、防渗处理措施
1.水工建筑物渗流处理措施
水工建筑物的防渗工程措施一般以“上堵下疏”为原则，上 游截渗、延长渗径，下游通畅渗透水流，减小渗透压力，防止渗 透变形 ①垂直截渗 主要目的:延长渗径，降低上、下游的水力坡度，若垂直截渗能 完全截断透水层，防渗效果更好。垂直截渗墙、帷幕灌浆、板桩 等均属于垂直截渗
i 1 n
平均渗透系数
达西定律
q
i 1
n
q x k x iH
ix
k1iH 1 k 2 iH 2 k n iH n
整个土层与层面平 行的等效渗透系数
1 kx H
k H
i 1 i
n
i
2.垂直渗透系数 qy
k1
k2 k3
q1y H1
q2y H2 H q3y H3
根据水流连续定理，通过整个土层 的渗流量等于通过各土层的渗流量
【例】如图所示有A、B、C三种土样，其渗透系数均
为已知，装在断面尺寸为10cm×10cm的方管中，问渗 流经过A土后的水头落差值h?(kA=1×10-2cm/s、 kB=3×10-3cm/s、 kC=5×10-4cm/s)
§2.3渗透力、渗透破坏与控制

一、渗透力和临界水力坡降
沿水流方向放臵两个测压 管，测压管水面高差h 土样 土粒对水流 面积 的阻力应为
dV=kiAdt=kAh/Ldt
aL h1 k＝2.3 lg At2 t1 h2 管内减少水量＝流经试样水量 分离变量 aL h1 －adh=kAh/Ldt 积分 k＝ ln At2 t1 h2
三、影响渗透系数的因素
1.土粒大小与级配
细粒含量愈多，土的渗透性愈小，例如砂土中粉粒及粘粒含量 愈多时，砂土的渗透系数就会大大减小。
F w hA
1.渗透力——渗透水流施加于单位土粒上的拖曳力
h
1 h1 2 h2
L
水流流经这段土体，受 到土颗粒的阻力，阻力 引起的水头损失为h
根据牛顿第三定律，试样的 总渗流力J和土粒对水流的阻 力F大小相等，方向相反
J F w hA
渗流作用于单位土体的力
j
hA J w i w AL AL
第二章
土的§2.1土的渗透性 §2.2土中二维渗流及流网介绍 §2.3渗透力、渗透破坏与控制
土的渗透问题概述
上游
浸润线
下游
土坝蓄水后水透 过坝身流向下游
流线
等势线 隧道开挖时，地下 水向隧道内流动
在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透
H
§2.1 土的渗透性

一、达西定律
2.土的密实度
同种土在不同的密实状态下具有不同的渗透系数，土的密实度 增大，孔隙比降低，土的渗透性也减小。
3.水的动力粘滞系数
动力粘滞系数随水温发生明显的变化。水温愈高，水的动力粘 滞系数愈小，土的渗透系数则愈大。
k 20 kT T 20
4.土中封闭气体含量
T、20分别为T℃和20℃时水
在工程计算中，将土的临界水力坡降除以某一安全系数 Fs(2～3)，作为允许水力坡降[i]。设计时，为保证建筑物的安 全，将渗流逸出处的水力坡降控制在允许坡降[i]内
icr i [i ] Fs

二、渗透变形
渗透水流将土体的细颗粒冲走、带走或局部土体产生移动， 导致土体变形—————渗透变形问题（流土，管涌） 1.流土——在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土 粒群同时发生移动的现象
1856年法国学者 Darcy对砂土的渗 透性进行研究
渗透试验播放
结论：
水在土中的渗透速度与试 样的水力梯度成正比 达西定律 v=ki
水力梯度，即沿渗流方向 单位距离的水头损失
达西定律
v ki
实际流速？
v v=ki O
讨论：
砂土的渗透速度与水 力梯度呈线性关系 密实的粘土，需要克 服结合水的粘滞阻力 后才能发生渗透;渗 流速度与水力坡降的 规律偏离达西定律而 呈非线性关系
3.流土与管涌的判别——渗透变形的形式与土的类别、颗粒级配 以及水力条件等因素有关
粘性土由于粒间具有粘聚力，粘结较紧，一般不出现管涌而 只发生流土破坏；一般认为不均匀系数Cu>10的匀粒砂土，在 一定的水力梯度下，局部地区较易发生流土破坏 对Cu>10的砂和砾石、卵石，分两种情况: 1.当孔隙中细粒含量较少（小于30%）时，由于阻力较小，只 要较小的水力坡降，就易发生管涌 2.如孔隙中细粒含量较多，以至塞满全部孔隙（此时细料含 量约为30%－35%），此时的阻力最大，一般不出现管涌而 会发生流土现象
icr 0.92 0.37 Fs 2.5
由于实际水力坡降i <[i]，故土坝地基出口处土体不会发生 流土破坏
§2.4

渗流工程问题与处理措施
一、渗流工程问题
1.地下水的浮托作用
地下水不仅对水位以下的土体产生静水压力和浮托力，并对 建筑物基础产生浮托力
2.地下水的潜蚀作用
在施工降水等活动过程中产生水头差，在渗透力作用下，土 颗粒受到冲刷，将细颗粒冲走，破坏土的结构。通常产生于粉细 砂、粉土地层中
h Q qt kiAt k At L
QL k hAt
（2）.变水头试验————整个试验过程水头随时间变化 适用于透水性差，渗透系数 截面面积a 小的粘性土 任一时刻t的水头差为h，经 时段dt后，细玻璃管中水位 降落dh，在时段dt内流经试 样的水量 dV=－adh 在时段dt内流经试样的水量