1、掌握达西定律的物理意义和渗透系数的确定方法 2、理解渗透力和临界水力坡降的概念，掌握确定方法。 第七章 土的渗透性 本章教学要求： 1、掌握达西定律的物理意义和渗透系数的确定方法 2、理解渗透力和临界水力坡降的概念，掌握确定方法。 3、了解管涌、流土的物理现象及其产生原因。 水的渗透将引起渗漏和渗透变形两方面的问题。 渗漏造成水量损失，影响闸坝蓄水的工程效益； 渗透变形将引起土体内部应力状态发生变化，从而改变其稳定条件，甚至危及整个建筑物的安全。 因此本章主要讨论水在土中渗透的基本规律、渗透性指标及土体的渗透变形问题。

第七章 土的渗透性 第1节 达西定律及适用范围 教学目的与要求： 掌握达西定律及其适用条件、 掌握渗透试验方法和适用条件、 第七章 土的渗透性 第1节 达西定律及适用范围 教学目的与要求： 掌握达西定律及其适用条件、 掌握渗透试验方法和适用条件、 理解影响渗透系数的主要因素 一、渗流的概念 水在重力作用下，通过土中的孔隙发生流动的现象叫水的渗透。土体能被水透过的性质，叫土的渗透性， 它是土的力学性能之一。流动的水叫渗流，如图1所示。 土坝在挡水后，水在浸润线以下的坝体中产生渗流；水闸挡水后，在上下游水位差作用下，水从上游经过闸基渗透到下游.

第七章 土的渗透性 图1 坝、闸渗透示意图 （a）土坝渗透： （b）闸基渗透

第七章 土的渗透性 二、达西定律 1856年，法国科学家达西对不同粒径砂土作试验时，发现水流在层流状态时，水的渗透速度与水力坡度成正比。其表达式为： 式中： ——渗透速度；cm/s； ——水力坡降，是水头差h与渗透路径L之比，即 ，无因次； ——比例系数，即土的渗透系数，cm/s； ——渗透流量，cm3/s； A——垂直于渗透方向的土样截面面积，cm2；

第七章 土的渗透性 三、达西定律的适用范围 当 =1时， = ，表明渗透系数 是单位水力坡降时的渗透速度，单位为cm/s。它是表示渗透性强弱的指标，其大小主要取决于土的种类和透水性质。 达西定律适用于层流状态。在实际工程中，对砂性土和较疏松的粘性土，如坝基和灌溉渠的渗透量以及基坑、水井的涌水量均可用达西定律来解决。但在大砾、卵石地基或填石坝体中，渗透速度很大。此时达西定律便不再适用，如图7.2 渗透流速与水力坡降的关系（a）砂土：（b）密实粘土图7.2：（c）砾类

第七章 土的渗透性 四、渗透系数 1、常水头试验法 该值是衡量土体渗透性强弱的一个重要力学性质指标，测定的方法分为室内和现场试验测定。 第七章 土的渗透性 四、渗透系数 1、常水头试验法 该值是衡量土体渗透性强弱的一个重要力学性质指标，测定的方法分为室内和现场试验测定。 室内渗透试验其原理，有常水头和变水头两种。常水头渗透试验适用于粗粒土（砂质土），变水渗透试验适用于细粒土（粘性土和粉质土）。常水头试验就是在试验过程中，水头保持为一常数（图3）。计算公式为 图3 常水头试验装置 示意图

第七章 土的渗透性 式中： ――土样的渗透系数，cm/s； ——时间 秒内流经土样的水量，cm3； ——土样厚度（即渗透路径），cm； 第七章 土的渗透性 式中： ――土样的渗透系数，cm/s； ——时间 秒内流经土样的水量，cm3； ——土样厚度（即渗透路径），cm； ——土样的横截面积，cm2； ——试验时的水头差, cm； ——时间，s。

第七章 土的渗透性 2、变水头试验法 变水头试验就是在试验过程中，渗透水头随时间而变化的一种试验方法，如图4 图4 变水头试验装置示意图

第七章 土的渗透性 式中： ――土样的渗透系数，cm/s； ——变水头管截面积，cm2； ――渗径，等于试样高度，cm； 第七章 土的渗透性 式中： ――土样的渗透系数，cm/s； ——变水头管截面积，cm2； ――渗径，等于试样高度，cm； ——开始时水头，cm； ——终止时水头，cm； ——土样的横截面积，cm2； 3、影响渗透系数的原因 （1）土粒大小和级配 （2）土的孔隙比

第七章 土的渗透性 （3）水的动力粘滞系数 水温愈高，水的动力粘滞系数η愈小，渗透系数 值愈大，试验时某一温度下测定的渗透系数，应按下式换算为标准温度20°C下的渗透系数 即 式中 ——ToC和20oC时土的渗透系数； ηT 、η20——ToC和20oC时水的动力粘滞系数，见《土工试验方法标准》（SL237-1999）。

第2节 渗透力和渗透变形 第七章 土的渗透性 ⑷封闭气体含量 教学目的与要求： 掌握渗透力、 临界水力坡度的计算方法、 第七章 土的渗透性 ⑷封闭气体含量 土中封闭气体含量愈多，会使土的渗透通路愈小，渗透系数减小。故试验时应充分饱和土样降低土中封闭气体的影响。 第2节 渗透力和渗透变形 教学目的与要求： 掌握渗透力、 临界水力坡度的计算方法、 理解渗透变形的主要形式、 了解防止渗透变形的主要措施

第七章 土的渗透性 一、渗透力 水流在渗透过程中会遇到土颗粒的阻力作用。 根据牛顿第三定律，水对土颗粒必将产生一个相等的反作用力。 第七章 土的渗透性 一、渗透力 水流在渗透过程中会遇到土颗粒的阻力作用。 根据牛顿第三定律，水对土颗粒必将产生一个相等的反作用力。 我们将渗流作用在单位土体上的力称为单位渗透力，简称渗透力，以j表示。见图7 则 j= 式中： ——水力坡降； ——水的重度，KN/cm3。

第七章 土的渗透性 图7.7 渗透力计算示意图

第七章 土的渗透性 渗透力是一种体积力，其大小与水力坡降成正比。 方向与渗流作用方向一致。图7-8表示渗流对闸基的作用。 第七章 土的渗透性 渗透力是一种体积力，其大小与水力坡降成正比。 方向与渗流作用方向一致。图7-8表示渗流对闸基的作用。 在渗流进口处A点，渗流自上而下，与土重方向一致，渗透力起增大重量作用，对土体稳定有利。 在渗透近似水平的B点，渗透力与土的重力方向正交，使土粒产生向下游动的趋势，对土体稳定不太有利，在渗流的出逸点C，渗流方向自下而上，与土重方向相反。渗透力起减轻土重作用。 土体极可能失去稳定，发生渗透破坏，这就是引起渗透变形的根本原因。 图8 渗流对闸基土的作用

第七章 土的渗透性 二、渗透变形 在渗流作用下，土体中的细颗粒被冲走或局部土体同时浮起而流失，导致土体变形破坏的现象叫渗透变形。 第七章 土的渗透性 二、渗透变形 在渗流作用下，土体中的细颗粒被冲走或局部土体同时浮起而流失，导致土体变形破坏的现象叫渗透变形。 渗透变形的基本形式： 渗透变形的基本形成可分为流土和管涌两种基本类型。 ⑴流土 流土是指在渗流作用下，局部土体浮动或土粒团同时发生移动而流失的现象。 流土一般发生在无保护的渗流出逸处，而不发生在土体内部。 开挖渠道或基坑时常遇到的流砂现象，就属流土类型，如图9 ⑵管涌 管涌指在渗流作用下，无粘性土体中的细小颗粒通过粗颗粒的孔隙移动或被带出土体的现象。它既发生于渗流出逸处，也可发生在土体的内部。是一种渐进性破坏过程。如图10。

第七章 土的渗透性 图9 流土的危害（a）河堤覆盖层下流砂涌出现象： （b）流砂涌向 基坑引起房屋不均匀下沉的现象

第七章 土的渗透性 图10 坝基发生管涌的现象

第七章 土的渗透性 7.2.3 渗透变形的判别 三、渗透变形的判别 1、用土的性质判定： 渗透变形的形成除与水力坡降有关外还与土的性质有关。 第七章 土的渗透性 三、渗透变形的判别 1、用土的性质判定： 渗透变形的形成除与水力坡降有关外还与土的性质有关。 粘性土土粒间连结较紧，颗粒间有较大粘聚力。一般不发生管涌破坏，只在渗透坡降大时发生流土破坏。 无粘性的渗透变形的形式与土的颗粒组成、级配和密度有关，具体判别如下： 7.2.3 渗透变形的判别

第七章 土的渗透性 较均匀土，CU≤10 P>35% 流土 天然无粘性土 级配不连续 P<25% 管涌 P=25%～35% 过渡 第七章 土的渗透性 较均匀土，CU≤10 P>35% 流土 天然无粘性土 级配不连续 P<25% 管涌 P=25%～35% 过渡 不均匀土，CU<10 DO> 级配连续 管涌 DO< ～ 过渡 其中： ——级配曲线上断点（断点：指级配曲线水平段下限）以下对应颗粒含量，即细料含量；

第七章 土的渗透性 2、用临界水力坡降判定： D0——孔隙平均直径，可用D0=0.25 计算； 、 、 ——小于该粒径土粒含量为3%、5%、20%对应的粒径。 别外，无粘性土的渗透变形还与土的密度有关，有些土在较大密度下可能 发生流土，而在小密度下则可能出现管涌。 2、用临界水力坡降判定： 一般的工程可用半经验公式判定，重要工程应尽可能结合实际条件通过试验确定。 ⑴流土的临界水力坡降 式中： ——临界水力坡降，其他指标见前述。

第七章 土的渗透性 流土往往发生在渗流的出逸处。工程中通常用渗流出逸处的水力坡降 与其临界水力坡降 比较，即可判别流土的可能性。 第七章 土的渗透性 流土往往发生在渗流的出逸处。工程中通常用渗流出逸处的水力坡降 与其临界水力坡降 比较，即可判别流土的可能性。 若 ＜ ——土体处于稳定状态不发生流土； 若 = ——土体处于临界状态； 若 ＞ ——土体发生流土； 设计中要求将出逸处的水力坡降控制在允许水力坡降[ ]之内。 即 ≤ [ ]= /K K——安全系数，一般取2～2.5。

第七章 土的渗透性 ⑵管涌的临界水力坡降 = 式中： ——小于该粒径颗粒含量为3%所对应粒径，cm； n——孔隙率； 第七章 土的渗透性 ⑵管涌的临界水力坡降 = 式中： ——小于该粒径颗粒含量为3%所对应粒径，cm； n——孔隙率； ——渗透系数，cm/s。 通常要求 ≤ [ ]，方法同流土。

第七章 土的渗透性 四、 防止渗透变形的措施 根据渗透变形的机理可知，土体发生渗透破坏的原因有两个方面一是渗流特征，即上下游水位差形成的水力坡降，二是土的类别及组成特性。即土的性质及颗粒级配。 故防止渗透变形的工程措施基本归结为： 延长渗径，减小下游出逸口水力坡降，降低渗透力； 增强渗流出逸处土体抗渗能力。 具体措施如下： 1、上游设置垂直和水平防渗体，以延长渗径，减小水力坡降 见图11；12；13。

第七章 土的渗透性 图11 心墙坝的粘土截水槽示意图

第七章 土的渗透性 图12 心墙坝混凝土防渗墙示意图

第七章 土的渗透性 图13 水平粘土铺盖示意图

第七章 土的渗透性 2、下游设置反滤层、盖重或减压井，滤土排水，使渗流逸出，又防止细小颗粒被带走。 见图14 图7.14 水闸防渗示意图

第七章 土的渗透性 第1.2节 讲课完成后布置的复习思考题与作业 复习思考题 1、何谓达西定律？其表达式如何？它的适用条件是什么？ 第七章 土的渗透性 第1.2节 讲课完成后布置的复习思考题与作业 复习思考题 1、何谓达西定律？其表达式如何？它的适用条件是什么？ 2、什么是土的渗透系数？影响土的渗透系数的因素是什么？ 3、常水头和变水头渗透试验方法有何区别？各适用于什么土？ 第3、4节 讲课完成后布置的复习思考题与作业 4、什么是管涌、流土？引起流土和管涌破坏的原因是什么？ 5、渗透变形的防治都有哪些工程措施？ 6、什么叫渗透力？大小、方向如何确定？