土力学及地基基础第5讲地下水讲述.ppt

HTTP://DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院 刘忠玉 教授 地下水 本讲知识点： 一、地下水的埋藏条件 二、土的渗透性 三、动水力和渗透破坏现象 赋于地壳岩石层空隙（孔隙、裂隙和溶隙）中各种形式的水统称地下水，其中可在重力作用下运动的地下水又称重力水。 透水层指能够给出并透过相当数量重力水的岩层。 构成透水层的条件：（1）岩石中要有空隙存在，并充满足够数量的重力水；（2）这些重力水能够在岩石空隙中自由运动。 隔水层指不能给出并透过水的岩层。可含水，但不具备允许相当数量水透过的性能。 一、地下水的埋藏条件 按埋藏条件可分为上层滞水、潜水、承压水。 上层滞水 潜水 承压水 隔水层 1. 上层滞水 埋藏于地表浅层、局部隔水层的上部且具自由水面的地下水。 特征：分布范围不广，水量小；补给区与分布区一致；补给源为大气降水或地表水；以蒸发、下渗或向隔水层边缘流散的方式进行排泄；动态变化不稳定，具有季节性，只能作暂时性和小型供水水源；易受污染，故作饮用水时应注意防止污染。 地面 透镜体 潜水位 上层滞水 隔 水 层 2. 潜水 埋藏在地表以下第一个稳定隔水层之上，具有自由表面的重力水称为潜水。潜水的自由表面称为潜水面。潜水面的绝对标高称为潜水位。潜水面至地面的距离称为潜水埋藏深度。 特征：潜水面不承受静水压力；分布区与补给区一致；动态变化较不稳定，有明显的季节变化；潜水的补给条件较好，水量丰富；潜水的水质随气候有季节变化，且易受污染。 潜水井 3. 承压水 充满于两个稳定隔水层之间含水层中具有压力的地下水。 特征：承压水具有一定的压力水头；补给区与承压区不一致；动态变化较稳定，没有明显的季节变化；补给条件较差，若大规模开发后，水的补充和恢复较缓慢；水质随埋深变化大，有垂直分带规律，但不易受污染。 二、土的渗透性 土的渗透性是指土体允许水透过的性能 。 水在土孔隙中流动的过程 ，称为渗透或渗流，因水流速度不同而分为层流、紊流和混合流三种形式。 （1）层流：水在岩土空隙中流动时，水质点有秩序地、互不混杂地流动。 （2）紊流：水在岩土空隙中流动时，水质点无秩序地、互相混杂的流动。 （3）混合流： 层流和紊流同时出现。 地下水在绝大多数自然条件下，流速较小，故多属层流运动。 （一）水头和水力坡降的概念 水头是指单位重量水体所具有的能量。 总水头h等于位置水头z、压力水头(u/γw)和流速水头(0.5v2/g)之和。实际应用时，通常将位置水头与压力水头之和称为测压管水头。 由于土中渗流速度一般较小，从而流速水头可以忽略不计。因此，此时总水头与测压管水头相等。 渗流过程中一个水质点走过的轨迹称为流线。 单位渗流长度上的水头损失称为水力坡降（水力梯度）i 。 （二）达西定律 结论：水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比。 v=ki 达西定律 i-水力梯度 k-渗透系数 v-渗透速度，非真实流速 1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究。 （三）达西定律适用范围 达西定律 1.饱和砂土的渗透速度与水头梯度呈线性关系。 2.饱和密实粘土，需要克服结合水的粘滞阻力后才能发生渗透；同时渗透系数与水力坡降的规律还偏离达西定律而呈非线性关系。 ib 计算起始水力坡降 直线简化 v=ki i v O 砂土 0 i v 密实粘土 3. 在砾类土和巨粒土中，若水头梯度较大，水在其中的流动大多是紊流状态，呈非线性关系；只有在较小的水头梯度时，才可能是线性的。 达西定律适用于饱和砂土、层流，不适用于紊流 0 i v 砾土 V （四）渗透系数的测定 1. 渗透试验（室内） (1) 常水头试验————整个试验过程中水头保持不变。 适用于透水性大（k10-3cm/s）的土，例如砂土。 (2) 变水头试验————整个试验过程水头随时间变化。 截面面积a 适用于透水性差，渗透系数小的粘性土。 或 2. 现场抽水试验 根据井底土层情况可分为二种类型，井底钻至不透水层时称为完整井，井底未钻至不透水层时称非完整井。 无压完整井 三、动水力与渗透破坏现象 渗流力（动水力）j：单位土体积中的土颗粒所受到的渗流作用力，又称为动水力。它是体积力，单位：kN/m3。 结论：动水力j是渗流对单位土体的作用力，是一种体积力，其大小与水头梯度成正比，作用方向与渗流方向一致。 注意：动水力的存在，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： （1）动水力方向与重力一致，促使土体压密、强度提高，有利于土体稳定； （2）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； （3）动水力与重力方向相反，当渗透力大于土体的有效重度，土粒将被水流冲出。 渗透变形（或破坏） 渗透变形（或破坏）是指在渗流作用下土体发生变形或破坏的现