2我的土中水的运动规律.ppt

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。 土的问题 土的问题是指由于水的渗透引起土体内部应力状态的变化或土体、地基本身的结构、强度等状态的变化，从而影响建筑物或地基地稳定性或产生有害变形的影响，在坡面、挡土墙等结构物中常常会由于水的渗透而造成内部应力状态的变化而失稳；土坝、堤防、基坑等结构物会由于管涌逐渐改变地基土内的结构而酿成破坏事故；非饱和的坡面会由于水分的渗透而造成土的强度的降低而引起滑坡。由于渗透而引起的代表性例子就是地下水开采造成的地面下沉问题。 一、渗流模型 二、达西（Darcy）渗透定律 达西实验的装置 （1）当渗流速度较小时，渗透的沿程水头损失与流速的一次方成正比。在一般情况下，砂土、粘土中的渗透速度很小，其渗流可以看作是一种水流流线相互平行的流动—层流，渗流运动规律符合达西定律，渗流速度v和水力梯度i的关系可在v-i坐标系中成一条直线，如图(a)所示。 （2）粗粒土(如砾石、卵石等)的试验结果见图(b)所示。 由于其孔隙很大，当水力坡度较小时，流速不大，渗流可以认为是层流，速度较小时，渗透可以认为是层流， v-i关系成线性变化，达西定律仍然适用。 当水力坡度较大时，流速增大，渗流将过渡为不规则的相互混杂的形式—紊流， v-i关系成非线性变化，达西定律不再适用。 当流速较小时，各流层质点互不混杂，这种型态的流动叫层流。 当流速较大时，各流层质点形成涡体互相混掺，这种型态的流动叫做紊流。 ●1991年 哈森提出用有效粒径d10计算较均匀砂土的公式:?? ?????? ? ●1955年，太沙基提出考虑土体孔隙比e的经验公式: 2.3 流网及其工程应用 2.4 土中渗流的作用力及渗透变形 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。 3点，渗流力与重力方向相反，对稳定特别不利。 【例题2-2】某工程开挖深度为6.0 m的基坑时采用板桩围护结构，基坑在排水后的稳定渗流流网如图2-16所示。地基土的饱和重度rsat=19.8 kN/m3 ，地下水位距离地表1.5 m。判断基坑中的a～b渗流逸出处是否发生流土？ 枯水期施工法 设止水帷幕(如连续板桩、深层搅拌桩、密排灌 注桩等)法。 冻结法 人工降低地下水位 (井点降水法)法。 管涌 管涌 管涌 管涌的治理 反滤导渗 管涌的治理 反滤围井 管涌的治理 蓄水反压: 通过抬高管涌区内的水位来减小堤内外的水头差，从而降低渗透压力，减小出逸水力坡度，达到制止管涌破坏和稳定管涌险情的目的。 达西渗透定律 一、平面稳定渗流基本微分方程 在渗流场中的（x，z）处取一个单元体，那么对于该单元体的水量变化为： 假定渗流为稳定流，土骨架不变形，流体不可压缩，有： dQ=0 即： 平面渗流连续条件微分方程 o x z dx dz 对于kx≠kz的各向异性土，达西定律写成： 代入，得 ： 对于各向同性土 ： 平面稳定渗流问题基本微分方程 为求解方便，作变换，令 ，得到 渗流场内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（势能），即求解渗流基本微分方程。 众所周知，满足拉普拉斯方程的解是两组彼此正交的曲线。就渗流而言，一组为等势线（各水头相等），另一组为流线（代表渗流方向），等势线和流网交织在一起形成的网格叫流网。 只有满足边界条件的那一种流线和等势线的组合形式才是Laplace方程式的正确解答。 —— 拉普拉斯方程 平面稳定渗流问题基本微分方程 求解方法 解析法 数值法 电拟法 比较精确，但只有在边界条件简单情况下才能求解 有限单元法(FEM) 有限差分法(FDM) 电网络模拟 边界条件比较复杂的渗流 图解法—流网解法 三、平面稳定渗流的流网解法 （一）流网及其性质 平面稳定渗流基本微分方程的解可以用渗流区平面内两簇相互正交的曲线来表示。其中一簇为流线，它代表水流的流动路径；另一簇为等势线，在任一条等势线上的各水头相等。工程上把这种等势线簇和流线簇交织成的网格图形称为流网。 闸基的渗流流网 对于各向同性的渗透介质，流网具有下列性质： 流网是相互正交的网格; 流网为曲边正方形； ????网格的长度l与宽