土的渗透及渗流

土孔隙中的自由水在重力作用下透过土孔隙流动的现象称为渗透或渗流，而土被水流透过的性质，称为土的渗透性。水在土体中渗流，一方面会引起水头损失或基坑积水，影响工程效益和进度；另一方面将引起土体变形，改变构筑物或地基的稳定条件，直接影响工程安全。在许多实际工程中都会遇到渗流的问题，如水利工程中的土坝和闸机、建筑物基础施工中开挖的基坑等。通常都要计算其渗透量并评判其渗透稳定性。当渗透的流速较大时，水流拖曳土体的渗透力将增加。渗透力的增大将导致土体发生渗透变形，并可能危及建筑物或周围设施的安全。因此，在工程设计与施工中，应分析可能出现的渗透情况，必要时采取合理的防渗措施。

1）达西定律

1856年，法国工程师达西（H. Darcy）对均匀砂土进行了大量渗透试验（图2-13），发现土中水的渗透速度与试样两端面间的水头差成正比，而与相应的渗透路径成反比，即达西定律。用下式表示：

也可用渗流量表示：

q=vA=kiA　　（2-19）

式中：q——单位渗水量（m3/s）；

v——渗透速度（cm/s）；

i——水力梯度或水力坡降，即水头差与其距离之比，也表示单位渗流长度上的水头损失；

k——土的渗透系数，其物理意义为单位水力梯度i=1时的渗透速度，其量纲与渗透速度相同（cm/s），它是反映土的透水性大小的一个综合指标。

图2-12　达西渗透实验装置

要注意的是，式（2-19）中的渗透速度v并不是土孔隙中水的实际平均流速。它假定水在土中是通过整个断面面积，其中包括了土粒骨架所占的部分面积。显然，土粒本身是不能透水的，渗透水流只通过土体中的孔隙，故真实的过水断面面积应小于整个断面面积A，从而实际平均流速应大于v，一般称v为假想平均流速，目前在渗流计算中广泛采用的流速也是假想平均流速。

2）达西定律的适应范围

达西定律是由砂质土体实验得到的，如图2-13（a）所示，渗透速度U与水力梯度i的一次方成正比。后来推广应用于其他土体如对密实的黏土，由于结合水具有较大的黏滞阻力，进一步的研究表明，在某些条件下，这类土的渗透特征偏离达西定理，汗斯博（S. Hansbo，1960年）对4种原状黏土进行了试验，其v-i关系如图2-13（b）所示。实线表示非线性增长，且不通过原点。因此，只有当水力梯度达到某一数值，克服了吸着水的黏滞阻力以后，才能发生渗透。将这一开始发生渗透时的水力梯度（截距）称为黏性土的起始水力梯度。这时达西定理修改为

v=k（i-i0）　　（2-20）

图2-13　土的渗透速度与水力梯度的关系

式中：i0——密实黏土的起始水力梯度。

其余符号意义同前。

另外，试验也表明，在粗粒土中，只有在水力梯度较小时，渗透速度与水力梯度才呈线性关系，而在较大的水力梯度下，水在土中的流动即进入紊流状态，则呈非线性关系，此时达西定律不能适用，如图2-13（c）所示。

3）土的渗透系数

土的渗透系数k反映了土的渗透性能，是土的重要力学性能指标之一，也是渗流计算时必须要用到的一个基本参数，它的大小不能通过计算得出，只能通过试验确定，渗透系数的测定可以在实验室或现场进行。

室内试验测定土的渗透系数k可根据实验装置不同分为常水头法和变水头法。

（1）常水头试验

常水头试验法就是在整个试验过程中保持水头为一常数，从而水头差也为常数。试验装置如图2-14（a）所示。

图2-14　室内渗透试验

试验时，在透明塑料筒中装填截面为A、长度为L的饱和试样，打开水阀，使水自上而下流经试样，并自出水口处排出。待水头差Δh和渗出流量Q稳定后，量测经过一定时间t内流经试样的水量V，则由（q为单位时间内流过土截面面积A的流量），根据达西定律可得土样的渗透系数为

常水头试验适用于测定透水性大的砂性土的渗透参数。黏性土由于渗透系数很小，渗透水量很少，用这种试验不易准确测定，须改用变水头试验。

（2）变水头试验

变水头试验适用于透水性较差的黏性土。变水头试验法就是试验过程中水头差一直随时间而变化，其装置如图2-14（b），水从一根直立的带有刻度的玻璃管和U形管自下而上流经土样。试验时，将玻璃管充水至需要高度后，开动秒表，测记起始水头差Δh1，经时间t后，再测记终了水头差Δh2，通过建立瞬时达西定律，即可推出渗透系数k的表达式。

设玻璃细管过水截面积为a，土样截面积为A，长度为L，试验开始后任一时刻土样的水头差为h，经dt时间，管内水位下落dh，则在dt时间内流经试样的水量为

dQ=-adh　　（2-22）

式（2-22）中，负号表示渗水量随h的减小而增加。

根据达西定律，在dt时间内流经试样的水量又可表示为

由式（2-22）和式（2-23）得

将上式两边积分

即可得到土的渗透系数

对于大量的中小工程，可参考有关规范、文献提供的经验表格或数据，如表2-9所示。

表2-9　各类土渗透系数变化范围

对于天然沉积的土层，一般呈层理构造，具有成层特性。显然其渗透性与均质土不同，则渗透系数k需通过“等效”概念换算得到，具体见有关书籍及资料。

4）影响土渗透性的主要因素

影响土体渗透性的因素很多，而且也比较复杂。土体颗粒大小、级配、密度以及土中封闭气泡，都会直接影响到土的渗透性。

（1）土的粒度成分及矿物成分。土的颗粒大小、形状及级配，影响土中孔隙大小及其形状，因而影响土的渗透性。土颗粒越粗，越浑圆、越均匀时，渗透性就越大。砂土中含有较多粉土及黏土颗粒时，其渗透系数就大大降低。

（2）结合水膜厚度。黏性土中若土粒的结合水膜厚度较厚时，会阻塞土的孔隙，降低土的渗透性。

（3）土的结构构造。天然土层通常不是各向同性的，在渗透性方面往往也是如此。如黄土具有竖直方向的大孔隙，所以竖直方向的渗透系数要比水平方向大得多。层状黏土常夹有薄的粉砂层，它在水平方向的渗透系数要比竖直方向大得多。

（4）水的黏滞度。水在土中的渗流速度与水的容重及黏滞度有关，而黏滞度又受温度影响。温度越高，黏滞度越低，渗流速度越大。

水在土中流动的过程中将受到土阻力Js的作用，使水头逐渐损失。同时，水的渗透将对土骨架产生拖曳力，导致土体中的应力与变形发生变化。这种渗透水流作用对土骨架产生的拖曳力称为渗流力J，也称为动水压力。

研究有水渗流时的土体稳定性问题，常需计算渗流力的大小，故渗流力的计算具有一定的工程实践意义。

1）渗流力J的计算公式

当饱和土体内有水头差时，水体就通过土体间的孔隙流动。我们在土中沿水流的渗透方向，切取一个土柱体ab（见图2-15），土柱体长度为l，横截面面积为A。已知a、b两点距基准面的高度分别为z1和z2，两点的测压管水柱高分别为h1和h2，则两点的水头分别为H1=h1+z1和H2=h2+z2。

图2-15　渗透力水的计算

将土柱体ab内的水作为脱离体，分析作用在水上的各种力（在ab轴线方向）有：

（1）作用在土柱a、b两端的孔隙水压力分别为γwh1A（水流方向）和γwh2A（水流相反方向）。

（2）孔隙水重力和土粒浮力的反力之和，后者应等于土粒同体积的水柱重力，两者方向都与水流方向一致，即

Vvγw+Vsγw=γwnlAcosα+γw（1-n）lAcosα=γwlAcosα

式中：n——土的孔隙率。

（3）土柱中土粒对渗流水的阻力lAJs，其方向与水流方向相反。

略去渗流时的惯性力，根据作用在土柱体d内水上的各力平衡条件可得

γwh1A-γwh2A+γwlAcosα-lAJs=0

化简，并以代入上式，可得

阻力Js的大小应与渗流力J相等，而方向相反。故得渗流力计算公式为

J=Js=γwi　　（2-27）

从式（2-27）可知，渗流力是一种体积力，量纲与γw相同，大小与水头梯度成正比，方向与水流方向一致。

2）渗透变形

由于渗透力方向与渗流方向一致，地下水流动时，若水流方向为由上向下，此时动水力（渗流力）方向与土粒重力方向一致，使土粒压得更紧，对工程无害；如渗流自下而上，则渗透力方向与土体重力方向相反，这将减少土颗粒之间的压力，使土颗粒悬浮。特别当动水力J的数值等于或大于土的浮重度γ′时（即向上的动水力克服了土粒向下的重力时），土体发生浮起而随水流动，这种现象称为流砂或流土，是常见的渗透破坏形式之一。这时的水头梯度称为临界水头梯度，用符号icr表示，即

式中：γsat——土的饱和重度；

γw——水的重度。

在基坑开挖中，如果挖到地下水位以下，且采用直接排水的方法，将产生由下向上的渗流。当i>icr时，就会发生流砂（土）现象，此时渗流水夹带泥土由基坑以下向上涌起，将引起坑底土结构破坏。对此类现象必须预防，工程上对此常采取的措施有人工降低地下水位、打板桩和抛石等。

渗透破坏形式，还有管涌与潜蚀。当深基坑距离河塘较近或基坑底下土层中存在承压含水层时，在水位差的作用下，基坑土体中存在渗透水流，由于土体的不均匀性，土体中某一部位的土颗粒在渗透水流的作用下会发生运动，使填充在土体骨架空隙中的细颗粒被渗水带走而形成涌水通道，即形成管涌（又称翻沙鼓水、泡泉）。当主渗漏涌水通道上的细颗粒被基本带走后，在较强的水流冲刷下，主通道两侧的细颗粒进入涌水主通道，使涌水主通道逐渐变宽，管涌持续时间越长，通道的宽度越宽，继而发生大量涌水和塌方事故。可见，管涌破坏一般有一定的发展过程，是一种渐进性质的破坏。管涌现象可以发生在土体表面逸出处，也可以发生于土体内部；而流砂现象一般发生在土体表面逸出处，不发生在土体内部，这是管涌与流砂的简单区别。为防止管涌现象发生，一般可在构筑物下游边坡逸出处设置反滤层，防止细小土颗粒被渗流水夹带走。