第八章土的渗透性
第八章  土的渗透性
渗透是指水在压力作用下通过土中孔隙发生流动的现象，渗透性是指土体被水渗透的能力大小。如图8-1，由于上下游水位差的作用，土坝上游的水会通过坝体渗透到下游，水闸上游的水会通过闸基渗透到下游。
图8-1  水在土坝、闸基中的渗透
由于水的渗透，会给挡水、输水等建筑物带来两类问题。其一，引起水量损失，减小了经济效益，称为渗漏问题；其二，水在土中渗透，会使土中应力发生变化，改变土体的稳定条件，甚至造成土体的破坏，称为渗透稳定问题。为了解决好上述问题，需要研究土的渗透性及其与工程的关系，以便为工程设计和施工提供依据。
8.1达西定律
8.1.1达西定律的内容
为了研究水的渗透规律，法国工程师达西做了大量的实验，于1856年总结得出，水在土中的渗透速度与土样两端的水头差成正比，与渗透长度成反比。
如图8-2，试验结果表示为
                                                                    （8-1）
或                                                                （8-2）
式中——渗透速度，cm/s；
——渗透流量，cm3/s；
——土样两侧的水头差，cm；
——土样的渗透长度，cm；
——垂直于渗流方向的土的截面积，cm2；
——水力坡降，，即渗流单位长度的水头损失；
——渗透系数，cm/s。
是反映土体渗透性强弱的一个指标，其物理意义是单位水力坡降的渗透速度。不同土的渗透系数见表8-1。
式（8-1）或（8-2）即为著名的达西定律，是水在土体中渗流的基本规律。
图8-2 砂土的渗透
表8-1                   常见土的渗透系数
土  类
渗透系数
渗 透 性
纯砾
>10-1
强渗透性
纯砾与砾混合物
10-3～10-1
中渗透性
极细砂
10-5～10-3
弱渗透性
粉土、砂与粘土混合物
10-7～10-5
极弱渗透性
粘土
<10-7
几乎不透水
8.1.2达西定律的适用范围
达西定律是在对砂土的试验中得到的，而且水流速度较小，处于层流状态，如图8-3（a）。
当土体为粘性土时，由于受到结合水的粘滞阻力的影响，当水力坡降较小时，不发生渗流，只有当水力坡降达到一定数值，克服了结合水的粘滞阻力后，才能发生渗流，我们把这一水力坡降称为起始水力坡降，则渗透速度可表示为，如图8-3（b）。
对于大卵石等地基中的大颗粒渗流，当水力坡降较小时，渗流为层流，～为线性关系，符合达西定律；当水力坡降较大时，渗透速度超过某一临界流速，～不再是线性关系，如图8-3（c）。
图8-3不同情况的渗透规律
8.2渗透系数的测定
渗透系数是综合反映土体渗透能力的一个指标，也是渗透计算时用到的一个基本参数，渗透系数通常由试验确定。
8.2.1渗透系数的测定方法
渗透系数的测定方法可分为室内渗透试验和现场渗透试验两大类。两者基本原理相同，均以达西定律为依据。下面仅介绍室内试验的两种方法。
1．常水头试验
常水头试验是在整个试验过程中水头始终保持不变的一种方法，适用于透水性较强的无粘性土。
如图8-4，在圆柱形试验筒内装置土样，设土样截面积为，长度为，试验时水头差为，这三者可以直接量出，试验时测得在时间内流出的水量（体积），则透过土样的流量为，由达西定律应有，则
                                                        （8-3）
图8-4常水头试验示意图
2．变水头试验
变水头试验是在整个试验过程中水头不断变化的一种方法，适用于透水性小的粘性土。
由于粘性土的透水性小，若用常水头法，流过土样的水量很小不易测准，或者由于需要的时间很长，会因蒸发而影响试验精度，故采用变水头试验。
如图8-5，土样上端连接一带刻度的竖直玻璃管，其横截面积为。玻璃管内为高水位，另一侧连接一溢水容器，为低水位，水位不变。试验中玻璃管内水位逐渐降低，记录下时刻和相应水头、时刻和相应水头。
图8-5 变水头试验示意图
设在水头下，经微小时段，水位下降。则在该时段内玻璃管内水量减少，又由达西定律知流经土样的水量为，两者应相等，即
在时段～内，水头由～，将上式两端分别积分，得
式中加一负号的原因是，时间～是增长的，而水头～为减小的。
                                                            （8-4）
8.2.2影响渗透系数的主要因素
渗透系数反映了水在土中流动的难易程度，其大小受土的颗粒级配、密实程度、水温等因素的影响。
1．土粒大小与级配
土粒大小与级配关系到土中孔隙的大小，对土的渗透系数影响最大。土粒越粗，孔隙越大，渗透系数就越大；级配良好时，总孔隙较小，渗透系数较小。
2．土的密实度
同一种土，在不同密实状态下有不同的渗透性。土的密实度增加，孔隙比减小，土的渗透性也就减小。
3．水的温度
水在不同的温度下具有不同的粘滞性，影响到渗透的速度，对同一种土在不同的温度下所测渗透系数也就不同。为便于比较，统一使用标准温度20℃的渗透系数，其他温度下的渗透系数可换算为20℃的渗透系数。
                                            (8-5）
式中——℃和20℃时土的渗透系数；
、——℃和20℃时水的动力粘滞系数，值见表8-2。
表8-2                        /与温度的关系
一个土一个于
温度（℃）
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
9.5
10.0
10.5
11.0
/
1.501
1.478
1.455
1.435
1.414
1.393
1.373
1.353
1.334
1.315
1.297
1.279
1.261
温度（℃）
11.5
12.0
12.5
13.0
13.5
14.0
14.5
15.0
15.5
16.0
16.5
17.0
17.5
/
1.243
1.227
1.211
1.194
1.176
1.163
1.148
1.133
1.119
1.104
1.090
1.077
1.066
温度（℃）
18.0
18.5
19.0
19.5
20.0
20.5
21.0
21.5
22.0
22.5
23.0
24.0
25.0
/
1.050
1.038
1.025
1.012
1.000
0.988
0.976
0.964
0.953
0.943
0.932
0.910
0.890
温度（℃）
26.0
27.0
28.0
29.0
30.0
31.0
32.0
33.0
34.0
35.0
/
0.870
0.850
0.833
0.815
0.798
0.781
0.765
0.750
0.735
0.720

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