第3章土的渗透性及渗流

一、 简答题

1.试解释起始水力梯度产生的原因。

2.简述影响土的渗透性的因素主要有哪些。

3.为什么室内渗透试验与现场测试得出的渗透系数有较大差别?

4.拉普拉斯方程适应于什么条件的渗流场？

5.为什么流线与等势线总是正交的？

6.流砂与管涌现象有什么区别和联系？

7.渗透力都会引起哪些破坏？

二、 填空题

1.土体具有被液体透过的性质称为土的 。

2.影响渗透系数的主要因素有： 、

3.一般来讲，室内渗透试验有两种，即 和 。

4.渗流破坏主要有 和 两种基本形式。

5.达西定律只适用于 的情况，而反映土的透水性的比例系数，称之为土的

三、选择题

1.反应土透水性质的指标是（ ）。

A.不均匀系数 B.相对密实度

C.压缩系数 D.渗透系数

2.下列有关流土与管涌的概念，正确的说法是（ ）。

A.发生流土时，水流向上渗流；发生管涌时，水流向下渗流

B.流土多发生在黏性土中，而管涌多发生在无黏性土中

C•流土属突发性破坏，管涌属渐进式破坏

D.流土属渗流破坏，管涌不属渗流破坏

3.土透水性的强弱可用土的哪一项指标来反映？（ ）

A.压缩系数 B.固结系数

C.压缩模量 D.渗透系数

4.发生在地基中的下列现象，哪一种不属于渗透变形？（ ）

A.坑底隆起 B.流土 C.砂沸 D.流砂

5.下属关于渗流力的描述不正确的是（ ）。

A.其数值与水力梯度成正比，其方向与渗流方向一致

B.是一种体积力，其量纲与重度的量纲相同

C.流网中等势线越密集的区域，其渗流力也越大

D•渗流力的存在对土体稳定总是不利的

6.下列哪一种土样更容易发生流砂？（ ）

A.砂砾或粗砂 B.细砂或粉砂

C.粉质黏土 D.黏土

7.成层土水平方向的等效渗透系数 与垂直方向的等效渗透系数 '的关系是（ ）。

8.在渗流场中某点的渗流力（ ）。

A.随水力梯度增加而增加 B.随水利力梯度增加而减少 C.与水力梯度无关

9.评价下列说法的正误。（ ）

1土的渗透系数越大，土的透水性也越大，土的水力梯度也越大；

2任何一种土，只要水力梯度足够大，就有可能发生流土和管涌；

3土中任一点渗流力的大小取决于该点孔隙水总水头的大小；

4渗流力的大小不仅取决于水力梯度，还与其方向有关。

A.①对 B.②对 C.③和④对 D.全不对

10.下列描述正确的是( )。

A.流网中网格越密处，其水力梯度越小

B.位于同一条等势线上的两点，其孔隙水压力总是相同的

C.同一流网中，任意两相邻等势线间的势能差相等

D.渗透流速的方向为流线的法线方向

11.土体渗流研究的主要问题不包括( )。

A.渗流量问题 B.渗透变形问题

C.渗流控制问题 D.地基承载力问题

12.某岸边工程场地细砂含水层的流线上 A B两点，A点的水位标高2.5米，B点的水位标高3.0米，两点间流线长为10米，计算两点间的平均渗透力最

接近下列()个值。

(A)1.25kN/m3 ； (B)0.83 kN/m3 ； (C) 0.50 kN/m3 ； (D) 0.20 kN/m3 。

13.四个坝基土样的孔隙率和细粒含量(以质量百分率计)如下，试按《水利水电工程地质勘察规范》( GB50287-99)计算判别下列()选项的土的渗透

变形的破坏形式属于管涌。

“、ni = 31.2%;Pc5 = 3S5% 仆 11,= 355%;Pc4 = 38 0%

(C) ■ … ； (D)

四、判断改错题

1.绘制流网时必须满足的基本条件之一是流线和等势线必须正交。

2.达西定律中的渗透速度不是孔隙水的实际流速。

3.土的孔隙比愈大，其渗透系数也愈大。

4.在流网图中，流线愈密集的地方，水力坡降愈小。

5.发生流砂时，渗流力方向与重力方向相同。

6.细粒土的渗透系数测定通常采用“常水头”试验进行。

7.绘制流网时，每个网格的长宽比没有要求。

8.在流网中，任意两相邻流线间的渗流量相等。

9.管涌发生在渗流溢出处，而流土发生的部位可以在渗流溢出处，也可以在土体内部。

五、 计算题

1.如图3- 1所示，在恒定的总水头差之下水自下而上透过两个土样，从土样

(1)已土样2底面c- c为基准面，求该面的总水头和静水头；

(2) 已知水流经土样2的水头损失为总水头差的 30%求b - b面的总水头和静水头;

(3)已知土样2的渗透系数为0.05cm/s ，求单位时间内土样横截面单位面积的流量；

(4)word/media/image1.gifword/media/image2.gif求土样1的渗透系数。

2.如图3-2所示，在5.0m厚的黏土层下有一砂土层厚 6.0 m，其下为基岩(不透水)。为测定该沙土的渗透系数，打一钻孔到基岩顶面并以 10-2mi/s的

速率从孔中抽水。在距抽水孔 15m和30m处各打一观测孔穿过黏土层进入砂土层，测得孔内稳定水位分别在地面以下 3.0m和2.5m，试求该砂土的渗透

系数。

30

不谨水层

图3 -2 (单位：m)

3.某渗透装置如图3-3所示。砂I的渗透系数 n -■ ■'■■■;砂H的渗透系数 ・ I 「；砂样断面积 a=200"「，试问：

(1)若在砂I与砂n分界面处安装一测压管，则测压管中水面将升至右端水面以上多高？

(2 )砂1与砂n界面处的单位渗流量 q多大？

4.定水头渗透试验中，已知渗透仪直径 二=工记吧，在J =二】叫吧渗流直径上的水头损失；'一，在60s时间内的渗水量1一 ' "，求土的渗

透系数。

5.设做变水头渗透试验的粘土式样的截面积为-…,厚度为4-〔代渗透仪细玻璃管的内径为-4",实验开始时的水位差为1’ ：，经过 m 士：［观
察的水位差为：二皿，实验室的水温为 20C，试求式样的渗透系数。

工；〔弋，渗透系数】 二1I 1「"二板桩打入土层表面以下 丄"：，板桩前后水深如图 3-4

(2)地基的单位透水量。

7.如图3-5所示，在长为10cm，面积的圆筒内装满砂土。经测定，粉砂的… 一'，■:y mi筒下端与管相连，管内水位高出筒 5cm(固定不变),

流水自下而上通过试样后可溢流出去。试求 (1)渗流力的大小，判断是否会产生流砂现象;

图3-5

第3章参考答案

一、 简答题

1.【答】

起始水力梯度产生的原因是， 为了克服薄膜水的抗剪强度T 0（或者说为了克服吸着水的粘滞阻力 ），使之发生流动所必须具有的临界水力梯度度。 也就是说,

只要有水力坡度，薄膜水就会发生运动，只是当实际的水力坡度小于起始水力梯度时，薄膜水的渗透速度 V非常小，只有凭借精密仪器才能观测到。因此

严格的讲，起始水力梯度 I 0是指薄膜水发生明显渗流时用以克服其抗剪强度T 0的水力梯度。

2.【答】

（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 透性就大。砂土中含有较多粉土及粘土颗粒时，其渗透系数就大大降低。（ 2）结合水膜厚度。粘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。层状粘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）水的粘滞度。水在土中的渗流速度与水

的容重及粘滞度有关，从而也影响到土的渗透性。

3.【答】

室内试验和现场试验渗透系数有较大差别，主要在于试验装置和试验条件等有关，即就是和渗透系数的影响因素有关，详见上一题。

4.【答】

当渗流场中水头及流速等渗流要素不随时间改变时，这种渗流称为稳定渗流，而拉普拉斯方程是指适用于平面稳定渗流的基本方程。

5.【答】

在稳定渗流场中，取一微单元体，并假定水体不可压缩，则根据水流连续原理，单位时间内流入和流出微元体的水量应相等，即 dqe=dqo。从而得到：

即为二维渗流连续方程，从中由数学知识，可知流线和等势线正交。

6.【答】

在向上的渗流力作用下，粒间有效应力为零时，颗粒群发生悬浮、移动的现象称为流砂 （土）现象。这种现象多发生在颗粒级配均匀的饱和细、粉砂和粉土

层中，一般具有突发性、对工程危害大。

在水流渗透作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动， 以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗流速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水逐渐带走，

最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。它多发生在砂性土中，且颗粒大小差别大，往往缺少某种粒径，其破坏有个时 间发展过程，是一种渐进性质破坏。

具体地再说，管涌和流砂的区别是：（ 1）流砂发生在水力梯度大于临界水力梯度，而管涌发生在水力梯度小于临界水力梯度情况下；（ 2）流砂发生的部

位在渗流逸出处，而管涌发生的部位可在渗流逸出处，也可在土体内部；（ 3）流砂发生在水流方向向上，而管涌没有限制。

7.【答】

渗流引起的渗透破坏问题主要有两大类：一是由于渗流力的作用，使土体颗粒流失或局部土体产生移动，导致土体变形甚至失稳；二是由于渗流作用，使

水压力或浮力发生变化，导致土体和结构物失稳。前者主要表现为流砂和管涌，后者主要则表现为岸坡滑动或挡土墙等构造物整体失稳。

二、填空题

1.渗透性或透水性

2.土的粒度成分及矿物成分、土的密实度、土的饱和度、土的结构、土的构造、水的温度

3.常水头法、变水头法

4.流砂(土)、管涌

5.层流、渗透系数

三、选择题

1.D 2.C 3.D 4.A 5.D 6.B 7.A 8.A 9.D 10. C 11. D 12. C 13.D（注：按规范当 --■ 1 时发生管涌）

四、 判断改错题

1.V

2.V

3.\对黏性土不成正比。

4.＜，改“愈小”为“愈大”。

5.\改“相同”为“相反”。

6.\改“常水”头为“降水头”或“变水头”。

7.c，每个网格的长宽比必须为定值。

8.V

9.\应将管涌与流土对调。

五、 计算题

1.解：

如图3-1，本题为定水头实验，水自下而上流过两个土样，相关几何参数列于图中。

(1 )以 c-c 为基准面，则有： zc=0, hwc=90cm, hc=90cm

(2)已知 hbc=30% hac，而 hac由图2-16知，为30cm,所以

hbc=30% hac=0.3 30=9cm

h b=hc- hbc=90-9=81cm

又； Zb=30cm,故 hwb=hb- z b=81-30=51cm

(3) 已知 k2=0.05cm/s , q/A=k 2i 2= k 2 hbc/L 2=0.05 9/30=0.015cm /s/cm =0.015cm/s

(4) T i 1= hab/L 1 = ( hac- hbc) /L 1= (30-9 ) /30=0.7，而且由连续性条件， q/A=k ii i=kd 2

/• k 1=k2i 2/i 1=0.015/0.7=0.021cm/s

2.解：

分析：如图3-2，砂土为透水土层，厚 6m上覆粘土为不透水土层，厚 5m因为粘土层不透水，所以任意位置处的过水断面的高度均为砂土层的厚度，即

6m。题目又给出了 n=15m,「2=30m, h1=8m h2=8.5m。

q — 二比 2 6 — = 1 Zt/ir —

由达西定律的公式知，一 “ ，可改写为:

g生=12肘伽,积分后得到；止仝=必用％-耐) 尸 与

带入已知条件，得到:

30

肇 In 二二—————In —二 3 68XW4 m/s 二 3.68x10 3 cm/s

12呱一凤) 勺 12打但,5-琦 15

本题的要点在于对过水断面的理解。另外，还有个别同学将

3.解：

word/media/image5.gif^ = JC^= 60x1x40 弘 + 即 1 2 x40 +1 k40

(2)砂与砂界面处的单位渗流量 q为:

(» -vA--—A - 0.2 x —x200 - 20rw3 /ff

A 40

4.解：

上三皀三 =65x10」加仏

Akt —^7.5ax8.3x60

5.解：

因为试验时的温度为标准温度，故不作温度修正。

L aL ｝妇 3.14x0 4' x4 1 145 ― “一,.

k=—7 In— = j In =1,4 沢10 cm!s

/匕-%) % 30x(7x 60+25) WO

6.解:

tj — ff

(1)a、e点位于水面，故 b、d位于土层表面，其孔隙压力分别为:

叫==10x9= 90^

C点位于板桩底部，该点的水头损失为:

word/media/image6.gif

uc = -A/;) = 10x(18-4)^140^

(2)地基的单位渗水量:

…窃小m令®”卄

7.解:

2 65 — 1

-一 xlO = 87^w2

1 + 0.9

y„i =儿—=10x — = 刖

w * L 10

因为」;f,所以不会发生流砂。

0.87