土的渗透在工程中具有重要的意义。在水利工程中，水的渗透会引起两方面的问题：一是渗漏问题；二是渗透稳定性问题。前者是研究因渗透引起的水量损失。而后者则是研究受渗流影响时的土体稳定性问题。在建筑工程中，深基坑开挖中的边坡及地基的稳定性、降水设计和外力作用下饱和土的固结等都和土的渗透问题有关。本章将研究水在土中渗透的基本规律及渗流理论在工程中的应用问题。7.1.2土的渗透性及达西定律地下水按流线形态划分的流动状态有层流和紊流两种状态。若水流流动过程中每一水质点都沿一固定的途径流动，其流线互不相交，则称其为层流状态，简称层流。水流流动时，水质点的流动途径是不规则的，其流线在流动过程中相交再相交，并在流动过程中产生漩涡，则称其为紊流状态或紊流。一般认为，绝大多数场合下土中水的流动呈现层流状态。如果土中渗流为紊流时，常导致土体发生失稳破坏。一、达西定律1856年法国学者达西(H.Darcy)根据均质砂滤床实验提出，在层流状态下，土中水的渗透速度与水位差成正比，与渗流长度成反比。引入比例系数则有（7-1）式中Δh为渗流起点和渗流终点（上游测压管和下游测压管）间的水位差；L为渗流起点到渗流终点的距离；k为土的渗透系数（cm／s）；v为渗透速度（cm／s）。若令，并定义i为水力坡降，则达西定律可表示为：（7-2）若以渗透流量表示时则有（7-3）式中q为单位时间的渗流量或简称渗流量（cm3／s）；A为垂直于渗流方向土的截面积（cm2）。通过公式（7-2）和（7-3）不难发现，土的渗透速度是指在一定的水力坡降下，单位时间内透过垂直于渗流方向的单位横截面面积土体的渗流量。如果在一定的水力坡降下，经过t时段渗流后，透过垂直于渗流方向横截面面积为A的渗流量为Q，则渗流达西定律可表示为（7-3)雷诺（Reynold）通过实验研究首先发现，土的渗透系数除与土的性质有关外，还与水的温度有关。水温升高时，随之增大。为了便于进行对比，一般用20℃时的渗透系数K20或10℃时的渗透系数K10进行比较，并将K20或K10称为的K标准值。土的渗透系数可通过室内渗透试验获得，室内渗透试验有常水头试验和变水头试验之分。1．室内常水头渗透试验室内常水头渗透试验装置的示意图如图7-2所示。在圆柱形试验筒内装置土样，土的截面积为A（即试验筒截面积），在整个试验过程中土样上的水压力保持不变。在土样中选择两点a、b，两点的距离为L，分别在两点设置测压管。待渗流稳定后，测得在时段t内流过土样的流量Q，同时读得a、b两点测压管的水头差Δh。则从公式（7-3）可得：（7-4）图7-3常水头渗透试验图7-4变水头渗透试验为了方便起见，除有特殊需要外，后文我们一般将Kt记为K。1．室内变水头渗透试验室内变水头渗透试验装置的示意图如图7-3所示。在试验筒内装置土样，土的截面积为A，高度为L，在试验筒上设置储水管，储水管截面积为a，在试验过程中储水管的水头不断减小。假定试验开始时，储水管水头为h1，经过时段t后储水管的水头降为h2。设在时间dt内水头降低了-dh，则在dt时间内通过土样的流量为：dQ=－a·dh则从公式（7-4）可得：dQ=q·dt=k·i·A·dt=k·（h／L）·A·dt故得－a·dh=k·（h／L）·A·dt积分后得即由此求得土的渗透系数为：（7-7）或：（7-8）此外，土的渗透系数还可通过现场抽水试验来测定。1．现场抽水试验对于粗粒土或成层的土，室内试验时不易取得原状土样，或者土样不能反映天然土层的层次和土粒排列情况。这时，从现场试验得到的渗透系数将比室内试验准确。潜水完整井的现场试验如图7-4所示。如果在时段t从抽水井抽出的水量为Q，同时在距抽水井中心半径为r1及r2处布置观测孔，测得其水头高度分别为h1及h2。假定土中任一半径处的水力坡降为常数，即i=dh/dr，则从公式（7-4）得：现场潜水完整井抽水试验示意图分离变量后得积分后得：由此求得土的渗透系数为：（7-9）或者：（7-10）许多实验研究结果指出，在由粗颗粒组成的土体中，如果水力坡降进一步增大，水在土中的渗透速度与水力坡降之间不再服从达西定律。换句话说，粗粒土中渗透速度增大到一定程度时，达西定律就不再适用（如图7-5所示）。粗粒土的渗透规律粘性土的渗透规律必须指出，由于土中水的渗流不是通过土的整个截面，而仅是通过该截面内土粒间的孔隙。因此，土中孔隙水的实际流速u比前述公式中的渗流速度v要大，他们间的关系为：u=v／n（7-12）式中：n—土的孔隙度。这一点可以通过流量计算容易得到。设土体的孔隙度为n，并设在横截面面积为A的断面上孔隙的截面积为nA，在t时段透过A截面的水流量为Q，则显然有又因为以上两式联