水力梯度
使水以一定流速流動的驅動力
指沿滲透途徑水頭損失與滲透途徑長度的比值;可以理解為水流通過單位長度滲透途徑為克服摩擦阻力所耗失的機械能;或為克服摩擦力而使水以一定流速流動的驅動力。水力梯度也叫水力坡度是指沿水流方向上單位滲透途徑上的水頭損失。在含水層中沿水流方向每單位距離的水頭下降值。地下水在運動過程中要克服摩擦阻力,不斷消耗機械能,產生水頭損失,沿流線方向水頭損失最大,水頭值下降最快,水頭線永遠是一條下降的曲線。水頭線上某點的曲率即為該點的水力梯度。
水力梯度是指沿水流方向上單位滲透途徑上的水頭損失。地下水在運動過程中要克服摩擦阻力,不斷消耗機械能,產生水頭損失,沿流線方向水頭損失最大,水頭值下降最快,水頭線永遠是一條下降的曲線,水頭線上某點的曲率,即為該點的水力梯度。或者說水力梯度就是沿地下水流方向上單位滲透途徑上的水頭損失。在土力學或水力學中,滲透係數、潛蝕破壞等都與水力梯度有著十分密切的關聯。
滲透係數也稱水力傳導係數,是指飽和多孔介質單位水力梯度時的滲流速度。滲透係數不僅取決於岩石的性質(如粒度成分、顆粒排列、充填狀況、裂隙性質及其發育程度等,而且與滲透液體的物理性質(容重、黏滯性等)有關。滲透係數可以通過數值模擬反演以及室內實驗等方法求得。實驗室測定滲透係數可以通過達西定律等方法進行計算。達西定律也稱線性滲透定律,是研究滲流和介質滲透性與水力梯度之間的數量關係的重要定律。一般說來,根據達西定律,滲透係數與水力梯度之間無相關關係,但從一些實驗研究中發現,水力梯度在一定的條件下對滲透係數是有影響的。當水力梯度較小時,隨著水力梯度的增大,滲透係數逐漸減小;滲透係數的變化速率隨著水力梯度的不同而不斷變化,水力梯度小於0.25時滲透係數的改變較大,當水力梯度大於0.25時滲透係數基本穩定;粗砂介質中水力梯度對滲透係數的影響最大,中砂次之,細砂對滲透係數的影響最小。
潛蝕破壞是指水流在一定水力梯度下產生的較大的動水壓力沖刷、挾走細小顆粒或溶蝕岩土體,使岩土體中的孔隙逐漸增大,甚至形成洞穴,導致岩土體鬆動或破壞,以致產生地表裂縫、塌陷、影響建築工程的穩定。在黃土和岩溶等地區的岩、土層中最易發生潛蝕作用。潛蝕作用有機械潛蝕和化學潛蝕。潛蝕產生的條件主要有兩點:一是有適宜的岩土顆粒組成;二是有足夠的水動力條件。潛蝕作用的結果是導致岩石土體結構鬆動甚至破壞。機械潛蝕和化學潛蝕一般是同時進行的,且二者相互影響,相互促進的。
化學潛蝕是指潛蝕作用的一種。是水流從岩土中溶濾並帶走可溶鹽類,削弱岩石內部聯結,使岩土鬆散的現象。例如,在水庫工程中,庫水作為一種溶液, 在向壩基移動的過程中會產生水與壩基岩石之間、水與帷幕之間、混凝土之間的相互作用,壩基水質特徵的形成是這些作用共同作用的結果,但它可能引起壩基軟弱岩層的化學潛蝕 (包括對帷幕、混凝土的侵蝕)。化學潛蝕常為機械潛蝕創造了流通條件。
機械潛蝕
地下水滲流產生的動水壓力小於土顆粒的有效重度,即滲流水力坡度小於臨界水利坡度,雖然不會發生流砂,但是土中細小顆粒仍有可能穿過粗顆粒之間的孔隙被滲流攜帶而走。時間長了,將在土中形成管狀空洞,使土體結構破壞,強度降低,壓縮性增加,這種現象稱之為機械潛蝕。