水力学-第十一章渗流

1、第第1111章章 渗渗 流流11.1 11.1 概概 述述 渗流：流体在孔隙介质中的流动称为渗流渗流：流体在孔隙介质中的流动称为渗流 孔隙介质：含有许多孔隙或裂隙的物质称为孔隙孔隙介质：含有许多孔隙或裂隙的物质称为孔隙介质。介质。 地下水运动地下水运动 ： 在地面以下的土壤或岩石中在地面以下的土壤或岩石中 的渗流又称为地下水运动。的渗流又称为地下水运动。 应用领域应用领域水利工程、地质、采矿、石油、环水利工程、地质、采矿、石油、环境保护等境保护等 渗流的研究方向渗流的研究方向: : 基础理论基础理论 拓展与完善拓展与完善 实观分析实观分析 实际监测实际监测 物模实验物模实验 模拟实验和机理实验

2、模拟实验和机理实验 数模计算数模计算 大型软件大型软件 GMSGMS 本章研究恒定渗流的基本规律，并应用这些规律来本章研究恒定渗流的基本规律，并应用这些规律来分析和解决工程中的渗流问题。分析和解决工程中的渗流问题。主要涉及的物理量：主要涉及的物理量： 渗流流量渗流流量 渗流流速渗流流速 压强分布压强分布 浸润线等浸润线等 研究内容研究内容11.1 11.1 概概 述述11.2 11.2 渗流的基本概念渗流的基本概念11.311.3 达西定律达西定律11.4 11.4 恒定无压渗流恒定无压渗流11.7 11.7 渗流的基本微分方程渗流的基本微分方程11.8 11.8 恒定平面渗流的流网解法恒定平

3、面渗流的流网解法- - 有压有压 11.2 11.2 土壤的分类、水的形态和渗流模型土壤的分类、水的形态和渗流模型11.2.111.2.1、土壤的分类、土壤的分类 均质土壤均质土壤：各点处同一方向透水性能相同的土壤为均质土：各点处同一方向透水性能相同的土壤为均质土壤壤 非均质土壤非均质土壤： 各向同性土壤：各向同性土壤：同一点处各个方向透水性能相同同一点处各个方向透水性能相同 各向异性土壤：各向异性土壤：反之反之 层状土壤：层状土壤：若干层透水性能不相同的土壤称为层状土壤若干层透水性能不相同的土壤称为层状土壤 11.2.2 11.2.2、土壤中水的形态、土壤中水的形态 汽态水、附着水、薄膜水、

4、毛管水和重力水汽态水、附着水、薄膜水、毛管水和重力水汽态水：汽态水：以水蒸汽的形式悬浮在土壤孔隙中；以水蒸汽的形式悬浮在土壤孔隙中；附着水附着水: :薄膜水：薄膜水：由于水分子与土壤颗粒分子之由于水分子与土壤颗粒分子之 间的吸引间的吸引 作用而包围在土壤颗粒四周；作用而包围在土壤颗粒四周；毛管水毛管水: : 由于毛细管作用水保持在土壤孔隙中；由于毛细管作用水保持在土壤孔隙中；重力水：重力水：水充满土壤的孔隙，受重力作用而流动水充满土壤的孔隙，受重力作用而流动 本章讨论重力水的流动规律本章讨论重力水的流动规律 重力水的液面看成是渗流的自由液面。重力水的液面看成是渗流的自由液面。 渗流的自由液面称

5、为浸润面，渗流的自由液面称为浸润面， 其表面压强为大气压强。其表面压强为大气压强。 11.2.311.2.3、渗流模型、渗流模型 不计渗流在土壤孔隙中流动途径的迂回曲折不计渗流在土壤孔隙中流动途径的迂回曲折不计土壤占据的空间不计土壤占据的空间必须满足下列条件：必须满足下列条件： （1 1）对于同一过水断面，模型的渗流量等于真实的渗流）对于同一过水断面，模型的渗流量等于真实的渗流量；量； （2 2）作用于模型中某一作用面上的渗流压力等于真实的渗）作用于模型中某一作用面上的渗流压力等于真实的渗流压力；流压力； （3 3）模型中任意体积内所受的阻力等于同体积内真实渗）模型中任意体积内所受的阻力等于同

6、体积内真实渗流的阻力，也就是说两者水头损失相等流的阻力，也就是说两者水头损失相等 模型的平均流速为模型的平均流速为 实际渗流平均流速为实际渗流平均流速为（发生在孔隙面积上（发生在孔隙面积上) ) 孔隙率孔隙率 渗流模型中的流速与真实渗流的流速是不相等的。渗流模型中的流速与真实渗流的流速是不相等的。AQvAQvAAnvnv 渗流的特点：渗流的特点： （1 1）连续介质运动的概念均可直接应用于渗流。）连续介质运动的概念均可直接应用于渗流。渗流可分为：渗流可分为： 恒定渗流与非恒定渗流；恒定渗流与非恒定渗流； 均匀渗流与非均匀渗流；均匀渗流与非均匀渗流； 渐变渗流与急变渗流；渐变渗流与急变渗流； 无

7、压渗流与有压渗流等。无压渗流与有压渗流等。 （2 2） 不计渗流的动能不计渗流的动能 渗流的总水头线与测管水头线渗流的总水头线与测管水头线( (或浸润线或浸润线) )重合重合HgpzEEP 11113 3 达西定律达西定律(H(HDarcy)Darcy)渗流水头损失与渗流流速、流量之间的关系式渗流水头损失与渗流流速、流量之间的关系式11.3.1 11.3.1 达西定律达西定律实验表明，对不同直径的实验表明，对不同直径的圆筒和不同类型的土壤圆筒和不同类型的土壤引入比例系数引入比例系数k klhAQwlhkAQwHHHgpzgpzhw212211)()( 达西定律的不同形式达西定律的不同形式达西定

8、律的推广：任意点速度达西定律的推广：任意点速度u u 代替断面平均流速代替断面平均流速v vkJukJvkAJlhkAQwdsdHkudsdHkvdsdHkAQ 11.3.211.3.2、达西定律的适用范围、达西定律的适用范围 渗流也有层流和紊流之分。渗流也有层流和紊流之分。只适用于层流只适用于层流 达西实验条件：达西实验条件：均匀砂土、均匀渗流均匀砂土、均匀渗流 可推广应用于其他土壤可推广应用于其他土壤 达西定律的适用范围达西定律的适用范围101Re10vd 11.2.311.2.3 渗流系数及其确定方法渗流系数及其确定方法 渗流系数渗流系数k k是综合反映土壤透水能力大小的系数，与土壤是综

9、合反映土壤透水能力大小的系数，与土壤及液体的性质有关，确定方法有：及液体的性质有关，确定方法有： （1 1）实验室测定法实验室测定法：在天然土壤中取土样，用达西实验装：在天然土壤中取土样，用达西实验装置测；置测； （2 2）现场测定法现场测定法：现场钻井或挖试坑，注水或抽水，测：现场钻井或挖试坑，注水或抽水，测得流量及水头，应用有关公式计算渗流系数值。得流量及水头，应用有关公式计算渗流系数值。 （3 3）经验公式图表法经验公式图表法：根据经验公式或图表来估算渗流：根据经验公式或图表来估算渗流系数系数k k值。值。 例例 为探寻地下水源，钻两孔，间距为为探寻地下水源，钻两孔，间距为200200米

10、，两孔均贯穿米，两孔均贯穿厚为厚为1515米的含水层，见图今测得沙层渗流米的含水层，见图今测得沙层渗流系数系数k k0.000052m/s 0.000052m/s ，钻孔的地下水为，钻孔的地下水为64.2m64.2m钻孔钻孔2 2的地下水为的地下水为63.63.m m试计算此砂层的单宽渗流量试计算此砂层的单宽渗流量解：解：为砂层宽度，故单宽渗流量为为砂层宽度，故单宽渗流量为MBAsHHkAQ21smsHHkMBQq/00003125. 022111114 4 恒定无压渗流恒定无压渗流 11.4.111.4.1、恒定无压均匀渗流、恒定无压均匀渗流11.4.211.4.2、恒定无压渐变渗流、恒定无

11、压渐变渗流11.4.311.4.3、恒定无压渐变渗流的微分方程、恒定无压渐变渗流的微分方程 00000dsdzidsdHJdsdhdsdzdsdHhzH其中0)11 (hhidsdhdhdhhhhh000)11 ()11 (0idsdhidsdhdshidddshiddshiddshid00001)111()1(11 例：解：)(3 . 21lg1201020hhilhhhhh115 井的渗流 普通井 承压井 11.7 11.7 渗流的基本微分方程，渗流速度势函数渗流的基本微分方程，渗流速度势函数1 渗流连续方程渗流连续方程2渗流的运动方程渗流的运动方程 阻力阻力 运动方程运动方程, 0zuyuxuzyxzzyyxxukgfukgfukgfzHkuyHkuxHkuzyxdsdHkkJvu3渗流的流速势函数渗流的流速势函数 zzkHukHyykHuxxkHuzyx)()()( 4边界条件边界条件透水边界透水边界:水流渗入渗出的边界。水流渗入渗出的边界。 透水边界上水头相等透水边界上水头相等,是一条等势线是一条等势线不透水边界不透水边界:地基的不透水层或不透水建筑物的轮廓。地基的不透水层或不透水建筑物的轮廓。浸润面浸润面: 渗流的自由液面渗流的自由液面逸出段逸出段: 浸润线高出下游水位浸润线高出下游水位,形成逸出段。形成逸出段。5渗流问题解决方法概述渗