《工程流体力学》渗流

工程流体力学,第九章,渗流,第9章渗流,9.1渗流基本定律,9.2地下水的均匀流和非均匀流,9.3集水廊道和井,第9章渗流(3学时）,一、本章学习要点:,渗流的基本概念,达西渗流定律,集水廊道和井的产水量计算,第九章渗流,一、渗流的定义,二、基本概念,2.地下水存在的状态,气态水、附着水、薄膜水、毛细水、重力水等渗流研究对象：重力水在多孔介质中的运动规律。,三、渗流在工程中的应用,1.土壤的水力特性透水性、容水度、持水度、给水度,基坑降水,江河和城市防洪工程,边坡的稳定性计算,地下工程防水设计,桥梁挖孔桩施工降水设计,9-1渗流基本定律,一、渗流模型,假设渗流是充满于整个孔隙介质区域的连续水流，包括土壤颗粒所占据的空间在内，均由水流所充满。,把实际上并不充满全部空间的液体运动，看作是连续空间内的连续介质运动。,上述着眼于多孔介质中渗流主流方向的连续水流，称为渗流模型。其实质在于把实际上并不充满全部空间的液体运动，看作是连续空间内的连续介质运动。在渗流模型中，取过流断面面积为DA，设通过的流量为DQ，则渗流模型的流速为u=DQ/DA其中DA中包含的孔隙面积mDA，则渗流在足够多孔隙中的统计平均流速为u=DQ/mDA由于渗流模型的渗流量与实际渗流的渗流量相等，故有,在渗流模型中，某点的总水头,以渗流模型取代真实渗流，必须遵守以下三个原则：通过渗流模型的流量必须和实际渗流的流量相等，即,对某一确定的作用面，从渗流模型所得出的动水压力，应当与真实渗流的动水压力相等，即,渗流模型的阻力和实际渗流应当相等，也就是说水头损失应当相等，即,达西渗流实验：由实验得,二、达西渗流定律,或,上式即为达西渗流定律。,式中k称为渗流系数，一般k=f（土壤性质、流体性质），由实验确定。,达西定律的适用条件：,达西公式的推广渗流流场中任意点的渗流流速,在某一渗流场中，取一微小流束AB，,则A点的水力坡度为,按达西定律，A点的渗流流速,恒定均匀层流渗流，临界雷诺数Re=110。,定水头法,变水头法,3.现场方法,抽水试验法,灌水试验法,1.经验公式法,三、渗流系数的确定方法,2.实验室方法,例如图所示两水库A、B间为一座山，经地质勘探查明有一透水层，其厚度a=4m，宽度b=500m，长度l=2000m。前段为细沙k1=0.001cm/s，后段为中砂k2=0.01cm/s。A、B水库水位分别为130m、100m。试求由A水库向B水库渗透的流量Q。,9-2地下水的均匀流和非均匀流,一、恒定均匀渗流和非均匀渐变渗流的特性恒定均匀渗流，在整个渗流场中任意点的流速u都相等;渐变流过流断面上各点的渗流流速u相等，并等于断面平均流速v。,恒定非均匀渐变渗流，如图所示，经推导可得渐变流过流断面上各点的测压管坡度,由式u=kJ可知,二、渐变渗流基本微分方程,如图所示的无压渗流，定义其底坡i=-dz/ds，则由裘皮幼公式得,或,上式即为适用于各种底坡条件的渐变渗流基本微分方程。,三、渐变渗流浸润曲线在无压渗流中，重力水自由表面称浸润表面，平面问题中为浸润曲线。将均匀渗流的水深h0称为正常水深，并按底坡的情况分为,由于渗流速度甚小，不存在临界水深。,以i0的顺坡渗流为例进行浸润线的分析：,引入辅助的均匀流有,将其代入渐变渗流基本微分方程得,设渗流区的过流断面是宽度为的宽阔矩形，A=bh，A0=bh0，并令=h/h0，则上式又可写为,上式即为顺坡渗流浸润曲线的微分方程。,1、水流分区顺坡渗流存在正常水深h0，正常水深线N-N将渗流区域分为1、2两区。1区：hh02区：h0；2区的浸润线为水深沿程减小的降水曲线，即dh/dst情况为例,分离变量,上式即为ht时的完全自流井产水量计算公式，式中t为含水层厚度。,思