【水力学】-水力学总复习题

1、不同液体的粘滞性并不相同，同种液体的粘滞性是个常数。 （×）2、曲面壁上静水总压力的竖直分力等于压力体的液体重量。 （√）3、在非均匀流里，按流线的弯曲程度又分为急变流与渐变流。 （√）4、运动水流的测压管水头线可以沿程上升，也可以沿程下降。 （√）5、明渠过水断面上流速分布不均匀是由于液体粘滞性和边壁阻力造成的。 （√）6、长管的作用水头全部消耗在沿程水头损失上。 （√）7、水跃是明渠流从缓流过渡到急流的一种渐变水力现象。 （×）8、薄壁堰、实用堰和宽顶堰的淹没条件相同。 （×）9当T s

2l时发生的水击为直接水击而T a s

2l为间接水击。 （√）a10、渗流模型中，某断面的渗流流量比该断面实际流量小。1、在连续介质假设的条件小，液体中各种物理量的变化是连续的。2、相对压强可以大于、等于或小于零。3、紊流可以是均匀流，也可以是非均匀流。4、谢才系数C的单位是m5u应比该断面实际渗流的u小。6、均匀缓流只能在缓坡上发生，均匀急流只能在陡坡上发生。

（×）（√）（√）（√）（×）（√）（√）7、公式hf

l v2d2g

既适用于层流，也适用于紊流。

（√）8、串联长管道各管段的水头损失可能相等，也可能不相等。9、其它条件相同时，实用堰的流量系数大于宽顶堰的流量系数。10、局部水头损失系数可以用尼古拉兹的试验图来分析说明其规律。（1）任意受压面上的平均压强等于该受压面形心处的压强。 （F ）2）水流总是从压强大的地方向压强小的地方流动。 （ F ）（3）水力粗糙管道是表示管道的边壁比较粗糙。 （F ）（4）粘滞性是液体产生水头损失的内因。 （ T ）（5）同样条件下直接水击比间接水击更不安全。 （ T ）（6）在正坡非棱柱渠道内可以形成均匀流。 （ F ）（7）矩形断面水力最佳断面的宽深比。 （ T ）（8）断面比能沿流程总是减小的。 （ F ）（9）在流量和渠道断面形式一定的条件下，跃前水深越大，跃后水深也越大（F ）（10）渗流达西定律适用的条件是恒定均匀层流渗流，并且无渗透变形。( T)1、理想液体就是不考虑粘滞性的实际不存在的理想化的液体。 （√）2、图中矩形面板所受静水总压力的作用点与受压面的形心点O重合。(×)3、园管中层流的雷诺数必然大于3000。 ×4、明槽水流的急流和缓流是用Fr判别的，当Fr＞1为急流。 (√)5、水流总是从压强大的地方向压强小的地方流动。 （×）6、水流总是从流速大的地方向流速小的地方流动。 （×）

（√）（√）（ ×）6、达西定律适用于所有的渗流。 （×）7、闸孔出流的流量与闸前水头的1/2次方成正比。 （√）8、渐变流过水断面上各点的测压管水头都相同。 (√)9、粘滞性是引起液流运动能量损失的根本原因。 (√)10、直立平板静水总压力的作用点就是平板的形心。 （×）、层流的沿程水头损失系数仅与雷诺数有关。 √12、陡坡上出现均匀流必为急流，缓坡上出现均匀流必为缓流。 (√)13、在作用水头相同的条件下，孔口的流量系数比等直径的管嘴流量系数大。 (×)14、两条明渠的断面形状、尺寸、糙率和通过的流量完全相等，但底坡不同，因此它们的正常水深不等。 (√)15、直立平板静水总压力的作用点与平板的形心不重合。 （√）16、水力粗糙管道是表示管道的边壁比较粗糙。 ×17、水头损失可以区分为沿程水头损失和局部水头损失。 (√)18、牛顿内摩擦定律适用于所有的液体。 (×)19、静止液体中同一点各方向的静水压强数值相等。 （√）20、明渠过流断面上各点的流速都是相等的。 ×21、缓坡上可以出现均匀的急流。 (√)22、静止水体中,某点的真空压强为50kPa，则该点相对压强为-50kPa。 (√)24、满宁公式只能适用于紊流阻力平方区。 (√)25、水深相同的静止水面一定是等压面。 (√)26、恒定流一定是均匀流，层流也一定是均匀流。 （×）27、紊流光滑区的沿程水头损失系数仅与雷诺数有关。 √28、陡坡上可以出现均匀的缓流。 (×)29、满宁公式只能适用于紊流阻力平方区。 (√)30、当明渠均匀流水深大于临界水深，该水流一定是急流。 (×)31、缓坡上只能出现非均匀流缓流。 （×）32、静水压强的大小与受压面的方位无关。 (√)33、水泵的扬程就是指水泵的提水高度。 (×)34、恒定总流能量方程只适用于整个水流都是渐变流的情况。 （×）35、平坡渠道中不可能发生均匀流。 (√)36、当明渠均匀流水深大于临界水深，该水流一定是急流。 （√）37、水跃只能发生于平底明渠中。 (×)二、单项选择题(填写唯一正确答案的编号)1作用水头相同时，孔口的过流量要比相同直径的管咀过流量 （2）(1)大 ; (2)小 ； (3)相同 ； (4)无法确定。2、根据静水压强的特性，静止液体中同一点各方向的压强 （1）数值相等;(2) 数值不等;(3) 仅水平方向数值相等;(4) 铅直方向数值最大 。3、已知水流的沿程水力摩擦系数只与边界粗糙度有关，可判断该水流属于（4）1 层流区 ； 2 紊流光滑区 ；3 紊流过渡粗糙区 ； 4 紊流粗糙区 。4、液体中某点的绝对压强为100kN/m2，则该点的相对压强为 （2）（1）1kN/m2 （2）2kN/m2（3）5kN/m2 （4）10kN/m25、紊流的断面流速分布规律符合 （1）1对数分布； 2直线分布； 3抛物线分布； 4椭圆分布。6、长管的总水头线与测压管水头线 （1）（1）相重合； （2）相平行，呈直线；（3）相平行，呈阶梯状； （4）以上答案都不对。7、渗流的达西公式只能适用于 （1）恒定均匀层流(2)恒定均匀紊流 (3)恒定均匀流；(4)非恒定流。8、液流的沿程水力摩擦系数与边壁粗糙度和雷诺数都有关，即可判断该液流属（3）1 层流区 ； 2 紊流光滑区 ；3 紊流过渡粗糙区 ； 4 紊流粗糙区 。9、堰流的流量与堰顶水头的2成正比。1 1/2次； 2 3/2次方； 3 2次方； 41次方 。10、hc0hc02，形成远离水跃衔接的条件是（3）(1)ht=hc02 (2)ht>hc02 (3)<hc02 (4)无法确定、按重力相似准则设计模型，若几何比尺为100，则流速比尺为 （2）（1）100； （2）10； （3）20； （4）50。12、液体中某点的绝对压强为108kN/m2，则该点的相对压强为 （4）（1）1kN/m2 （2）2kN/m2 （3）8kN/m2 （4）10kN/m213、静止液体中同一点沿各方向上的压强 （1）(1) 数值相等 ;(2) 数值不等 ; (3) 仅水平方向数值相等 。14、矩形断面明渠水力最佳断面的宽深比等于 （2）1 1 ； 2 2 ； 3 3； 4 4。15、水泵的扬程是指 （2）(1) 水泵提水高度； (2) 水泵提水高度+吸水管的水头损失；(3) 水泵提水高度+吸水管与压水管的水头损失。16、紊流粗糙区的水头损失与流速成 （2）1 一次方关系； 2 二次方关系； 3 1.75～2.0次方关系。17、在平衡液体中，质量力与等压面 （3）（1）重合； （2）平行； （3）正交。18、雷诺数是判别下列哪种流态的重要的无量纲数 31 急流和缓流 ； 2 均匀流和非均匀流 ；3 层流和紊流； 4 恒定流和非恒定流。19、闸孔出流的流量与闸前水头 3成正比1 1次方 ； 2 2次方 ；3 0.5次方 。20、共轭水深是指 (1)(1)水跃的跃前水深与跃后水深 (2)溢流坝下游水流收缩断面水深(3)均匀流水深 （4）临界水深21、图示容器中有两种液体，密度2>1，则、B两测压管中的液面必为 (2)B管高于A管； (2)A管高于B管； (3)AB两管同高。22、紊流的断面流速分布规律符合 （1）2椭圆分布；2椭圆分布；4直线分布。3 抛物线分布 ；23平底棱柱形明渠发生水跃，其水跃函数J(h)与J(h)的关系是 （1）1 21 J(h)=J(h) 2 J(h)>J(h) 3 J(h)<J(h)1 2 1 2 1 224、盛水容器a和b的测压管水面位置如图(b)所示，其底部压强分别为pa和pb。若两容器内水深相等，则pa和pb的关系为 （1）(1) pa >pb (2) pa < pb (3) pa= pb (4)无法确定25、层流断面流速分布规律符合 （3）1 对数分布 ； 2 直线分布 ；3 抛物线分布 ； 4 椭圆分布 。26、佛汝德数Fr是判别下列哪种流态的重要的无量纲数 （1）1 急流和缓流 ； 2 均匀流和非均匀流 ；3 层流和紊流； 4 恒定流和非恒定流。27、紊流中粘滞底层厚度比绝对粗糙高度大得多的壁面称为 （1）（1）光滑面 2过渡粗糙面 （3）粗糙面 （4）以上答案均不对三、填空题(在空格中填写正确答案)1、水力模型的重力相似准则是模型与原型的佛汝德数相同 。2、明渠的断面和流量不变时，水跃的跃前水深越大，则跃后水深越小 。3、底流式消能工的主要形式有降低护坦、修建消能坎、综合式消能池3种形式。4．测量明槽流量的主要工具有_堰 、 量水槽_ 。5、根据管道计算方法的不同，管道可分类为 长管 和 短管 。6、渗流的达西公式是 v=kJ 。7、测量管道流量的主要仪器有文丘里流量计、涡轮流量计。8、 计算明渠均匀流的公式是Q AC Ri。9、根据管道中水击波传播时间与阀门关闭时间的对比关系，水击可分类为（1）直接水击 和（2）间接水击 。10、底流式消力池中产生的水跃，要求是 微淹没 形式的水跃消能率高且稳定。、按重力相似准则设计的模型中，几何比尺为64，则流速比尺为 8 。12、牛顿内摩擦定律适用条件是 牛顿流体，层流运动13、理想液体与实际液体的主要区别是 是否存在液体的拈滞性 14、实际液体在流动时产生水头损失的内因是液体的粘滞性，外因是边界条件的影响。15、水跃是水流从_急_16、三种液体盛有容器中，如图所示的四条水平面，其中为等压面的是B—B1.某流体的运动粘度v=3×10-6m2/s,密度ρ其动力粘度μ为( B )A.3.75×10-9Pa·s B.2.4×10-3Pa·s C.2.4×105Pa·s D.2.4×109Pa·s2.图中相互之间可以列总流伯努利方程的断面是(C)A.1-1断面和2-2断面B.2-2断面和3-3断面C.1-1断面和3-3断面D.3-3断面和4-4断面3.如图所示，孔板上各孔口的大小形状相同，则各孔口的出流量是( B )A.Q>QA

B.Q=QA B

<QBAB

D.不能确定4.并联管道A两管材料直径相同长度 =2B，两管的水头损失关系为(A ) A. =B. =2 C. =1.415.如图所示，水泵的扬程是( D )

D. =4A. B. C. + D. + +6.在已知通过流量Q渠道底坡边坡系数m及粗糙系数n的条件下计算梯形断面渠道尺寸的补充条件及设问不能是(D )A.给定水深h，求底宽b B.给定宽深比β，求水深h与底宽bC.给定最大允许流速［v］ ，求水底h与底宽b D.给定水力坡度J，求水深max

与底宽7.断面单位能量 随水深 的变化规律是( B)存在极大值 B. 存在极小值C. 随 增加而单调增加 D. 随 增加而单调减少8.下列各型水面曲线中，表现为上凸型的水面曲线是( C )A.M3

型 B.C3

型 C.S3

型 D.H型39.根据堰顶厚度与堰上水头的比值，堰可分为(A )A.宽顶堰、实用堰和薄壁堰 B.自由溢流堰、淹没溢流堰和侧收缩堰C.三角堰、梯形堰和矩形堰 D.溢流堰、曲线型实用堰和折线型实用堰10.速度v、长度、运动粘度v的无量纲组合是(D )A. B. C. D.1、在流体力学中，单位质量力是指作用在单位（C）液体上的质量力。A 面积 B体积 C质量 D重量2、关于水流流向问题的正确说法为（D）A水流一定是从高处往低处流 B水流一定是从压强大处向压强小处流C水流一定是从流速大处向流速小处流 D水流一定是从机械能大处向机械能小处流3、流线和迹线一般情况下是不重合的，若两者完全重合，则水流必为 （D）A均匀流 B非均匀流 C非恒定流 D恒定流4、在同一长直等径管道中用不同的液体实验，当流速相同时，其沿程水头损失在（A）相同。A层流区 B紊流光滑管区 C紊流过度区 D紊流粗燥区5、下列各组物理量中，属于同一量纲的是（D）A长度、宽度、动力粘度 B长度、密度运动粘度C密度、重量、速度 D水深、管径、测压管水头6、从作用力角度分析，在下列渠道中能产生均匀流的渠道为（B）A平坡渠道 B正坡渠道 C逆坡渠道 D非棱柱形正坡渠道7、矩形断面渠道最小断面比能Esmin与相应的临界水深h之比Esmin/h=（B）k kA 2.0 B 1.5 C 1.0 D 0.58、一堰顶厚度δ=5H=1.8m，则此堰属于（C。A薄壁堰 B实用堰 C宽顶堰 D三角堰9（B。lA T s a

2lBT Cs a

3l 4lT DT s a s a10、液流为恒定均匀流时，必有（A）为零。A时变加速度 B位变加速度 C水力坡度 D测压管坡度1、静止液体中同一点各方向的压强 （ (1) ）（1）数字相等 （2）数值不相等（3）仅水平方向数值相等 （3）铅直方向数值最大2、可以形成均匀急流的明渠底坡是（ (2) ）（1）缓坡 （2）陡坡（3）平坡 （4）负坡3、宽顶堰流量系数m的最大值为 （ （2） ）（1）0.30 （2）0.385 （3）0.502 （4）0.754、流函数 （(3) ）（1）在等势面上为常数 （2）只有在无旋流中才存在（3）沿流线为常数 （4）表达了速度与压强的关系（1）在水力学中，单位质量力是指（C ）、单位面积液体受到的质量力；b、单位体积液体受到的质量力；、单位质量液体受到的质量力；d、单位重量液体受到的质量力。（2）在平衡液体中，质量力与等压面（D ）、重合； b、平行 、相交； d、正交。（3）液体中某点的绝对压强为100kN/m2，则该点的相对压强为(B)、1kN/m2 b、2kN/m2 、5kN/m2 d、10kN/m2（4）水力学中的一维流动是指（D ）、恒定流动；b、均匀流动；、层流运动；d、运动要素只与一个坐标有关的流动。（5）有压管道的管径d与管流水力半径的比值dB）、8； b、4； 、2； d、1。（6）已知液体流动的沿程水力摩擦系数 与边壁相对粗糙度和雷诺数Re都有关，即可以判断该液体流动属于(C)、层流区； b、紊流光滑区； 、紊流过渡粗糙区； d、紊流粗糙区（7=1000m/H=250，v为(C)0、1.54m b、2.0m c、2.45m d、3.22m（8）在明渠中不可以发生的流动是（ C ）、恒定均匀流； b、恒定非均匀流；、非恒定均匀流； d、非恒定非均匀流。（9）在缓坡明渠中不可以发生的流动是（B 。a、均匀缓流；b、均匀急流；c、非均匀缓流；d、非均匀急流。10）b=1.5mQ=1.5m3/sh0.4m，则该处水流的流态为(B)a、缓流；b、急流；c、临界流；（11）闸孔出流的流量Q与闸前水头的H（ D ）成正比。、1次方 b、2次方 、3/2次方 d、1/2次方（12）渗流研究的对象是（ A ）的运动规律。a、重力水；b、毛细水；c、气态水；d、薄膜水。（13）测量水槽中某点水流流速的仪器有(A)、文丘里计 b、毕托管 、测压管 d、薄壁堰（14）λL=1000.1米，则原型中对应点水深为和流量比尺为(D)1米，λ

Q=1000； b、10米，λ

=100；Qc、1米，λ

=100000；Q

d、10米，λ

=100000。Q11.潜体所受浮力的大小与其所在液体的_密度 成正比。12.恒定流是各空间点上的运动参数都不随_时间 变化的流动。13.圆管流的临界雷诺数Rec

为2300或2000 。14.水由孔口直接流入另一水体中，称为淹没_出流。15.在相同的作用水头作用下，同样口径管嘴的出流量比孔口的出流量 大 。16.渠道中的水深h大于临界水深hc

时，水流流态为_缓流 。17.水跃函数相等的两个不同水深称为共轭水深_18.自由出流宽顶堰堰上水流流态为_急流 。19.达西定律适用于 均匀 渗流。20.具有自由液面的水流模型试验，一般选用_弗劳德 准则设计模型。对 压 强 为100kN/m2 ，对 压 强 为100kN/m2 ，。则 该 点 的不存在液 体 中 某 点 的 绝2kN/m2，真空度为只受重力作用，静止液体中的等压面是水平面。实际液体在流动时产生水头损失的两个主要原因是液体存在粘滞性和边界的影响。

相 对 压 强 为（2）（3）（4）（5）

水流在明渠中的流态为缓流时，其水深h>h，弗汝德数Fr<1。k在流量不变的条件下，水跃的跃前水深越小，则水跃的跃后水深越大。。根据管道水头损失计算方法的不同，管道可以分为短管和短管，。在水击计算中阀门关闭的时间T 水击相长T的水击，称为直接 水击，把TTs r s r的水击称为间接水击。a型水面曲线是发生在陡坡坡上的 缓流流（指急流或缓流）的水面线，这时弗2汝德数Fr沿程减小（指增大、减小或不变）溢流堰的过堰流量与堰顶水头的3/2次方成正比。(12) λL=25vm=o.8m/，v4m/s。m/s。p三、名词解释题(5210分)21.22.23.24.25.临界底坡四、简答题(4520分)26.试述液体静力学的基本方程 及其各项的物理意义。27.如图所示，一倒置U形管，上部为油，其密度ρ 用来测定水管中的A点流速u，若读数△h=200mm，求该点流速μA。

oil A28.如何判别圆管和非圆管有压流中的流态?29.M型水面曲线的变化趋势。2五、计算题(本大题共4小题，每小题10分，共40分)30.如图所示，一矩形平板闸门AB，宽b=2m，与水平面夹角α=30°，其自重G=19.6kN，并铰接于A点。水面通过A点，水深h=2.1m，试求打开闸门的最大铅直拉力T。31.如图所示，文丘里流量计管道直径d=200mm，喉管直径d=100mm，水银差压计读数y=20mm，水1 2银密度ρmQ。32.有一浆砌块石的矩形断面渠道。已知渠道长l=500m,底宽b=3.2m，渠中水深h=1.6m,粗糙系数0n=0.025，通过的流量Q=6m3/s，试求沿程水头损失。33.水塔经图示管道系统供水。已知供水流量Q=0.1m3/s,各段管长l=l=100m,l=50m,l=200m,各段管道1 2 2 3直径d=d=200mm(比阻a=a=9.029s2/m6),d=d=150mm(比阻a=a=41.85s2/m6),1 4 1 4 2 3 2 3试求：(1)各并联管段的流量Q，Q；2 3(2)水塔水面高度H。三、名词解释题(本大题共5小题，每小题2分，共10分)21.相邻流层在发生相对运动时产生内摩擦力的性质叫粘性；或者答粘性是流体阻抗剪切变形速度的特性；或者答粘性是流体的内摩擦特性均可。22.设想过流断面上速度v均匀分布，通过的流量等于实际流量，此速度v定义为该断面的平均流速，即23.紧靠壁面存在一个粘性切应力(或粘性力)起控制作用的薄层。24.水头损失中，沿程水头损失和局部水头损失都占相当比重，两者都不可忽略的管道。25.正常水深等于该流量下临界水深时的渠底坡度。四、简答题(4520分)26.物理意义：z:单位重量液体具有的相对于基准面的重力势能，简称位能。：单位重量液体具有的压强势能，简称压能。Z+:单位重量液体具有的总势能。Z+=C：静止液体中各点单位重量液体具有的总势能相等。27.解：根据元流伯努利方程，如图，有：=(1-0.8)=392Pa=0.885m/s答：A点流速为0.885m/s。28.用临界雷诺数作为流态的判别标准对于管流：若 或2000，流动为层流若R，雷诺数

或2000，流动为紊流，此时，相应的临界雷诺数为575和500或500，流动为层流或500，流动为紊流若特征长度取为当量直径，则 仍为2300或2000。29．水深小于正常水深，但大于临界水深，流动为缓流分子：h<h,J>i,I－J<00分母：h>h,Fr<1,i－Fr2>0c分式：dh/ds<0,M型降水曲线2五、计算题(本大题共4小题，每小题10分，共40分)30．闸门AB上的水压力P= 表示闸门AB的长度。KN作用点D，AD=重力G作用点C，AC= =hT==76.34kN打开闸门的最小铅直拉力为76.34kN31.1-1，2-2断面的总流伯努利方程取 =1，有m将（2）、（3）代入（1），得v=2.295m/s2Q= =0.018m2/s32.R= 0.8mC=A=bh=5.12m20

=38.54m0.5/s= =1.17m/s=0.00115m33.(1)Q+Q=0.1m3/s2 3得 Q=0.033m3/s3Q=0.067m3/s2(2)H== =27.45m1101010K（9）dV V ; K1dp 2、一铅直矩形闸门，如下图所示。已知h1=1.0m，h2=2.0m，门宽b=1.5m，试用解析法及图解法求其静水F的大小。（10）P1）解析法：Fp=Pc•A2）图解法：Fp=b•Ω

p 03m=0.49q=15m3/sht=5.5m，hc0=0.86（1）H（ε=1.0ζs=1.0（2）判别坝下游是否0发生水跃？若发生，指出为何种水跃。(10分)Qsh

mb 2gH320 q2

H ?0h" c0 18

1

?omarinwthhTypes ofHydraulicJum p?c 2

gh3c01．图（a）表示一水闸正在提升闸门放水，图(b)表示一水管正在打开阀门放水，若它们的上游水位均保持不变，问此时的水流是非符合AV=AV11 22

的连续方程？为什么？答：不符合，因连续方程适用条件为：恒定流；而以上两种情况均为非恒定流。3ABl25md0.03，管路1d 1中有两个90弯管 及一个闸板式阀门d

0.5，当两水箱的水位差H为1.0m时，试求管内通 过的流量为若干？解：以B水箱的水面为基准面， 写11和22能量方程：2zp12

v211 z

p2

2v2 h h

z-z H1 2g

2 2g

w w 1 21h

h

l

2

v2f j d 进 弯 阀 出2g从局部水头损失表格中 可得 d72 12 0.131 0.1632 弯

900.131 0.1632 1720.2942 0.5,进 阀

2.06,出

1.01

0.03

250.025

0.520.2942 2.061.0

v22gv0.758m /s通过管道的流量 :QvA0.758

3.140.0254

20.00037 m3/s（1）什么是理想液体？为什么要引入理想液体的概念？答案：理想液体是指没有粘滞性的液体。实际液体都具有粘滞性，在液体流动时会引起能量损失，给分析液体运动带来很大困难。为了简化液体运动的讨论，我们引入了理想液体的概念，忽略液体的粘滞性，分析其运动规律，然后再考虑粘滞性影响进行修正，可以得到实际水流的运动规律，用以解决实际工程问题。这是水力学重要的研究方法。（2答案：这种说法错误的。均匀是相对于空间分布而言，恒定是相对于时间而言。当流量不变通过一变直径管道时，虽然是恒定流，但它不是均匀流。（3）简述尼古拉兹实验中沿程水力摩擦系数λ的变化规律。λReRe过渡区，λ仅是Re的函数；在紊流光滑区λ=f1（R；过渡区λ=f2（R， ；粗糙区λ=f3（ ，紊 R流粗糙区又称为阻力平方区。R（4）为什么舍齐公式 vC用于阻力平方区？答案：舍齐公式是根据明渠均匀流的大量观察资料总结的公式，自然界中明渠水流几乎都处于紊流阻力平方区，因此该公式只适用于紊流阻力平方区。（5）流动相似的含义是什么？答案：流动相似包括几何相似、运动相似和动力相似。其中几何相似是前提，动力相似是保证，才能实现流动相似。（6）从力学意义上解释明渠均匀流只能在正坡渠道中产生的原因。答案：均匀流的断面平均流速水头和压强水头沿程不变，但水流运动总要消耗能量，因此从能量方程来分析，只能消耗位能来克服水流阻力。所以均匀流只能产生在正坡渠道中。（7）分析水面曲线时，如何寻找急流和缓流的控制断面？答案：急流的控制断面在上游，因为外界对急流的干扰不能向上游传播；缓流的控制断面在下游，其原因与急流正好相反。（8）在渗流计算中达西定律与杜比公式有何区别？kJ。第一节钻井液循环水力学一、钻井液循环方式钻井液循环主要有3种方式，即全孔正循环、全孔反循环和孔内局部反循环。全孔正循环时，钻井介质由地面的压力泥浆泵或压风机泵入地面高压胶管，经钻杆柱内孔到井2-1(a)所示。全孔正循环循环系统简单，孔口不需要密封装置，这种循环方式在各种钻探中得到广泛的应用。(a) (b) (c) (d)(a)全孔正循环(b)全孔压注式反循环(c)全孔泵吸式反循环(d)孔底局部反循环图2-1钻孔循环方式示意图2-1(b)]所用的泵类型与全孔正循环相同，但孔口必须密封，才能使钻井介质压入孔内，这就需要专门的孔口装置，它必须保证孔口密封，2-1(c)]全孔反循环和全孔反循环比较，有以下特点和区别：（1）由于反循环钻井液从钻杆柱内孔上返至地表，流经的断面较小，因而上返速度较大，且过流断面规则，有利于在不大的泵量下将大颗粒岩屑携带出孔外，在大口径水井钻进、灌注桩钻进和空气钻进中，为了能较好地携带出岩屑，常采用全孔反循环洗井方式。（2）在固体矿床钻探中采用反循环方式，可将岩心从钻杆中带出地表，用以实现反循环连续取心钻进。（3）全孔反循环的流向与岩心进入岩心管的方向是一致的，可使岩心管内的破碎岩矿心处于悬浮状态，避免了岩矿心自卡和冲刷，从而有利于岩矿心采取率的提高。（4）在相同情况下，反循环所需的泵量比正循环小，因此对井壁的冲刷程度较小；同时，流动阻力损失也较小。（5）钻头旋转使破碎下来的钻碴离心向外，这与正循环在钻头部位的液流方向一致，而与反循环的流向相反。从这一点来看，正循环有利于孔底清碴。（6）压注式反循环所需的孔口装置复杂。（7）正循环和压注式反循环在井内产生的是正的动压力，即循环时井内的压力大于停泵时的静液柱压力；而泵吸式反循环恰恰相反，产生的是负的动压力，即循环时井内的压力小于停泵时的静液柱压力。（）和开式的（非完全的循环，冲洗介质排出地表后即废弃）。闭式循环通常用于液体冲洗介质，而开式循环则大都用于气体介质。孔底局部反循环是正反循环相结合的洗井方式，一般是在孔底钻具以上的绝大部分为正循环，而2-1(a)]。为了避免钻井液对岩心的冲刷，提高岩矿心采取率，此时钻井液由钻杆柱内孔送到孔底，经由喷反接头而二、泵量与循环流速泵量是指单位时间内向井内送入循环液的体积量，它的大小对钻进速度和钻进质量有着明显的1、以钻屑的上返速度达到必需值来确定泵量V1，所以岩屑的绝对上移速度V2V3V1，即：（2-1）V1和所需达到的岩屑绝对上移速度V2，则必需的钻井液的上返速度V3为：（2-2）因此，所需的钻井液泵量Q为：（2-3）AA为环状间隙横截面积；对于反循环A为钻杆内圆横截面积。V2（0.1~0.3）V1V3=(1.1~1.3)V1。现在的问题是如何确定岩屑在静止液体中的沉降速度V1。理论上可以有以下两种方法：1、李丁格尔公式（2-4）式中 ——球形颗粒的直径，m; ——岩屑颗粒的重度，kg/m3; ——液体的重度，kg/m3;系数， ;g——重力加速度，m/s2;颗粒的形状系数，圆球c=0.5；圆片c=0.64~0.82，不规则的或扁平状2、斯托克斯公式

=2.1;（2-5）式中r——球形颗粒的半径; ——颗粒和分散介质的比重; ——分散介质的粘度;比较式（2-4）和式（2-5），前者考虑了颗粒的形状影响，但未考虑介质粘度的影响；而后者则恰好相反，只考虑介质粘度的影响，但未考虑颗粒形状的影响。在实际应用中，应根据具体情况选择公式。上返速度确定之后，所需泵量就是上返流速v与循环液过流断面面积A的乘积。对于正循环，冲携钻屑的过流面积是孔壁与钻杆之间的环状间隙横截面积。因此正循环时所需泵量为：

（2—6）式中：D——钻孔内径，mm；d——钻杆外径，mm。对于反循环，冲携钻屑的过流面积是钻杆内孔横截面积。因此反循环时所需泵量为：（2-7）式中：d1——钻杆内径，mm。、以循环液中钻屑的百分含量不超过一定值来确定泵量也可以换一句话来表述这种方法，即以钻进速度来确定泵量。10%。当钻头尺寸（钻头底唇面积）A和钻进速度v一定时，单位时间内产生的钻屑量q也就确定了。此时，循环液中钻屑的含量W由泵量Q决定：泵量大则钻屑含量少；反之泵量小则钻屑含量多。根据这一原理，若已知允许的最大钻屑含量W，则可建立泵量的计算公式：（2-8）（2-9）、循环阻力损失钻井液在循环流动过程中，流经地面管路、钻杆、孔底钻具、钻头和环状间隙时，形成一定的掌握钻井液循环阻力损失是一项十分有意义的技术工作。一方面为选择泥浆泵提供所需能力的指标；另一方面为测算井内压力及变化情况提供科学依据。钻井液循环时的压力损失由以下因素决定：（1）循环通道的长度，主要取决于钻孔的深度。钻孔越深，压力损失越大。（2）循环液的流变性。循环液的粘性越大，压力损失越大。（3）泵量或流速的大小。泵量或流速越大，压力损失越大。（4）过流断面的截面积。钻井口径越大（钻杆直径不变），压力损失越小。钻井液循环阻力损失可由下式表示：（2-10）式中：P1、P2、P3P4分别为流体流经地面管路、钻杆、孔底钻具和环状间隙时的阻力损失。当循环泵量和循环液流变性不变时，流经地面管路和孔底钻具的阻力损失P1、P3基本不变。而流经钻杆和环状间隙的阻力损失P2和P4则是随井深的增加而呈线性增加的。当井深增加到一定深度以后，P2和P4占了总阻力损失的绝大部分。第二节岩土性质岩土性质的内容较为广泛，纵观不同工程领域对岩土性质的描述，大体可以分为两大类型：一种一 、岩土的分类岩土分类方法很多，从工程角度出发，其分类的目的在于使工程人员掌握其主要力学性能。总的分类按岩石类、碎石土类、砂土类、粉土类、粘性土类等五项划分。（130MPa以上者为硬质岩石，如花岗岩、闪长岩、玄武岩、石灰岩等。小于30MPa的岩石称软质岩石，如粘土岩、页岩、云母片岩等。岩石的颗粒间联结牢固，呈整体或有节理裂隙，按风化程度可分为微风化、中等风化和强风化。岩质新鲜的称微风化，定名时标在母岩之前，如微风化花岗岩。岩体被节理，裂隙分割成块状(20～50cm2～20cm碎块，用手可以折断时称为强风化。（22-1。土的名称颗粒形状土的名称颗粒形状粒组含量漂石块石圆形及亚圆形棱角形粒径大于200mm的颗粒含量超过60%卵石碎石 圆形及亚圆形棱角形粒径大于20mm的颗粒含量超过50%圆砾角砾 圆形及亚圆形棱角形粒径大于2mm的颗粒含量超过50%全部由中砂、粗砂充填可称为石等。

注：1.定名时按粒径由大到小先符合者确定。2.当碎石土孔隙砂卵石。由粘性土充填并有粘结性能可称为土结砾（32mm25～50%0.5mm50%0.25mm的颗粒占全重50%0.075mm85%0.075mm50%。（4）粉土类为介于粉砂及粘性土之间，粉粒含量超过50%的土类，其塑性指数小于10。其中15%（5）Ip>10Ip>1710≤Ip≤17时，称为粉质粘土。粘性土的重要属性是随着Ip值的增加，内摩擦角减少，而粘聚力值逐渐增加并成为其主要强度指标。渗透性则随Ip增加而降低，直至不透水。二、土的物理和水理性质土是由下列三种成份组成的复杂体：①作为土体骨架的矿物质颗粒，它是固体相；②填充土体骨架之间的水分，它属于液体相；③空气。为了反映土的物理特征，如孔隙比、干容重、相对密实度、饱和度等，需首先测定三个基本指标：（1）土颗粒的比重即土中矿物的相对密度，以ds表示。可通过比重瓶法测出，它是测定土骨架颗粒体积所不可缺少的数据，一般采取2.65。（2）γg/cm3t/m3。当容重作为荷载时，称土的重度，单位为kN/m3，由容重换为重度时应乘以加速度g。（3）含水量(ω)土体内孔隙中水的质量与土骨架质量的比，以百分率表示。土的物理特征可大体分为两类：①用来反映土的密实度，如干密度(俗称干容重)、孔隙比等 ②用来反映水与土粒相互关系，如饱和度、液限、塑限、塑性指数、液性指数等。第一类干密度：土体每单位容积内土粒骨架的质量又称干容重，该值可通过下式求得：3)。

（2-11）式中：ρ d——土的干密度g/cm3(或t/m3)；ρ w——水的密度为1g/cm3(或t/m干密度通常在施工中用以检查填土的质量，干密度愈大，压实质量愈好，承载力愈高。但在实际工程中，土粒成分不同，压实的效果也不相同，级配较好的土夹石，干密度可达到1.9g/cm3t/m3)以上，而粘土只能达到1.55g/cm3。孔隙比指土体孔隙与土体骨架所占体积之比，用e表示。知道干密度后就可求出孔隙比。通过下式求得（2-12）如图22l+e，其中孔隙体积为e1。②第二类饱和度(Sτ )土孔隙中水的体积与孔隙体积之比，当Sτ =1时称为饱和。（2-13）根据土的饱和度，可将土分为①干的，0<Sτ ≤0.5；②湿的，0.5<Sτ ≤0.8；③饱和的，0.8<Sτ ≤1.0。塑限和液限是两个反映粘性土在不同含水量时表现出的物理力学特征的特征含水量。塑限(ωp)从固体状态转变到塑性状态的界限含水量。可用手搓条法进行鉴定，即将土在手中搓条，如土条直径在3mm时出现断裂，这时的含水量即为塑限含水量。ωL76g圆锥自土表面落下，15秒钟内沉入量为10mm时土的含水量，即液限。塑性指数(Ip)其表达式为：（2-14）塑性指数与粘粒含量关系密切。粘粒含量在30％左右时，塑性指数在17左右，所以一般采用塑性指数划分粘性土。液性指数(IL)用来描述粘性土的状态。（2-15）从式(2-15)0<IL0.250.25<IL≤0.750.75<IL≤1.0IL>1.0IL愈小，其承载力愈高，变形愈小。塑限、液限，塑性指数均为试验指标，对每个土样，该值都是不变的。液性指标则随土的含水量而改变。粘粒含量愈高，塑性指数也愈大。三、岩石的物理性质2-2、2-3)岩石的密度常以容重来衡量。岩石的容重ρ是岩样的质量G与其总体积V之比.（2-16）岩石的比重 是岩样的质量与纯体积V1之比：（2-17）岩石的孔隙度η是岩石中孔隙的体积与V0岩石总体积V之比：（2-18）表2-2几种岩石密度表岩石密度(103kg/m3)岩石103kg/m3辉石2.7～3.7泥质岩2.0～2.5橄榄石2.2～3.4粉砂岩2.O～2.4花岗岩2.5～2.75砂岩2.1～2.65石英岩2.5～3.6灰岩2.3～2.9片岩和角闪岩石膏2.5～3.72.3～2.5岩盐1.95～2.20一般来说，岩石的密度愈大，它的强度也愈大；孔隙度愈大，则密度愈小，强度愈小。．岩石的含水性和透水性由于岩石有孔隙存在，地表水、地下水便会渗入岩体，从而使岩层含水。岩石的含水性一般用含水度表示，即岩石孔隙中的水的体积和岩石体积之比。可以认为，岩石的含水性与岩石的孔隙度成正比例关系。表2-3几种岩石孔隙度表岩石孔隙度(％) 孔隙度(％)花岗岩1.2砂岩3～30辉绿岩和辉长岩1.0砂层30～50石英岩0.8泥质页岩4碳酸盐岩1.5～2.2粘土45岩石的透水性以单位时间内通过岩石的水量表示。一般认为，岩石的孔隙度愈大，透水性愈高，岩石的强度和稳定性愈低。．岩石的完整度表(2-4)岩石的完整度由岩石的结构和节理等来描述。它对钻进指标和钻探质量有直接的影响。(1)岩石结构(2)岩石的节理岩石的节理对岩石的强度、稳定性和可钻性产生显著的影响。岩石的节理等级依据下述三个指标进行确定：岩心的成块率Ky(块/m)，岩心采取率Dk(%)，岩石节理指标W(个/r)（2-19）式中: ——岩心直径，m； ——岩石节理平面与钻孔轴线夹角，°； ——考虑岩石第二次破碎程度的经验系数计算时可取0.70； ——岩心成块率(由从孔内取出的岩心来确定)。表2-4岩石节理裂隙等级标准表岩石节理岩石节理裂隙分类岩石节理裂隙程度岩石节理裂隙性估算值Ⅰ完整的Ⅱ弱裂隙性的Ⅲ裂隙性的Ⅳ强裂隙性的Ⅴ完全破碎的成块率(块/m)l～56～1011～3031～50≥51节理裂隙指标≤0.50.5～1.01.01～2.02.01～3.0≥3.01()100～7090～6080～5070～4060～30或更少岩石的裂隙会导致钻进效率、采心率和钻头寿命的降低，造成冲洗液漏失和孔壁坍塌等复杂情况。（2-20）式中 ——裂隙性指数； ——裂隙倾角； ——岩心柱状体平均长度(岩心柱状体总长与块数之比)选择钻进方法、碎岩工具型式、钻进参数等，应以岩石的可钻性和岩石节理、裂隙为依据。．岩石的稳定性（表2-5）级稳定性稳定性程度级稳定性稳定性程度别 程度Ⅰ极不稳定的颗粒间无联系力的松散岩石(砂、砾石、卵石)可变稳颗粒间联系力复杂，水饱和则消失，致密的，强度不高，溶于冲洗液或易冲蚀的岩石(泥质Ⅱ定性的岩石、岩盐)。钻进这类岩石会产生超径、缩径、卡钻和保存岩心困难弱稳定颗粒间有足够联系力(坚固但破碎)，联系强度不足的角砾岩化岩石(砾岩或角砾胶结的Ⅲ性的 弱砂岩、片岩及煤)。钻进中发生漏失，部分裂隙岩石塌落，岩心磨损和冲蚀(角砾化岩石中中)颗粒间联系力强，硬度高及中等，均一的或弱裂隙的，不冲蚀的岩石(花岗岩、闪长岩、玢Ⅳ稳定的岩、玄武岩、石英岩、砂岩等)。四、岩石的力学性质岩石的强度岩石抵抗机械破坏的能力称为岩石的强度。根据外载荷作用性质不同，岩石有抗拉，抗压、抗剪和抗弯强度。几种岩石的强度极限如表2-6所示。岩石抗压岩石抗压(Mpa)抗拉抗弯砂岩：粗粒的1425.11410.3中粒的1515.2013.10细粒的1857.9524.90砂质泥质页岩183.203.50含有石膏的灰岩422.406.50泥质页岩14～611.7～8.04.0～36.0石膏171.906.O灰岩90～12012.012.0闪石170～180.89.O～12.O—石英岩290～30010.8～15.O15.0～20.7大理岩60～1906.O～16.O24.O～31.O白云质粉砂岩35～1503.O～10.023.O煤20～501.5～2.59.O玄武岩30～40—17.5～46.0花岗岩100～25010.0～15.O10.O～30.0岩石单向抗压强度σb等于岩样在单轴向受力条件下整体性破坏时的总压力P与岩样横截面积S之比值。（2-21）岩样一般采用5³5³5cm或 25³25mm试样，岩样高度与直径比在1～2之间变化，抗压强度值变化12%左右；采用0.9～1.1比值时，强度变化最小。若采用其他比值时，依下式计算：（2-22）式中：σ b2——d2直径下岩样的单向抗压强度，Pa；σ b1——d1直径下岩样的单向抗压强度，Pa。岩石的抗压强度通常是随着对岩样的加载速率的增加而增加。加载速率一般取0.5～1.0MPa/s。岩石的硬度岩石抵抗其他物体压入的能力称为岩石的硬度。衡量硬度的单位通常采用MPa。通常常采用压入硬度和摆球硬度来衡量岩石的软硬程度。用岩石的硬度比用岩石的强度更能反映孔底岩石破碎的难易程度。矿物名称矿物名称莫氏硬度HM显微硬度Hμ洛氏HR维氏HV诺氏HL赫兹 压入 肖氏硬度 硬度 硬度HZ HE HS金刚石10—100000————滑石1—25—50506岩盐——200————石膏22223603301402058方解石381811001350920117033硬石膏——22001700———白云石——32501630———萤石4150018903600～49301100160037磷灰石5266053604900～56002370241040长石64150795074502530293079燧石——9250～100007100～9020———石英7—11200125003080483086黄玉858401430017000～220005250502089刚玉9—2060080000～8500011500710088岩石的硬度部分岩石的压入硬度和摆球硬度值见表2-14。岩石的研磨性2-8。表2-8研磨法所得岩石研磨性分类表研磨研磨性分类研磨指标(mg)代表性岩石灰岩、大理岩、白云岩、纯橄榄岩、页岩、磷灰岩、石膏、泥质粉砂岩、磁铁矿、泥质弱研5～20 岩、硅化菱镁岩、辉绿岩、角岩、脉石英、含铁石英岩、碧玉铁质岩、硅化灰岩、粉砂磨性岩、细粒硅质砂岩中等 细粒石英长石砂岩、千枚岩、凝灰岩、细粒火成岩、致密石英岩、矽卡岩、云英岩、辉研磨20～65长岩、闪长岩、中粒长石砂岩、粗粒石英岩、片麻岩、花岗岩、煌斑岩、玢岩、二云母性 片岩、霞石正长岩、片麻岩、片理化矽卡岩强研65～90磨性(以上) 风化粗粒砂岩岩石的抗压强度和压入硬度对研磨性的影响，其关系见图2-4。岩石的研磨性与岩石的摩擦系数有关。部分岩石的摩擦系数见表2-9。表2-9几种岩石的摩擦系数表岩石名称摩擦系数岩石名称摩擦系数铁质石英岩O.35～0.45石灰岩0.25～0.35花岗岩O.30～0.40泥灰岩O.20～O.30石英质砂岩0.35～O.50粘土0.11～O.29图2-4研磨性指标与1-抗压强度;2-压入硬度的关系岩石摩擦系数还受两个摩擦物间介质的影响(表2-10)。岩石表面状况岩石名称岩石表面状况岩石名称干燥水湿润泥浆湿润泥质页岩0.20～0.250.15～O.200.11～O.13石灰岩0.35～O.400.33～O.380.3l～O.35白云岩0.38～O.420.36～0.48O.34～O.38弱胶结尖角颗粒砂岩O.32～0.420.27～0.40.0.25～O.35弱胶结圆角颗粒砂岩0.22～O.340.20～O.30O.17～O.25硬质砂岩0.43～O.48O.43～O.450.40～O.43石英岩0.46～O.48O.48～0.50O.42～O.44花岗岩O.47～0.550.46～0.53O.45～0.52无水石膏-0.39～O.450.37～O.40采用乳状润滑液可大大降低摩擦系数和破岩工具的磨损。动摩擦系数在研究范围内，即相对速度为1～3m/s100～900N岩石的塑性和脆性在外力作用下，岩石只改变其形状和大小而不破坏自身的连续性，称为岩石的塑性。而在外力作用下，直至破碎并无明显的形状改变，称为岩石的脆性。根据岩石的这些性质，将岩石分为脆性岩石、塑脆性岩石和塑性岩石。利用岩石的应力应变曲线(图2-5)可计算出岩石的塑性系数K。（2-23）式中： ——变形总能量，以OADE正面积表示； ——弹性变形总能量，以OBC面积表示。（a）脆性岩石；（b）塑脆性岩石；（c）塑性岩石图2-5岩石的应力应变曲线岩石的塑脆性主要以K值为依据确定(见表2-17)。表2-11常见岩石的塑性系数表岩石类型岩石类型K值1岩石脆性石英岩塑脆性塑性2～5>6花岗岩、细砂岩、砂岩、重晶石、硬石膏石灰岩、白云岩，粉砂岩岩石的弹性当外力作用于岩石时，岩石产生变形，外力撤除后，变形随之消失，岩石又恢复原来的形状和体积，这种性质称为弹性。造岩矿物的弹性模数E从本质上影响着岩石的弹性模数。造岩矿物的E值越高，则岩石的E值也高（表2-12）。矿物名称E(10矿物名称E(103MPa)岩石名称E(103MPa)刚玉520花岗岩≥60黄玉300玄武岩≥97长石78～100石灰岩≥85方解石≥80石英岩≥100石膏58～90砂岩≥50岩盐12～15≥40泥质页岩粘土15～250～3泊松比是岩石弹性的又一指标，它是纵向形变和横向形变之比(见表2-13)。表2-13几种岩石的泊松比值表岩石岩石岩石岩石岩石塑性岩石O.38～O.45泥质页岩O.10～O.25致密泥岩O.25～O.35花岗岩0.26～0.29石灰岩O.28～0.33岩盐0.44砂岩0.30～0.35五、岩石的可钻性、概念岩石的可钻性是指钻进过程中岩石抵抗破碎的能力，它表示岩石破碎的难易程度。岩石可钻性是岩石在钻进过程中显示出来的综合指标，它取决于岩性和钻进工艺技术等因素。、金刚石岩心钻探的岩石可钻性分级地质矿产部于1984年颁布了适用于金刚石岩心钻探的岩石可钻性分级标准(见表2-14)。表2-20中岩石的压入硬度、摆球硬度不在同一区间时，可依下式确定岩石级别：（2-24）式中：

——岩石可钻性等级； ——压入硬度值，MPa； ——标准岩样的摆球弹次，次

塑性系数以下式计算：

（2-25）式中:——摆球的第一次回弹角度。表2-14岩石可钻性分级标准表岩岩石级别岩石物理力学性质压入硬度(MPa)摆球硬度钻进时效指标统计时效(m/h)代表性岩石举例弹次塑性系数金刚石硬质合金钢粒Ⅰ～Ⅳ<1000<30 >0.37>3.90煌斑岩。Ⅴ900～190028～0.33～35O.392.9～2.53.6白色大理岩、石英闪长玢岩、黑色片岩、透辉石大理岩、大理岩Ⅵ1750～34～O.29～2.30～275042O.323.10黑色角闪斜长片麻岩、白云斜长片麻岩、石英白云石2. 1. 大理岩、黑云母大理岩、白云岩、蚀变角闪闪长岩、00 50 角闪变粒岩、角闪岩、黑云母石英片岩、角岩、透辉石榴石矽卡岩、黑云母白云石大理岩Ⅶ2600～360040～0.27～1.90～48O.322.60白云斜长片麻岩、石英白云石大理岩、透辉石化闪长1.4 1.35白云石大理岩、蚀变石英闪长玢岩、石英闪长玢岩、黑云母石英片岩ⅧⅧ3400～440046～0.23～1.50～54O.290. 1.80 202.10花岗岩、矽卡岩化闪长玢岩、柘榴子矽卡岩、石英闪长斑岩、石英角闪岩、黑云母斜长角闪岩、混合伟晶岩、黑云母花岗岩、斜长闪长岩、斜长角闪岩、混合片麻岩、凝灰岩、混合浅粒岩4200～520052～0.20～1.101～1.斜长闪长岩、钾长伟晶岩、橄榄岩、斜长混合岩、闪Ⅸ600.2670—00长玢岩、石英闪长玢岩、似斑状花岗岩、斑状花岗闪长岩Ⅹ5000～610059～0.17～680.24硅化大理岩、矽卡岩、混合斜长片麻岩、钠长斑岩、0.0～ 钾长伟晶岩、斜长角闪岩、鞍ft质熔岩、长英质混合— O.751.20 岩化角闪岩、斜长岩、花岗岩、石英岩、硅质凝灰砂砾岩、英安质角砾熔岩Ⅺ6000～720067～0.15～0.50～O.5075O.22O.95—凝灰岩、熔凝灰岩、石英角岩、英安岩Ⅻ>7000 >70石英角岩、玉髓、熔凝灰岩、纯石英岩第三节岩土渗流问题岩土的渗透性，是指在水压和地层压力作用下，水穿透空隙介质的能力。在钻井工程和岩土工程施工中，要合理地选择和使用浆液，岩土渗流是一个值得重视的问题。例如，在钻井时，若地层的渗透性很强，则钻井液的漏失将会相当严重，这样，必须采取相应的措施去预防钻井液的漏失。又如，在控制井壁和槽壁的稳定等问题时，地层渗透性的不同，对最后采取不同的护壁堵漏方案有着重要的影响。在工程注浆中，渗透性强和渗透性弱的地层，得到的是完全不同的注浆效果。一、均质性与非均质性和各向同性与各向异性二、达西实验定律——均质液体渗流方程、达西实验法国工程师H.Darcy(达西)，在1856年发表了他的水通过直立均质砂粒渗滤管的实验结果。（1）．实验装置图2-7是达西所采用的实验装置。装置中有一个约lm长的装有疏松砂粒的圆铁筒——渗滤管。管的两端紧挨着砂柱面有一层高渗透性的铁丝网。圆铁筒上、下边界处连接有开口的测压管，测量水流通过渗滤管进出口的水压头高度。水柱高分别由水箱中水容积所控制。图2-6达西实验装置（２）．实验条件（1）渗滤液体为水，且在实验室整个渗滤过程中水是均质、不可压缩和粘度保持常数；（2）渗滤管中填充非胶结极细砂粒，长度为L；（3）渗滤管上下两端测压管水柱差Δ h维持常数，Δ h/L的数值不大，且变化范围不大。（３）．实验方式保持圆铁筒总是垂直状态下，单独或同时改变h1、h2或L,并测量Δ h/L和v的关系。．实验结果（2-26）vcm/sQcm3/s；h1,h2——从某个基准面起算测量的相应于渗滤管顶端和底界面的测压管液柱，cm；(h1-h2)/L——水力梯度，通常用J或i符号表示，cm/cm；式(2-26)就是达西实验公式——均质液体渗流方程。渗流系数是在实验室常温下，渗流液体为水通过,既定的砂粒渗滤管过程中，渗流速度与水力梯度间关系的比例系数（2-27）式中，K-比例系数、水力传导系数、渗流系数。v与Δh/L间的关系如图2-7所示。图2-7v-Δ h/L关系vΔh/LvΔh/L关系是一条直线，故称达西实验公式为直线渗流定律；②该直线通过坐标的原点。三、渗透率、问题的提出KKf(多孔介质特性²渗流液体性质)来自这两方面的影响因素有流体粘度、流体密度和岩石颗粒堆积所决定的多孔介质结构特征等等。如何考虑这些因素的影响呢?许多学者和实践者对此进行了长期的研究。公认的研究结果是，通过引入岩层性质特征系数——渗透率而将其与受液体性质的影响区分开来。．从数学解析研究法与实验室试验法的综合中引出渗透率在众多研究者所假设的理想条件的研究中，大多采用等直径圆柱状孔道（图2-8）来代替结构复杂的多孔介质实际孔道，然后将研究结果转换到实际多孔体。按这种多孔介质模型，由数学上的解析方法所得的结果表达式，虽随研究者而有所不同，归纳其相同点得出移项（2-28）式中： ——与孔隙度( )和孔隙空间结构特性( )各不相同的数值，但总体上可以看作是一个无量纲的系数；等方法确定。 ――液体粘度；

——岩石颗粒有效直径。它可按平均直径法或平均颗粒重量法――液体重度．图2-8等直径圆柱状孔道式(2-28)表明，渗流速度与①②③单位长度上的压降 或压降梯度 成线性关系；与②颗粒有效直径和 成正比例关系；与③液体粘度成反比关系。将数学解析研究法所得来的综合方式表示的渗流速度与达西通过实验所确定的渗流速度相恒等得 （2-29）令（2-30）称为渗透系数，或者渗透率。K的假设中可知，它仅仅是一个依于多孔介质性质而变的系数。渗透率的含义是多孔介质允许流体通过本体的潜在性质。这种潜在性质是一种渗流力学上的特性，只有当流体在其中流动时才会表现出来。所以，多孔介质的渗透率是度量多孔介质流通能力的特征系数，或者说是指标。这样或者（2-31）式中：．渗透率的量纲与单位

——运动粘度，量纲积为 。（１）．渗透率具有面积量纲从 关系式来看， 是无量量纲渗透率的量纲决定于的量纲。从 关系式来看∵ ，∴（２）．渗透率单位将渗透率K引入原始达西公式中，得

（2-32）此而来。Pa²s．

显然，这是达西的等效公式，但通常仍统称为达西公式。相对于此式，原始达西公式名称就由式中各参数的单位是：K，m2；Q，m3/s；A，m2;L，m;△P，Pa;μ ，这就是流动测试渗透率的方程这是因为水汇沉积系统环境中所发生的地质作用都是在流体势条件下进行的，故用液体渗流方程反演地质多孔介质的物理属性，较之其它方法早有独特的精确性且方便。渗透率K单位采用m2。这是按法定计量单位(SI制)制定的。1m2多孔介质渗透率的物理含义是，当粘度为1Pa²s1Pa情况下，渗流通过面积为1m2lm的多孔介质的体积流量为1m3/s时，以这样的多孔介质的渗透性能定为1m2的渗透率单位，或者说，这样的多孔介质的渗透率等于1m2。实践中发现，以m2为渗透率的度量单位太大，即以m2为单位的渗透率在数值上太小，一般采用μ m2作为渗透率的实用单位。同样，压力以Pa为度量单位，压力的数值太大，一般用MPa。这样：Q:cm3/s；A:cm2；L:cm；Δ P:MPa；μ :mPa²s；K:μ m2。当K单位用10-3μ m2时

（2-33）（2-33a）四、渗流的基本类型．直线渗流所谓直线渗流型是指这样一种流体流动方式，在流体流动过程中所有的流线是彼此平行的直线，且垂直于流动方向的每个截面上各点的渗流速度是相等的，而渗流速度是一维的，如图2-9a所示。按直线方式渗流的每条流线的运动规律是完全一样的。所以，只就其中任意一条流线的流动规律的研究就可知全体流线运动的特征。A点的渗流速度的变化将立即沿流线传递到另一点BAB两点的渗流速度仍然保持相同的数值差。图2-9几种直线流(a)-直线流；(b)-三面封闭边界；(c)-二面封闭边界；(d)-注水井A与生产井B并排．平面径向渗流所示。流体平面径向渗流过程中，渗流速度和压力是以汇集点为圆心的圆周半径的函数。流体愈流向井点，其渗流面积愈小，渗流速度愈大。图2-10几种平面径向流(a)-平面径向流；(b)-液体向渗流力学上完善井渗流；(c)-液体向渗流力学上不完善井渗流；(d)-液体向圆形井排径向汇集渗流。．球形径向渗流2-11a所示。图2-11几种球形径向流(a)-球形径向流；(b)-液体向渗流力学上不完善井渗流；(c)-液体向眼球形射孔井径向汇集渗流多孔介质中流体渗流的三种方式或类型是经渗流条件简化后得出的，实际钻井过程中所碰到的复杂渗流情况，基本上可以认为是这三种渗流方式中的一种或几种的组合。所以，直线流、平面径向流和球形径向流的渗流方式，具有重要的实用意义和理论研究价值。第四节浆液的流变性基础一、概述１、浆液流变性的意义浆液的流变性对钻进、排粉、孔壁稳定、钻孔漏失及流动阻力(压力损失)等均有重要影响。理论和实践均已说明，泥浆粘度越高，机械钻速越低，如清水的机械钻速就比泥浆高。这里指的是泥浆的由于流型的不同，水力学中传统的用于区分层流或紊流态的准数——雷诺数Re，已不完全适用于泥浆等非牛顿流体，代替它的有稳定性参数Z值。对牛顿流体来说，Z值与Re数间并无本质差别，只是数值上的差别，而对非牛顿流体来说，却有本质上的差别。流变学已日益被人们所重视，这为流变学的发展提供了最要的条件。２、浆液流变性的研究任务浆液流变性的研究任务大致有如下几个方面：（1）．对浆液流型进行分析，进一步完善现有的流变方程，特别是对带屈服值的假塑流体，与时间有关的触变流体以及粘弹性流体要进一步研究；（2）．进一步研究分析各种处理剂水溶液及各类浆液的流变特性，研究各流变参数的影响因素及其调节，根据不同地层的特点和钻井、注浆工程的要求寻求合适流变参数的化学处理配方，同时满足其它泥浆性能的要求；（3）．研究浆液流变性对钻进、排除与携带岩粉、护壁、上下钻的激动压力、紊流减阻、防治漏失等方面的影响，特别是要结合岩心钻孔的特点来进行研究；（4）．利用现有各流变模式导出的水力方程，进行水力损失的计算，并进行比较，简化现场水力计算工作；（5）．进行钻井(钻孔)水力参数的设计与计算，以求得到最大钻头水马力或改善流变参数，使钻井工作能较好完成。二、流体与流型2-15所示。表2-15 流体类型的划分纯纯牛顿流体塑性流体及粘弹性流体粘与时间无关流体假塑流体幂律流体膨胀流体非牛顿流体流带屈服值带屈服值假塑流体幂律流体幂律流体带屈服值膨胀流体体触变流体与时间有关流体振凝流体粘弹性体2-12是各种流体在坐标上所作流变曲线。非牛顿流体中，1、2、4、5可属于剪切稀释流体，随着剪切速率的升高，其表观粘度不断下降，而3、8可属于剪切稠化液，随着剪切速率升高，其表现粘度不断上升。以下分别进行讨论。１、牛顿流体牛顿流体流动的特点是其流变曲线为通过原点O的一条直线，如图2-12线7所示。它表示在一定温度和压力条件下，牛顿粘度为一常数，它可用牛顿流变方程来表示：或 （2-34）式中：

Pa；

——剪切速率或流速梯度，s-1；Pa²s,(1Pa²s=1000cPlcP=103Pa²s=1mPa²s)图2-12各种流体流变曲线(1)(2)(3)(4)(5)假塑流体，(6)触变流体，(7)牛顿流体，(8)膨胀流体, -静切力， -静切力（屈服值）顿流体。

气体、水、甘油、硅油、油(除高剪切速率下的高粘度油外)、低分子化合物溶液等均属于牛图2-13是三种不同粘度的牛顿流体在坐标上的流变图，其流变曲线均为通过原点O的一根直线，但粘度越高(如甘油，在15℃时为2.33Pa²s)其斜率越高，即流变曲线与 轴的夹角越大。150.0182103Pa²s)151.1405103Pa²s201.002103Pa²s图2-14是这三种牛顿流体在双对数坐标图上的流变曲线。虽然粘度值不同，但均为与坐标轴成图2-13典型牛顿流体流变图图2-14典型牛顿流体流变图图2-13典型牛顿流体流变图图2-14典型牛顿流体流变图

=1s－１轴上(算术坐标) (对数坐标)除动力粘度外，牛顿流体也可用运动粘度来表示：（2-35）式中：２、非牛顿流体

——密度，g/cm3; ——运动粘度，cm2/s。（一）、与时间无关的流体（１）．塑性流体与粘塑性流体塑性流体可称为宾汉流体。其流变曲线为不通过原点O的一条直线，如图2-1６线AB或图2-1２线2静切应力是指要使静止的塑性流体开始运动时，破坏其单位面积上的网状结构所需要的切力。它可以用来表示塑性流体静止时网状结构强度的大小，常用于分析塑性流体由静止状态发展到运动状态的转变过程。现以塑性流体在U形管中的平衡为例加以说明。设将密度为ρ的塑性流体注满直径为D的U形管A，如图2-15所示,然后慢慢地将水注入管B，当泥浆刚刚要从U形管的左端流出而处于极限平衡状态时，密度为ρ水、高度为h的水柱的重力应该与静切应力τ sU形管的弯曲情况，则有，图2-15用U形管测定液体流动剪切应力原理 图2-16塑性流体于是 （2-36）或 （2-37）上式也可用于静切应力的测定。当外力超过τs后，流体作层流流动，其流变曲线呈斜直线变化。此斜直线可用下列宾汉方程(模式)来表示：（2-38）式中： ——静切力，Pa；η p——塑性粘度，Pa²s。由式(2-38)可见，τ s是AB线在由式(2-38)移项得：

轴上的截距，ηp为不通过原点O的AB线的斜率。（2-39）由式(2-38)也可见，塑性流体有两个流变参数，即塑性粘度η p及静切力η s。也可仿照牛顿方程(2-34)求塑性流体的表观粘度(视粘度或有效粘度严格说表观粘度与有效粘度有区别η A：（2-40）由图2-16可见，在AB线上任意一点C1或C2与原点O的联线得OC1OC2线，它们θ1θ 2C1C2点的数值。理想的宾汉塑性流体，一般是一些含较高固相且颗粒均匀的悬浮体，如一些矿浆、油墨、油漆等。由于固相颗粒的高度不均匀(如粘土)，在表面引力与斥力作用下易形成结构，在低剪切速率下其流变曲线(本来是直线)往往偏离直线，形成曲线变化，当剪切速率变化(图2-17)，这种流体称为粘塑性流体。

增加至层流段时才成直线图中AB为凹向 轴的曲线，BD为直线段，BD延长线与 轴的交点为C，OC表示动切力。粘塑流体在管道内流动情况如图2-17所示，可作如下解释：图2-17粘塑流体流动图在A点之前表示此流体己形成结构，外力不超过静切力值τ s是不会流动的。AB段为塞流段即此时粘塑流体与管壁接触处的结构先受到破坏，此时产生像塞子一样的流动，故称为塞流。随着的逐步升高，结构逐步破坏，表观粘度也逐渐变小，此段流变曲线为一曲线变化。B点之后处于较稳定的层流段，此时粘塑流体内部的结构破坏与形成处于平衡状态，BD为一直线段，表示有一个稳定的塑性粘度值。而D点之后，由于流速快，剪切速率高，就转为紊流态了。图2-17中τ0粘塑性流体也可用宾汉方程来表示：（2-41）式中：τ0——动切力，Pa。与式(2-38)比较，此式也是直线方程，截距为τ 0。而不是τ s。即此宾汉方程只能代表流变曲线的层流直线段，而不能代表低剪切速率下的塞流曲线段。其流变参数有两个，即塑性粘度ηp，及动切力(或叫屈服值)τ 0。塑性粘度由式(2-