西理工水力学课件15渗流

15渗流

15.1渗流的基本概念

15.2渗流的基本定律－达西定律

15.3渗流运动的微分方程

15.4均匀渗流与非均匀渐变渗流

15.1渗流的基本概念

15.2渗流的基本定律－达西定律

15.3渗流运动的微分方程

15.4均匀渗流与非均匀渐变渗流渗流：流体在孔隙介质中的流动流体：水、石油、天然气孔隙介质：土壤、岩层等多孔介质与裂隙介质渗流力学：流体在多孔介质中的运动规律及其应用科学渗流应用广泛：

水利工程方面：土坝内渗流的浸润线透水地基上水工建筑物的扬压力混凝土坝绕坝基和两岸地基渗透压力水体－岩体相互作用力

因此，大坝设计与施工中必须预测可能的渗流，并准备相应的措施。渗流应用广泛：

城市的工农业用水和生活用水：地下水占有的比重地下水允许的开采量地下水开采中是否可能引起地面的沉降地下水质的恶化？渗流应用广泛：

农田水利方面：地下水资源的评价和合理开发灌溉排水

防止土地盐碱化问题

渗流应用广泛：

环境方面：生活污水排放农药、化肥、杀虫剂、除草剂对地下水污染

防止土地盐碱化

15.1渗流的基本概念

15.1.1水在土壤中的存在形式水在土壤中的运动规律取决于液体的物理力学性质土壤的制约水和土壤相互作用的结果

15.1渗流的基本概念

15.1.1水在土壤中的存在形式水在土壤中的运动形式汽态水附着水薄膜水毛细水重力水

15.1.1水在土壤中的存在形式水在土壤中的运动形式汽态水：水蒸汽的形式存在于孔隙中

15.1渗流的基本概念

15.1.1水在土壤中的存在形式水在土壤中的运动形式附着水:由于分子的作用而吸附于土壤中的水只有其变成蒸汽水后才能在土壤中运动

15.1渗流的基本概念

15.1.1水在土壤中的存在形式水在土壤中的运动形式汽态水附着水薄膜水：土壤颗粒与水分子作用形成的毛细水：毛细作用而保持在土壤毛细孔隙中一般不予考虑对工程的影响。

15.1渗流的基本概念

15.1.1水在土壤中的存在形式水在土壤中的运动形式重力水：由于重力作用在土壤孔隙运动的水。可带动土壤、有溶解作用，使土壤产生机械及化学潜蚀，造成土壤结构破坏，严重时将影响建筑物的安全因此，本章研究的渗流是指重力水。

15.1渗流的基本概念

15.1.2土壤中的渗流性质土壤的渗流特性对渗流有着制约作用。土壤的透水性容水性持水性给水性

15.1渗流的基本概念

15.1.2土壤中的渗流性质土壤的渗流特性对渗流有着制约作用。透水性：土壤允许透水的能力。容水性：土壤能容纳的最大水体积与土壤总体积之比持水性：土壤的结合水（附着水和薄膜水）含量多少给水性：重力作用下，土壤能释放的水体积与土壤总体积之比。

15.1渗流的基本概念

15.1.2土壤中的渗流性质土壤的渗流特性对渗流有着制约作用。透水性：土壤允许透水的能力。与土壤孔隙大小、分布以及土壤颗粒的粒径等因素有关。

15.1渗流的基本概念

15.1.3渗流模型实际渗流发生在孔隙空间，是极不规则的运动。要确定每一个孔隙中的渗流是非常困难的。从工程的角度分析也没有必要。工程上所关心的主要是渗流的宏观运动。因此，提出一个渗流模型代替实际渗流。

15.1渗流的基本概念

15.1.3渗流模型（1）水头损失相等模型渗流中受到的水流阻力与真实渗流中受到的水流阻力相同，即两者水头损失相等。（2）流量、压强和水头相等模型渗流中任意过水断面的流量、任意点的压强、水头均与实际渗流相同。

15.1渗流的基本概念

15.1.3渗流模型式中：u渗流模型中的渗流速度；包括土壤骨架在内的假想过水断面面积

15.1渗流的基本概念

15.1.3渗流模型式中：u渗流模型中的渗流速度；包括土壤骨架在内的假想过水断面面积

15.1渗流的基本概念

15.1.3渗流模型式中：u:渗流模型中的渗流速度；

:包括土壤骨架在内的假想过水断面面积

:真实的渗流流速；

n:土壤的孔隙率，一般<1.0

15.1渗流的基本概念

15.1.3渗流模型真实的渗流流速大于渗流模型中渗流流速

15.1渗流的基本概念

15.1.3渗流模型引入渗流模型后，把实际不连续的渗流当作连续渗流处理。因此，可在渗流分析中应用连续函数分析法。

15.1渗流的基本概念

15.2渗流的基本定律－达西定律

15.3渗流运动的微分方程

15.4均匀渗流与非均匀渐变渗流

15.2渗流的基本定律－达西定律

15.2.1达西定律

1856年，法国工程师H.Darcy

提出了渗流的达西定律。

QLh2h1hw1122QLh2h1hw1122k：渗透系数v:渗流模型中的断面平均流速QLh2h1hw1122k：渗透系数u:点流速QLh2h1hw1122k：渗透系数u:任意点上的渗流流速

15.2渗流的基本定律－达西定律

15.2.2渗流流态的判别

式中，d为含水层土壤颗粒的平均粒径

Rec临界雷诺数＝7-9；

150-300；

60-150；

层流

15.2渗流的基本定律－达西定律

15.2.3达西定律的适用范围

式中，Rec

＝1.0；

15.2渗流的基本定律－达西定律

15.2.4渗透系数渗透系数是反映土壤透水性的一个综合性指标。主要取决于土壤颗粒的形状、大小均匀程度以及空隙介质的特性。不同空隙介质的渗透系数是不同的。渗透系数是一个有因次的物理量[k]=[v]

土名k/m/dk/cm/s粘土<0.005<6×10-6亚粘土0.005～0.1006×10-6～1×10-4轻亚粘土0.100～0.5001×10-4～6×10-4黄土0.250～0.5003×10-4～6×10-4粉砂0.500～1.0006×10-4～1×10-3细沙1.000～5.0001×10-3～6×10-3中砂5.000～20.0006×10-3～2×10-2均质中砂35.000～50.0004×10-2～6×10-2粗砂20.000～50.0002×10-2～6×10-2均质粗砂60.000～75.0007×10-2～1×10-1圆砾50.000～100.0006×10-2～1×10-1卵石100.000～500.0001×10-1～6×10-1无填充物卵石500.000～1000.0006×10-1～1×101稍有裂隙岩石20.000～60.0002×10-2～7×10-2裂隙多的岩石>60.000

>7×10-2土的渗透系数参考值

15.1渗流的基本概念

15.2渗流的基本定律－达西定律

15.3渗流运动的微分方程

15.4均匀渗流与非均匀渐变渗流

15.3渗流运动的微分方程

15.3.1渗流的连续方程xyzOdydxdz如果骨架不变形，对于各向同性的土壤，则对于各向异性的土壤，则渗流的连续方程适用条件：（1）恒定不可压缩液体的渗流（2）土壤颗粒不变形

15.3渗流运动的微分方程

15.3.1渗流的连续方程

15.3.2渗流的运动方程

15.3渗流运动的微分方程

15.3.2渗流的运动方程x,y,z

方向的渗透系数

15.3渗流运动的微分方程

15.3.1渗流的连续方程

15.3.2渗流的运动方程

15.3.3渗流的流速势

15.3渗流运动的微分方程

15.3.3渗流的流速势在均质土壤中通过在一定边界条件，求解拉普拉斯方程，可得渗流场

15.1渗流的基本概念

15.2渗流的基本定律－达西定律

15.3渗流运动的微分方程

15.4均匀渗流与非均匀渐变渗流

15.4恒定均匀渗流和非均匀渐变渗流位于不透水基底上孔隙区内具有自由表面的称地下河槽渗流，是无压渗流。润湿的和不润湿的交界面称浸润线地下河槽渗流棱柱体眀槽非棱柱体眀槽顺坡、平坡、逆坡均匀渗流与非均匀渗流

15.4恒定均匀渗流和非均匀渐变渗流

15.4.1地下河槽的均匀渗流1122dsdH浸润面

15.4.1地下河槽的均匀渗流1122dsdH浸润面H对于均匀渗流，则

15.4.1地下河槽的均匀渗流1122dsdH浸润面H对于均匀渗流，则u00

15.4.1地下河槽的均匀渗流1122dsdH浸润面H对于均匀渗流，则u00h0

15.4.1地下河槽的均匀渗流均匀渗流：均匀渗流的正常水深均匀渗流不透水层的底坡

15.1渗流的基本概念

15.2渗流的基本定律－达西定律

15.3渗流运动的微分方程

15.4均匀渗流与非均匀渐变渗流

15.4恒定均匀渗流和非均匀渐变渗流

15.4.1地下河槽的均匀渗流

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流什么是渐变流？虽然流线不平行，但接近平行，流线间夹角小！

15.4恒定均匀渗流和非均匀渐变渗流

15.4.1地下河槽的均匀渗流

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流

1杜比(Dupuit)公式k：渗透系数u:任意点上的渗流流速

由渗流达西公式

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流zx浸润线oPθ

1杜比(Dupuit)公式

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流zx浸润线oPθ

1杜比(Dupuit)公式

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流zx浸润线oPθ假定水面坡度小，用铅垂断面代替过水断面

1杜比(Dupuit)公式

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流zx浸润线oPθQ

1杜比(Dupuit)公式

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流

1杜比(Dupuit)公式zx浸润线oPθQuPuQ

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流

1杜比(Dupuit)公式zx浸润线oPθQuQ=uP=v

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流

1杜比(Dupuit)公式假定：（1）水面坡度较小，可用铅垂断面代替过水断面（2）同一过水断面上各点的测压管水头相等、水力坡度相等，渗流速度相等。不同过水断面的水力坡度和渗流速度不相等。杜比公式

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流

1杜比(Dupuit)公式杜比公式把点的渗流流速推广到过水断面，使得实际实用更为方便u:任意点上的渗流流速v:过水断面平均渗流速度

15.4恒定均匀渗流和非均匀渐变渗流

15.4.1地下河槽的均匀渗流

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流

1杜比(Dupuit)公式

2渐变渗流的微分方程

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流

2渐变渗流的微分方程浸润线00H1H2dHdsh1h2z01z02不透水层

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流

2渐变渗流的微分方程浸润线00H1H2dHdsh1h2z01z02不透水层

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流

2渐变渗流的微分方程浸润线00H1H2dHdsh1h2z01z02不透水层

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流

2渐变渗流的微分方程

15.4恒定均匀渗流和非均匀渐变渗流

15.4.1地下河槽的均匀渗流

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流

1杜比(Dupuit)公式

2渐变渗流的微分方程

3渐变渗流浸润线形式及浸润线方程

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流

3渐变渗流浸润线形式及浸润线方程地下河槽渗流有正坡、平坡和逆坡渗流中不考虑渗流流速水头，临界流无意义地下河槽的渗流存在均匀渗流线

因此，地下河槽浸润线比明渠水面线简单得多。

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流

3渐变渗流浸润线形式及浸润线方程（1）正坡地下河槽浸润线不透水层的底坡i

>0

15.4.2地下河槽的恒定渐变渗流

3渐变渗流浸润线形式及浸润线方程