流体力学课件第十章-渗流-.ppt

1、坝下渗流坝下渗流坝身及坝基中的渗流坝身及坝基中的渗流渠道渗流渠道渗流造成水量的损失，影响工程效益。造成水量的损失，影响工程效益。将引起土体内部应力状态的变化，从而改变水将引起土体内部应力状态的变化，从而改变水工建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏工建筑物或地基的稳定条件，严重时还会酿成破坏事故。事故。如：渗透变形：流土和管涌（改变稳定性）。如：渗透变形：流土和管涌（改变稳定性）。土木工程中渗透涉及的范围和问题较多。土木工程中渗透涉及的范围和问题较多。如：挡水闸、打井取水、筑防洪堤等。如：挡水闸、打井取水、筑防洪堤等。水在土中的存在状态：水在土中的存在状态：气态水、附着水、薄膜水、毛细气态

2、水、附着水、薄膜水、毛细水和重力水。水和重力水。气态水：气态水：以蒸汽状态散逸于土孔隙以蒸汽状态散逸于土孔隙 中，存量较少，不需中，存量较少，不需考虑。考虑。附着水和薄膜水附着水和薄膜水 也称结合水，也称结合水，其附着水以极薄的分子层其附着水以极薄的分子层吸附在土颗粒表面，呈固态水的性质；薄膜水则以厚度不超过吸附在土颗粒表面，呈固态水的性质；薄膜水则以厚度不超过分子作用半径的薄层包围土颗粒，性质和液态水性质近似。分子作用半径的薄层包围土颗粒，性质和液态水性质近似。结合水数量很少，在渗流运动中可不考虑。结合水数量很少，在渗流运动中可不考虑。水在土中的存在状态：水在土中的存在状态：气态水、附着水、

3、薄膜水、毛细气态水、附着水、薄膜水、毛细水和重力水。水和重力水。重力水，重力水，当含水量很大时，除少许结合水和毛细水外，当含水量很大时，除少许结合水和毛细水外，大部分水是在重力作用下，在土孔隙中运动。大部分水是在重力作用下，在土孔隙中运动。重力水是渗流理论研究的对象。重力水是渗流理论研究的对象。毛细水：毛细水：因毛细作用保持在土孔隙中，除特殊情况，一因毛细作用保持在土孔隙中，除特殊情况，一般不考虑。般不考虑。实际土体中的渗流仅是流经土粒间的孔隙实际土体中的渗流仅是流经土粒间的孔隙,由于土体孔隙由于土体孔隙的形状、大小及分布极为复杂的形状、大小及分布极为复杂,导致渗流水质点的运动轨迹很导致渗流水

4、质点的运动轨迹很不规则不规则,如图如图2-2(a)所示。考虑到实际工程中并不需要了解具所示。考虑到实际工程中并不需要了解具体孔隙中的渗流情况，可以对渗流作出如下二方面的简化。体孔隙中的渗流情况，可以对渗流作出如下二方面的简化。sveevnvvAvvAQsvs)1(/连续性原理根据个渗流空间点上的流动参数是否随随时间变化，根据个渗流空间点上的流动参数是否随随时间变化，分为分为恒定渗流和非恒定渗流恒定渗流和非恒定渗流；根据流动参数与坐标的关系，分为根据流动参数与坐标的关系，分为一维、二维和三维一维、二维和三维渗流渗流；根据流线是否平行，分为根据流线是否平行，分为均匀渗流和非均匀渗流均匀渗流和非均匀

5、渗流；而非均匀渗流又可分为而非均匀渗流又可分为渐变渗流和急变渗流渐变渗流和急变渗流；JJPgpzHHP法国工程师（法国工程师（Darcy，H.1856）通过实验研究，总结出）通过实验研究，总结出渗流水头损失与渗流速度之间的关系式，后人称为达西定律。渗流水头损失与渗流速度之间的关系式，后人称为达西定律。装置中的是横截面积为装置中的是横截面积为A的直立圆筒，的直立圆筒，其上端开口，在圆筒侧壁装有两支相距为其上端开口，在圆筒侧壁装有两支相距为l 的的侧压管。侧压管。筒底以上一定距离处装一滤板，滤板筒底以上一定距离处装一滤板，滤板上填放颗粒均匀的砂土。上填放颗粒均匀的砂土。水由上端注入圆筒，多余的水从

6、溢水管水由上端注入圆筒，多余的水从溢水管溢出，使筒内的水位维持一个恒定值。溢出，使筒内的水位维持一个恒定值。渗透过砂层的水从短水管流入量杯渗透过砂层的水从短水管流入量杯中，并以此来计算渗流量中，并以此来计算渗流量q。设设t时间内流入量杯的水体体积为时间内流入量杯的水体体积为V,则渗流量为则渗流量为q=V/t。同时读取断面同时读取断面1-1和和段面段面2-2处的侧压管水头值处的侧压管水头值h1，h2，h为两为两断面之间的水头损失断面之间的水头损失。kAJLhkAqkJAqvkAJLhkAqkJAqvhh层流层流:Re10-3 cm/s）的土，的土，应用粒组范围大致为细砂到中等卵石。应用粒组范围大

7、致为细砂到中等卵石。一 常水头法常水头法htAQLk试验过程中水头保持不变。试验过程中水头保持不变。常水头试验常水头试验的过程的过程:试验时将高度试验时将高度为为L，横截面积为横截面积为A的试样装入垂的试样装入垂直放置的圆筒中，从土样的上端注直放置的圆筒中，从土样的上端注入与现场温度完全相同的水，并用入与现场温度完全相同的水，并用溢水口使水头保持不变。土样在不溢水口使水头保持不变。土样在不变的水头差变的水头差h作用下产生渗流，作用下产生渗流，当渗流达到稳定后当渗流达到稳定后,量得时间量得时间t内流内流经试样的水量为经试样的水量为Q，而土样渗流流而土样渗流流量量q=Q/t 一 常水头法常水头法常

8、水头法设备：常水头法设备：htAQLk二 变水头法变水头法21lnhhkAaLt或21log3.2hhkAaLt一 常水头法常水头法。律，即可推出，通过建立瞬时达西定后，在记录终止水头经过时间表，测计起始水头差至需要的高度，开动秒试验时，将玻璃管冲水khth21为：时间内流入式样的水量则管中水位下降后，经过对应两端的水头差为时刻设：试验过程中，任意dtdhdtht,haVedd玻璃管断面面积负号表示水量随h的减少增加根据达西定律：dt时间内流出试样的水量为：注水试验与抽水试验相似。注水试验与抽水试验相似。如图所示，一现场井抽水试验示意图。如图所示，一现场井抽水试验示意图。在现场打一口试验井，贯

9、穿要测定在现场打一口试验井，贯穿要测定 k k 值值的砂土层，并在距井中心不同距离处设置的砂土层，并在距井中心不同距离处设置一个或两个观测孔。然后自井中以不变的一个或两个观测孔。然后自井中以不变的速率连续进行抽水速率连续进行抽水。)()/ln(212212hhrrQk)()/log(3.2212212hhrrQkdrhkrhAkiQd2rhA2hkhrrQd2dhkhrrQhhrrd2d2121等式两边积分：等式两边积分：)()/ln(212212hhrrQk)()/log(3.2212212hhrrQk注意：现场试验结果比较可靠，但费用较高。注意：现场试验结果比较可靠，但费用较高。根据达西定

10、律，单位时间内根据达西定律，单位时间内抽出的水量为：抽出的水量为：现围绕井轴取一过水断面，该断面距离井中心轴线距离为现围绕井轴取一过水断面，该断面距离井中心轴线距离为r，水面高度，水面高度为为h，则过水断面面积为：，则过水断面面积为：无压渗流：无压渗流：具有自由面的渗流。具有自由面的渗流。相当于透水地层中的明渠流动，水面线称为相当于透水地层中的明渠流动，水面线称为浸润线浸润线。均匀渗流：均匀渗流：流线是平行直线、等深、等速的均匀流线是平行直线、等深、等速的均匀渗流，均匀渗流的水深称为渗流的正常水深，以渗流，均匀渗流的水深称为渗流的正常水深，以h0表表示。示。但由于受自然水文地质条件的影响，无压

11、渗流更但由于受自然水文地质条件的影响，无压渗流更多的是流线近于平行直线的多的是流线近于平行直线的非均匀渐变渗流非均匀渐变渗流。1.裘皮依（裘皮依（J.Dupuit）公式）公式2.渐变渗流基本方程渐变渗流基本方程3.渐变渗流浸润线的分析渐变渗流浸润线的分析一、裘皮依（一、裘皮依（J.Dupuit）公式）公式类似于一般流体流动，在渗类似于一般流体流动，在渗流中也存在无压恒定均匀渗流和流中也存在无压恒定均匀渗流和无压恒定渐变渗流。无压恒定渐变渗流。工程中常见的地下水流动，工程中常见的地下水流动，大多在宽度很大的不透水基底上大多在宽度很大的不透水基底上的流动，流线簇近似于平行的直的流动，流线簇近似于平

12、行的直线，则可以采用无压恒定渐变渗线，则可以采用无压恒定渐变渗流模型。流模型。恒定均匀渗流：恒定均匀渗流：流线平行，同一过水断面上各点的测压管水头流线平行，同一过水断面上各点的测压管水头H相相等；同一过水断面上各点的水力坡度等相等，即等；同一过水断面上各点的水力坡度等相等，即dsdHJ一、裘皮依（一、裘皮依（J.Dupuit）公式）公式恒定均匀渗流：恒定均匀渗流：过流断过流断面上各点的渗流速度面上各点的渗流速度u也相也相等：等：dsdHkkJvu杜比公式杜比公式(J.Dupuit)无压恒定渐变渗流：无压恒定渐变渗流：流线接近平行，其过流断面上各点的测压管水流线接近平行，其过流断面上各点的测压管

13、水头头H也认为相等，所以上式对无压恒定渐变渗流也适用。也认为相等，所以上式对无压恒定渐变渗流也适用。二、渐变渗流基本方程二、渐变渗流基本方程设无压非均匀渐变渗流，设无压非均匀渐变渗流，不透水地层坡度不透水地层坡度 i，取，取过流断面过流断面 11、22，相距，相距ds，水深和测压管水头的变，水深和测压管水头的变化分别为化分别为dh和和dH。dsdhidsdhdsdzdsdHJ11断面水力坡度：断面水力坡度：dsdhikkJvdsdhikAkJAvAQ无压恒定渐变渗流的基无压恒定渐变渗流的基本方程。本方程。三、渐变渗流浸润线分析三、渐变渗流浸润线分析1)顺坡渗流顺坡渗流2)平坡渗流平坡渗流3)逆

14、坡渗流逆坡渗流井：井：汲取地下水源和降低地下水位的集水构筑物。汲取地下水源和降低地下水位的集水构筑物。应用广泛：地下水应用广泛：地下水的汲取；增加地下含油的汲取；增加地下含油层压力或降低地下水位层压力或降低地下水位等。等。普通井（或潜水井）：普通井（或潜水井）：在具有自由面的潜水层中开凿的在具有自由面的潜水层中开凿的井。其中贯穿整个含水层，井底直达不透水层的称为完整井，井。其中贯穿整个含水层，井底直达不透水层的称为完整井，井底未达到不透水层的称为不完整井。井底未达到不透水层的称为不完整井。含水层位于两个不含水层位于两个不透水层之间，含水层顶透水层之间，含水层顶面压强大于大气压强，面压强大于大气

15、压强，这样的含水层称为承压这样的含水层称为承压含水层。含水层。承压井（或自流井）承压井（或自流井）：汲取承压地下水的井。：汲取承压地下水的井。zr1.普通完整井普通完整井2.自流完整井自流完整井3.井群井群普通完整井的渗流浸润线Hzr利用杜比公式：drdzkdldHkkJvurzdrdzkAvQ2积分CrkQzln2积分常数由边界条件确定：00hzrr 时，当020lnrkQhC0202lnrrkQhz0202lnrrkQhz浸润线0202ln73.0rrkQhz完全普通井的浸润线方程)/ln()(36.1202rRhHkQ当r=R时，z=H,R称为井的影响半径，R以外的地下水将不受该井的影响

16、。经验公式：khHQ)(30000分析影响渗流量的因素？完全自流井的渗流zrt利用杜比公式：drdzkkJvrtdrdzkAvQ2积分CrktQzln2积分常数由边界条件确定：00ln2rktQhC00ln2rrktQhz00hzrr 时，当)/ln(73.2)/ln()(73.2000rRktsrRhHktQ含水层厚度主要用于汲取浅层地下水，在土建施工中，有时基坑排水，主要用于汲取浅层地下水，在土建施工中，有时基坑排水，也可按大口井计算。也可按大口井计算。特点：特点：涌水量大。涌水量大。对于不完全大口井，一种假设是含水层的厚度很大，地下水从对于不完全大口井，一种假设是含水层的厚度很大，地下水

17、从大口井半球形的底部沿半球半径方向流入，经简化导出：大口井半球形的底部沿半球半径方向流入，经简化导出：SkrQ02另一种假设是对于平底不完全大口井，其过流断面为版椭球面，另一种假设是对于平底不完全大口井，其过流断面为版椭球面，渗流流线为双曲线：渗流流线为双曲线：SkrQ041r2rnr井群的渗流计算井群的渗流计算Notes:井群中各井之间的距离井群中各井之间的距离并不大，每一口井都处于其他并不大，每一口井都处于其他井的影响半径之内，存在相互井的影响半径之内，存在相互影响，使得渗流区内地下水浸影响，使得渗流区内地下水浸润面的形状复杂化，总的产量润面的形状复杂化，总的产量也不等于按单井计算总水量的

18、也不等于按单井计算总水量的总和。总和。完全普通井的井群：完全普通井的井群：点形成的浸润线方程为则在们的井深分别为：若各井单独工作时，他。点的水平距离：至出水量：半径：的水平距离分别为：至某点量、群，各井的半径、出水个普通完整井组成的井设由Ahh hrrrAQQQrrrAnnnnn,.,.,.,.,212121002101r2rnr井群的渗流计算井群的渗流计算完全普通井的井群：完全普通井的井群：别：点形成的浸润线高度分则在A1r2rnr井群的渗流计算井群的渗流计算nzzz,.,21按单井计算分别：2022202222221011121log732.0.log732.0log732.0nnnnnh

19、rrkQzhrrkQzhrrkQz完全普通井的井群：完全普通井的井群：1r2rnr井群的渗流计算井群的渗流计算niiiiiihrrkQzz12022ln732.0各井同时抽水，在A点形成共同的浸润线高度z，按势流叠加原理，其方程为：设各井抽水情况相同；井群具有相同的影响半径：)ln(1ln)(36.1212020nrrrnRhHkQ完全普通井的井群：完全普通井的井群：完全自流井的井群：完全自流井的井群：)ln(1ln)(36.1212020nrrrnRhHkQ)ln(1ln)(37.22100nrrrnRhHktQ1r2rnr井群的渗流计算井群的渗流计算含水层厚度无穷远处的浸润线井水深完全普通井的井群：完全普通井的井群：HksR5751r2rnr井群的渗流计算井群的渗流计算0nQQ 井群中心水位降深，m