1、编制依据9-1 9-1 渗流基本定律渗流基本定律9-2 9-2 地下水的均匀流和非均匀流地下水的均匀流和非均匀流9-3 9-3 集水廊道和井集水廊道和井9-4 9-4 井群井群目录目录流体在土壤流体在土壤、岩层等孔、岩层等孔隙介质中的隙介质中的流动。流动。流体的种类流体的种类渗流的定义渗流的定义渗流所指流渗流所指流体包括地下体包括地下水、石油、水、石油、天然气等多天然气等多种流体。种流体。一、渗流的定义一、渗流的定义二、渗流在交通土建工程中的应用二、渗流在交通土建工程中的应用 工工 程程应应 用用基坑降水和抗浮设计基坑降水和抗浮设计江河和城市防洪工程设计江河和城市防洪工程设计路基病害处理路基病
2、害处理边坡的稳定性计算边坡的稳定性计算地下工程的防水设计地下工程的防水设计土建工程施工降水设计土建工程施工降水设计工程应用工程应用 基坑降水基坑降水 江河和城市防洪工程江河和城市防洪工程 路基病害处理路基病害处理路基排水不畅引起沉降路基排水不畅引起沉降 边坡的稳定性计算边坡的稳定性计算 地下工程防水设计地下工程防水设计 土建工程施工降水设计土建工程施工降水设计桥梁、地铁施工降水 毛细水毛细水 受表面张力而受表面张力而移动的水移动的水 地下水的存在状态地下水的存在状态重力水重力水 重力作用下在土重力作用下在土壤孔隙中运动的壤孔隙中运动的水水汽态水汽态水以蒸汽形式存以蒸汽形式存在于土壤孔隙在于土壤
3、孔隙中的水中的水吸着水和薄膜水吸着水和薄膜水受分子力作用而受分子力作用而挟持于土中的水挟持于土中的水 三、基本概念三、基本概念公路施工组织调查公路施工组织调查土的密实程度土的密实程度 用孔隙率用孔隙率n来反来反映，疏松的土，映，疏松的土，n大，其透水能大，其透水能力力强强土壤的渗透特性土壤的渗透特性土的结构土的结构 依土体的渗流特性是否依土体的渗流特性是否随空间位置而变化分为随空间位置而变化分为均质和非均质土壤均质和非均质土壤;依土体透水性能在各个依土体透水性能在各个方向是否相同分为各向方向是否相同分为各向同性和各向异性土壤同性和各向异性土壤土颗粒的均匀程度土颗粒的均匀程度 用不均匀系数来用不
4、均匀系数来反映，颗粒均匀的反映，颗粒均匀的土体土体，h=1，其透其透水能力强水能力强一、渗流模型一、渗流模型假设渗流是充满了整个孔假设渗流是充满了整个孔隙介质区域的连续水流，隙介质区域的连续水流，包括土粒骨架所占据的空包括土粒骨架所占据的空间在内，均由水所充满。间在内，均由水所充满。把实际上并不充满全部把实际上并不充满全部空间的液体运动，看作空间的液体运动，看作是连续空间内的连续介是连续空间内的连续介质运动。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。为渗流模型。在渗流模型中，取过流断面面积为在渗流模型中，取过流断面面积为DA
5、，设通过的设通过的流量为流量为Dqv，则渗流模型的流速为则渗流模型的流速为 u=D DQ/D DA 其中其中D DA中包含的孔隙面积中包含的孔隙面积m D DA，则渗流在足够多则渗流在足够多孔隙中的统计平均流速为孔隙中的统计平均流速为 u=D DQ/mD DAgpzgugpzH22由于渗流模型的渗流量与实际渗流的渗流量相等，故有由于渗流模型的渗流量与实际渗流的渗流量相等，故有umu在渗流模型中，某点的总水头在渗流模型中，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：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，即通过渗流模型的流量必须和
6、实际渗流的流量相等，即QQ模型实际实际模型PPFF 对某一确定的作用面，从渗流模型所得出的动水压力，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，即失应当相等，即hhw模型w实际二、达西渗流定律二、达西渗流定律 1919世纪世纪5050年代法国工程师达西在沙质土壤中进行了大年代法国工程师达西在沙质土壤中进行了大量的试验研究量的试验研究,得出了著名的渗流基本定律得出了著名的渗流基本定律达西渗流达西渗流定律。定律。由实验得由
7、实验得whQAswhQkAs 上式即为达西渗流定律，式中上式即为达西渗流定律，式中k称为渗流系数，一般称为渗流系数，一般k=f（土壤性质、流体性质、作用力等），由实验确定。（土壤性质、流体性质、作用力等），由实验确定。whQvkkJAs达西公式的推广达西公式的推广渗流流场中任意点的渗流流速渗流流场中任意点的渗流流速ABdsdHH00在某一渗流场中，取一微小流束在某一渗流场中，取一微小流束AB，则则A点的水力坡度为点的水力坡度为dHJds 或或按达西定律的概念，按达西定律的概念，A点的渗流流速点的渗流流速dHukds 达西定律的适用条件：达西定律的适用条件：恒定、均匀、层流渗流、无土体结构的渗透
8、变形。恒定、均匀、层流渗流、无土体结构的渗透变形。渗流雷诺数渗流雷诺数1Re0.750.23vdm101Re m为土壤的孔隙率；为土壤的孔隙率；d为土的有效粒径，为土的有效粒径，有效粒径一般用有效粒径一般用d10表示，表示，以以cm计；计；d10表示筛分时占表示筛分时占10%重量的土粒能通过的筛孔直径。重量的土粒能通过的筛孔直径。达西公式的适用范围：达西公式的适用范围：三、渗流系数的确定方法三、渗流系数的确定方法1.1.实验室方法实验室方法压力等）流体性质，土壤性质，(fk 定水头法定水头法 变水头法变水头法存在土样扰动问题存在土样扰动问题2.2.现场方法现场方法 抽水试验法抽水试验法 灌水试
9、验法灌水试验法3.3.经验公式法经验公式法抽水试验抽水试验一、恒定均匀渗流和非均匀渐变渗流的特性一、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恒定均匀渗流，在整个渗流场中任意点的流速u 都都 相等。相等。渐变流过流断面上各点的渗流流速渐变流过流断面上各点的渗流流速u相等，并等于断相等，并等于断 面平均流速面平均流速v。恒定非均匀渐变渗流，如图所示，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经推导可得渐变流过流断面上各点的测压管坡度测压管坡度 常数sHJdd由式由式u=kJ可知可知 dsdHkkJvu此式称为裘皮幼公式此式称为裘皮幼公式(Du
10、puit)二、渐变渗流基本微分方程二、渐变渗流基本微分方程如图所示的无压渗流，定义其如图所示的无压渗流，定义其底坡底坡i=-dz/ds，则由裘皮幼公式则由裘皮幼公式得得 )dd(ddshiksHkkJvd()dhQAvAk is或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。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。问题中为浸润曲线。将均匀渗流的水深将均匀渗流的水深h0 0称为正常水深，并按底坡的情称为正常水深，并按底坡的情况分为况分
11、为 i 0，称为顺坡渗流称为顺坡渗流；i=0，称为平坡渗流称为平坡渗流；由于渗流速度甚小，不存在临界水深。由于渗流速度甚小，不存在临界水深。以以i 0的顺坡渗流为例进行浸润线的分析：的顺坡渗流为例进行浸润线的分析：引入辅助的均匀流有引入辅助的均匀流有0QkA i将其代入渐变渗流基本微分方程得将其代入渐变渗流基本微分方程得)1(dd0AAish设渗流区的过流断面是宽度为设渗流区的过流断面是宽度为b的宽阔矩形，的宽阔矩形，A=bh，A0=bh0，并令并令=h/h0，则上式又可写为则上式又可写为)11(dd ish上式即为顺坡渗流浸润曲线的微分方程。上式即为顺坡渗流浸润曲线的微分方程。1 1、水流分
12、区、水流分区 顺坡渗流存在正常水深顺坡渗流存在正常水深h0，正常水深线正常水深线N-N将渗流区将渗流区域分为域分为1 1、2 2两区。两区。1 1区：区：hh0 2区：区：h0；2 2区的浸润线为水深沿程减小的降水曲线，即区的浸润线为水深沿程减小的降水曲线，即dh/ds t情况为例情况为例2QAvrtkJkJvrtA2rzktrsztrkdd2dd2szJddrsdd分离变量分离变量d2drQkt zr积分积分0d2dRHrhrQktzr得得02lnkt HhQRr 上式即为上式即为ht时的完全自流井产水量计算公式，式中时的完全自流井产水量计算公式，式中t为含水层厚度。为含水层厚度。思考题：上
13、式是否也适用于思考题：上式是否也适用于h t情况？为什么？情况？为什么？四、大口井四、大口井 大口井是井径较大、井深较小的集水井，一般用于大口井是井径较大、井深较小的集水井，一般用于集取浅层地下水。大口井井径大致在集取浅层地下水。大口井井径大致在210m，常用的大约，常用的大约为为35m。大口井一般是不完全井，其产水量来自井壁和。大口井一般是不完全井，其产水量来自井壁和井底。井底。大口井的渗流形式有两种假定：大口井的渗流形式有两种假定：过流断面为半球面，适用于含水层厚度很大的情况；过流断面为半球面，适用于含水层厚度很大的情况；过流断面为椭球面。适用于含水层厚度较小的情况。过流断面为椭球面。适用
14、于含水层厚度较小的情况。对于渗流过流断面为半球面的大口井，其产水量公式为对于渗流过流断面为半球面的大口井，其产水量公式为 Q=2kr0S 对于渗流过流断面为椭球面的大口井，其产水量公式为对于渗流过流断面为椭球面的大口井，其产水量公式为 Q=4kr0S 一、井群的定义一、井群的定义 在一个区域打多个井同时抽水，当这些井之间的距在一个区域打多个井同时抽水，当这些井之间的距离不是很大时，井与井之间的地下水流相互发生影响，离不是很大时，井与井之间的地下水流相互发生影响，这种同时工作的许多井称为井群。这种同时工作的许多井称为井群。二、井群的计算二、井群的计算 根据势流理论根据势流理论 ，分别给出单井渗流
15、的流速势：，分别给出单井渗流的流速势：潜水井潜水井 2/2kz或或zkzdd自流井自流井ktz或或zktdd 如图所示，有个完全潜水如图所示，有个完全潜水井组成的井群，第井组成的井群，第i个单井的流个单井的流速势为速势为201ln22iiirQkzcr 根据势流叠加原理，当根据势流叠加原理，当n个井同时工作时，渗流区域个井同时工作时，渗流区域中任一点流速势中任一点流速势 值为各井单独作用时在该点的值为各井单独作用时在该点的 值之值之和，即和，即i11lnln22nniiiiiiiiQQrcrC现考虑各井产水量相同的情况，即现考虑各井产水量相同的情况，即01niiQnqQ式中式中Q0为井群的总产
16、水量。为井群的总产水量。设井群的影响半径为设井群的影响半径为R，由于各单井之间的距离不太，由于各单井之间的距离不太大，故可取大，故可取r1r2=R，考虑到当，考虑到当z=H时，时，=kH2/2，则常，则常数数C为为201ln22QCkHR将将C代入代入，并注意并注意 =kz2/2，则得井群浸润面方程则得井群浸润面方程220121lnln()nQzHRr rrkn式中式中R为井群的影响半径，可采用以下公式计算：为井群的影响半径，可采用以下公式计算：kHSR575 对于自流井井群，可以仿照以上讨论方法推求测压管水对于自流井井群，可以仿照以上讨论方法推求测压管水头线方程（请读者自行推导）为头线方程（
17、请读者自行推导）为0121lnln()2nQzHRr rrktnEND)END)本章主要研究了重力水在均质各向同性土壤中的本章主要研究了重力水在均质各向同性土壤中的恒定流动规律。渗流理论广泛应用于诸多学科领域，恒定流动规律。渗流理论广泛应用于诸多学科领域，其中土木工程中的路基排水、隧道防水、桥梁及建筑其中土木工程中的路基排水、隧道防水、桥梁及建筑工程的基础施工降水、城市防洪工程设计等，也将用工程的基础施工降水、城市防洪工程设计等，也将用到有关渗流知识。因此本章要求重点掌握的内容如到有关渗流知识。因此本章要求重点掌握的内容如下：下：(END)(END)重点重点掌握掌握达西渗流达西渗流定律定律集水廊道集水廊道和井的产和井的产水量计算水量计算渗流的基渗流的基本概念本概念均匀渗流均匀渗流和渐变渗和渐变渗流的特性流的特性
