工程流体力学第8章渗流PPT(29页)_详细.ppt

第第8章章 渗流渗流•学习重点学习重点•§8-1 概述概述•§8-2 渗流基本定律渗流基本定律•§8-3 恒定非均匀流渐变渗流恒定非均匀流渐变渗流•§8-4 水平集水构筑物的渗流水平集水构筑物的渗流•§8-5 井的渗流井的渗流•§8-6 渗流对建筑物安全稳定的影响渗流对建筑物安全稳定的影响•渗流模型及渗流基本定律渗流模型及渗流基本定律•集水廊道和单井的水力计算集水廊道和单井的水力计算返回 学习重点学习重点•渗流渗流：流体在多孔介质中的流动称为渗流流体在多孔介质中的流动称为渗流•一一. 渗流理论的实用意义渗流理论的实用意义•给水工程中井、集水廊道等集水构筑物的设计计算给水工程中井、集水廊道等集水构筑物的设计计算•蓄水和排灌工程中渠道的渗流损失、侧坡的稳定等蓄水和排灌工程中渠道的渗流损失、侧坡的稳定等•公路工程中路基排水、透水路堤的设计与施工公路工程中路基排水、透水路堤的设计与施工•建筑施工中围堰或基坑的排水和水位的下降等建筑施工中围堰或基坑的排水和水位的下降等•水工建筑物方面（坝身的稳定、坝身及坝下的渗漏损水工建筑物方面（坝身的稳定、坝身及坝下的渗漏损失、建筑物的抗渗和抗浮等的计算及浸润线的确定等。

失、建筑物的抗渗和抗浮等的计算及浸润线的确定等§8-1概述概述二、水在岩土中的状态二、水在岩土中的状态•汽态水汽态水：：以蒸汽状态存在于土壤孔隙中以蒸汽状态存在于土壤孔隙中•结合水结合水（吸着水和薄膜水）（吸着水和薄膜水）：：受分子力作用吸附于土受分子力作用吸附于土粒表面；粒表面；•自由水自由水：：包括包括• 毛细水毛细水：：通过毛细作用保持在土壤缝隙中通过毛细作用保持在土壤缝隙中；；• 重力水重力水：：在重力作用下，可在土壤颗粒孔隙中运在重力作用下，可在土壤颗粒孔隙中运动是渗流理论研究的对象动是渗流理论研究的对象•固态水固态水 三、岩土的渗流特性三、岩土的渗流特性•岩土的孔隙率岩土的孔隙率•不均匀系数不均匀系数K60•1、均质岩土：、均质岩土：• 各向同性各向同性• 各向异性各向异性•2.非均质岩土非均质岩土• 本章只研究均质各向同性岩土中重力水的恒定流动本章只研究均质各向同性岩土中重力水的恒定流动四、渗流模型四、渗流模型•将渗流看作是将渗流看作是连续介介质流体充流体充满全部渗流空全部渗流空间•假定假定：：•渗流是一个渗流是一个连续体，地下水充体，地下水充满了整个渗流空了整个渗流空间•地下水沿主流方向运地下水沿主流方向运动四、渗流模型四、渗流模型•根据渗流模型的定根据渗流模型的定义，，•渗流流速渗流流速u＝＝ ΔQ/ Δω ，，•实际渗流流速渗流流速u′＝＝ ΔQ/ m Δω ，，•u＝＝m u′• m<1，， u′> u•引入渗流模型后，引入渗流模型后，按欧拉法，渗流可分为：按欧拉法，渗流可分为：•恒定渗流与非恒定渗流；恒定渗流与非恒定渗流；•一元、二元、三元渗流；一元、二元、三元渗流；•均匀渗流与非均匀渗流；或渐变渗流与急变渗流；均匀渗流与非均匀渗流；或渐变渗流与急变渗流；•无压渗流与有压渗流等。

无压渗流与有压渗流等•曲折复杂的水流通道曲折复杂的水流通道•迟缓的渗流速度迟缓的渗流速度•非恒定的渐变流运动非恒定的渐变流运动五、五、地地下水运动的特点下水运动的特点§8-2渗流基本定律渗流基本定律•一、达西渗流定律：•试验发现：：Q∝ AJ ,( J= hf / l )一、达西渗流定律一、达西渗流定律• Q = kAJ •或或 v= kJ • k ：渗流系数，反映土壤：渗流系数，反映土壤对水流运水流运动的的综合作用合作用;• v：：断面平均流速断面平均流速,即渗流模型速度即渗流模型速度A•达西实验是在等直径圆筒内的均质砂质中进行的，属达西实验是在等直径圆筒内的均质砂质中进行的，属于于均匀渗流，断面上各点运动相同即均匀渗流，断面上各点运动相同即•也称为渗流线性定律也称为渗流线性定律•实际上，大部分地下水属非均匀渐变渗流实际上，大部分地下水属非均匀渐变渗流 u= kJ • 二、达西渗流定律的适用范围二、达西渗流定律的适用范围•实验表明：表明：•当当Re=＜l～10，J= u/k， •当当Re>10时， J＝ au＋ bu2• 本章本章仅讨论符合达西定律的渗流符合达西定律的渗流问题。

三、三、 渗流系数渗流系数•与岩土的性质（如颗粒的大小、成分、排列方式、与岩土的性质（如颗粒的大小、成分、排列方式、充填状况，裂隙的性质及其发育程度）和渗流流体充填状况，裂隙的性质及其发育程度）和渗流流体的物理性质（如容重、粘滞性）有关的物理性质（如容重、粘滞性）有关•量纲为量纲为[LT[LT-1-1] ]，常用单位，常用单位cm/scm/s或或m/dm/d表示表示•确定方法确定方法：：•实验室测定法实验室测定法•现场测定法现场测定法•经验公式法经验公式法: :•一、杜比公式一、杜比公式• 1857年，法国学者杜比在达西定律的基础上提出了年，法国学者杜比在达西定律的基础上提出了渐变渗流的渗流定律渐变渗流的渗流定律—杜比公式杜比公式•相距相距 ds 的两的两过流断面流断面测压管管•水水头 H1 与与 H2，，则则•由于是由于是渐变流，流，过流断面上各点的水力坡度近似相等，过流断面上各点的水力坡度近似相等，即即§8-3 恒定非均匀渐变渗流恒定非均匀渐变渗流一、杜比公式一、杜比公式•根据达西定律根据达西定律•渐变渗流过流断面上各点流速渐变渗流过流断面上各点流速可可表示为表示为• ——杜比公式杜比公式•注意注意：：杜比公式与达西公式杜比公式与达西公式的的不同不同二、二、渐变渗流基本微分方程渐变渗流基本微分方程•如如图示示为无无压恒定恒定渐变渗流。

两断面渗流两断面间的的测压管水管水头差差为•- dH =[(z+dz )+(h+ dh)]-(z+h )=dz + dh• J= = (-i+ )=•根据杜比公式，根据杜比公式，有有三、渐变三、渐变渗流浸润渗流浸润曲曲线线的的分析分析•没有急流、没有急流、缓流，陡坡、流，陡坡、缓坡之分，因此，渗流浸坡之分，因此，渗流浸润线分析，只分正坡、平坡和分析，只分正坡、平坡和负坡•1 1、顺坡（、顺坡（i i＞＞0 0））•存在均匀流，其流量存在均匀流，其流量为为• • 积分即可得到浸润线方程积分即可得到浸润线方程 •① a区区： h>h0 (A>A0) dh/ds>0，，a1壅水曲壅水曲线•②② b区：区：h

取廊道右取廊道右侧分析，如分析，如图示，示，L是影响范是影响范围在oZ处，，积分得浸润线方程积分得浸润线方程• 将x＝ L，z = H代入得单宽流量• 水平水平集集水构筑物水构筑物一、一、潜水完整井潜水完整井•一、一、潜水完整井潜水完整井•取距井取距井轴为 r，浸，浸润面高面高为 z 的的圆柱形柱形过水断面，根水断面，根据杜比公式据杜比公式•分离变量，积分分离变量，积分•得普通完整井浸润线方程得普通完整井浸润线方程• 一、一、潜水完整井潜水完整井•当当 r = R 时，，z = H 代入上式得井的产水量代入上式得井的产水量•把把h= H-S代入上式并整理可得代入上式并整理可得Q=1.366•R主要取决于土壤性主要取决于土壤性质，一般由，一般由现场抽水抽水试验或用或用经验公式公式计算算• •或或 •设承压含水层厚度为设承压含水层厚度为t•同理，可推出同理，可推出浸润面方程浸润面方程•最大恒定抽水量最大恒定抽水量二、二、承压完整井承压完整井三、三、大口井大口井•1、假设、假设含水含水层厚度很大，地下水从半球形的底部沿厚度很大，地下水从半球形的底部沿半球半径方向流入，半球半径方向流入，过水断面水断面为与井底同心的半球面，与井底同心的半球面，• Q＝＝2πkr0S •适用于含水层厚度很大适用于含水层厚度很大•2、、平底不完整大口井，其平底不完整大口井，其过流断面流断面为半半椭球面，渗球面，渗流流流流线为双曲双曲线。

•Q＝＝4kr0S •适用于含水层厚度较小适用于含水层厚度较小四四、、井群井群•势流叠加原理势流叠加原理•（一）潜水完整井井群（一）潜水完整井井群•设在水平不透水在水平不透水层上有上有n口潜水完整井口潜水完整井A为各井影各井影响范响范围内的一点，它距各井的距离分内的一点，它距各井的距离分别为r1、、r2、、…、、rn，各井的半径分，各井的半径分别为r01、、r02、、…、、r0n各井单独抽独抽水水时井中水深分井中水深分别为h1、、h2、、…、、hn，它，它们在在A 点点处的地下水位分的地下水位分别为z1、、z2、、…zn•若各井抽水量相等，即若各井抽水量相等，即Q Q1 1 = = Q Q2 2= = … = = Q Qn n= =Q Q0 0/n/n= = Q Q•浸润面方程：浸润面方程：•总抽水量总抽水量四、井群井群•（二）（二）承压完整井井群承压完整井井群•若各井抽水量相等，即若各井抽水量相等，即Q Q1 1 = = Q Q2 2= = … = = Q Qn n= =Q Q0 0/n/n= = Q Q•浸润面方程：浸润面方程：•z = H- [lgR- lg（r1·r2·…·rn）] •总抽水量总抽水量•Q Q0 0=2.732=2.732四四、井群、井群§§8.6渗流对建筑物安全稳定的影响渗流对建筑物安全稳定的影响•一、一、扬压力扬压力•渗流作用在建筑物基底上的压力渗流作用在建筑物基底上的压力称为扬压力称为扬压力•利利：：能减轻地基的荷载，形成所能减轻地基的荷载，形成所谓的谓的“浮基础浮基础”；可以用人为控制；可以用人为控制扬压力的方法，使建筑物初期沉扬压力的方法，使建筑物初期沉降加快，缩短地基的不稳定期。

降加快，缩短地基的不稳定期•弊弊：：地下水位变动时，由于基础地下水位变动时，由于基础的荷载随扬压力变化而变化，常的荷载随扬压力变化而变化，常使基础受力失去平衡而致使建筑使基础受力失去平衡而致使建筑物发生沉降物发生沉降；；当建筑物自身荷载当建筑物自身荷载发生变化时，也会使基础受力失发生变化时，也会使基础受力失衡而致使建筑物损坏衡而致使建筑物损坏作用在单位宽坝基作用在单位宽坝基底面上的扬压力为底面上的扬压力为PZ= ρg(h1+h2)L§§8.6渗流对建筑物安全稳定的影响渗流对建筑物安全稳定的影响•二、二、地基渗透变形地基渗透变形•流砂流砂•管涌管涌。