工程流体力学第8章渗流.ppt

1、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

2、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

3、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K601、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

4、续连续介介质质流体充流体充满满全部渗流空全部渗流空间间假定假定：渗流是一个渗流是一个连续连续体，地下水充体，地下水充满满了整个渗流空了整个渗流空间间地下水沿主流方向运地下水沿主流方向运动动四、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义，渗流流速渗流流速u Q/，实际实际渗流流速渗流流速u Q/m ，um u m 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

5、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，反映土壤对对水流运水流运动动的的综综合作用合作用;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

6、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实验表明：表明：当当Re=l10，J=u/k，当当Re10时，J au bu2 本章本章仅讨论仅讨论符合达西定律的渗流符合达西定律的渗流问题问题。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

7、滞性）有关量纲为量纲为LTLT-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 的两的两过过流断面流断面测压测压管管水水头头 H1 与与 H2，则则由于是由于是渐变渐变流，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

8、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图示示为为无无压压恒定恒定渐变渐变渗流。两断面渗流。两断面间间的的测压测压管水管水头头差差为为-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、缓缓流，陡坡、流，陡坡、缓缓坡之分，因此，渗流浸坡之分，因此，渗流浸润润线线分析，只分正坡、平坡和分析，

9、只分正坡、平坡和负负坡。坡。1 1、顺坡（、顺坡（i i0 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。a区区：hh0 (AA0)dh/ds0，a1壅水曲壅水曲线线。b区：区：hh0 (AA0)dh/ds0 b2降水曲降水曲线线。2.2.平坡（平坡（i=0i=0）（h1 12 2-h2 22 2）3.逆坡（逆坡（i0）渗流）渗流三、渐变三、渐变渗流浸润渗流浸润曲曲线线的的分析分析8-4水平集水构筑物的渗流水平集水构筑物的渗流 1、水平水平集集水构筑物水构筑物如集水廊道、渗水管及渗渠等如集水廊道、渗水管及渗渠等2、垂直垂直集集水构筑物水构筑物：潜水

10、完整井潜水完整井 潜水非完整井潜水非完整井承压水完整井承压水完整井承压水非完整井承压水非完整井 水平水平集集水构筑物水构筑物设设集水廊道横断面集水廊道横断面为为矩形，矩形，宽为宽为b,i=0。取廊道右。取廊道右侧侧分析，如分析，如图图示，示，L是影响范是影响范围围。在。在oZ处处，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轴为 r，浸，浸润润面高面高为为 z 的的圆圆柱形柱形过过水断面，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

11、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=1.366R主要取决于土壤性主要取决于土壤性质质，一般由，一般由现场现场抽水抽水试验试验或用或用经经验验公式公式计计算算 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，过过水断面水断面

12、为为与井底同心的半球面，与井底同心的半球面，Q2kr0S 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，其过过流断面流断面为为半半椭椭球面，渗球面，渗流流流流线为线为双曲双曲线线。Q4kr0S 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）潜水完整井井群设设在水平不透水在水平不透水层层上有上有n口潜水完整井。口潜水完整井。A为为各井影各井影响范响范围围内的一点，它距各井的距离分内的一点，它距各井的距离分别为别为r1、r2、rn，各井的半径分，各井的半径分别为别为r01、r02、r0n。各井。各井单单独

13、抽独抽水水时时井中水深分井中水深分别为别为h1、h2、hn，它，它们们在在A 点点处处的地下水位分的地下水位分别为别为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（r1r2rn）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

14、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=g(h1+h2)L8.6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