第十五章渗流.doc

第30讲（2课时） 第十五章 渗 流 渗流：流体在孔隙介质中的流动。水工中一般为地下水在土壤中的流动。 水工中常见的渗流问题有：经过挡水建筑物的渗流；水工建筑物地基中的渗流；集水建筑物的渗流；水库及河渠的渗流。 ★15-1 渗流的基本概念 一、水在土中的存在形式 汽态水、吸着水、薄膜水、毛细水、重力水。 汽态水：以水蒸汽形式存在于土壤空隙中，对水利工程来讲一般可不计。 吸着水和薄膜水：受分子力作用而挟持于土中的水，一般不考虑。 毛细水：受表面张力而移动的水，它可以传递静水压力。 重力水：重力作用下在土壤空隙中运动的水。宏观水力学主要研究重力水的运动。 二、土的渗流特性 土的渗流性质与土的密实程度有关，土的密实程度可用土的空隙率n来表示： （空隙体积，土体的总体积W（包含空隙体积））。 土体颗粒的均匀程度对渗流性质也有影响，土的不均匀系数为：。 均质土/非均质土：土的渗流特性各处相同，不随空间位置而变化，称为均质土，反之为非均质土。 各向同性土/各向异性土：透水性能在各个方向均相同的土为各向同性土，反之为各向异性土。 如由等直径的球形颗粒有规则排列时为均质各向异性土；若以大小相同的长方形颗粒有规则排列时为均质各向异性土。本章仅讨论均质各向异性土中的渗流。 三、渗流模型 渗流模型：认为渗流是充满了整个空隙介质区域的连续水流，包括土粒骨架所占据的空间在内，均由水所充满，似乎无土粒存在一样。（连续介质运动，一般水力学的概念与方法可引伸到渗流中来）。 模型流速：，真实流速：， 以渗流模型取代真实的渗流的原则：1.渗流模型的流量与实际渗流的流量相等；2.对某一作用面，渗流模型的动水压力与真实渗流的动水压力相等；3.渗流模型的阻力与实际渗流的阻力相等（即水头损失应相等）。 四、渗流类型 与一般水流一样，渗流可分为：恒定渗流/非恒定渗流；均匀渗流/非均匀渗流；渐变渗流/急变渗流；有压渗流/无压渗流。 ★15-2 渗流的基本定律----达西定律 一、达西定律 由达西在均匀渗流中得到达西定律，后被推广到整个渗流计算中去。 达西实验装置：上段开口的圆筒，筒中装有均质沙，其上部有进水管及保持恒定水位的溢水设备，筒的侧壁装有两个测压管。水由上部经沙土渗透，由滤水网排出，渗流流量由容器量取。 实验结果：，或：，即平均流速：（达西公式）。 表明：渗流流速与水力坡度的一次方成正比。 式中k为反映土的透水性质的比例系数，称为渗透系数。渗透系数与流速的量纲一样。 若水力坡度J以微分形式表示，则：，H为总水头，因渗流流速很小，可用测压管水头代替：。 以上达西公式为均匀渗流的平均渗流流速的关系，可引伸为任意点的渗流，即：。 二、达西定律的适用条件 达西定律仅适用于层流渗流（因为层流时水头损失与流速的一次方成正比）。水利工程中的渗流除堆石坝、堆石排水体等大空隙介质的渗流为紊流外，大多为属于层流渗流。有的学者曾提出以粒径（0.01~3.0mm）或雷诺数(Re)表示达西定律的适用范围。 对非层流渗流，，当m=2时为紊流渗流，m=1~2时为层流到紊流的过渡区。 三、渗透系数 土的渗透系数是反映土的渗流特性的一个综合指标，其大小主要取决于土的颗粒形状、大小、不均匀系数及水温。其确定方法有： 1．经验法：参照有关规范和已成工程的资料来选定。参考值见表15-1。 2．室内测定法：取土样在实验室中按达西实验装置测定。但土样的结构状态受到扰动。 3．野外测定法：采用钻井抽水或压水试验。但费用较高。 ★15-3 地下河槽中恒定均匀渗流和非均匀渐变渗流 地下河槽水流：位于不透水基底上的空隙区域内有地下水流动，且水流具有自由表面（无压）。 属无压渗流，地下河槽可分为棱柱体地下河槽与非棱柱体地下河槽，水流可分为均匀渗流与非均匀渗流，非均匀渗流又可分为渐变渗流与急变渗流。非均匀渗流的水面称为浸润曲线。 一、地下河槽中的均匀渗流 ，则：平均流速，流量，单宽流量 二、地下河槽中的非均匀渐变渗流的基本公式----杜比（J. Dupuit）公式 微小流束的流速：，断面平均流速： 因为渐变流同一过水断面上各点的测压管水头等于常数，因此任微小流束两断面间的测压管的水头差相等均为dH，且ds也近于相等，因此dH/ds为常数。 上式称为杜比公式，表明：过水断面上各点流速相等并等于断面平均流速，流速分布为矩行，但不同过水断面上的流速大小是不相等的。 第31讲（2课时） ★15-4 棱柱体地下河槽中恒定渐变渗流的浸润曲线 一、基本微分方程式 , 所以：， 则： 由杜比公式得：断面平均流速， 渗流流量 二、正坡（i0）地下河槽中的浸润曲线 地下河槽中无临界水深，仅有正常水深；底坡也仅有正坡、平坡和逆坡之分