滲流水在孔隙介質(zhì)中的流動

1、第十章 滲流滲流：水在孔隙介質(zhì)中的流動。第一節(jié) 概述一、水利工程中常見的滲流問題1、水流流經(jīng)擋水建筑物發(fā)生滲流；2、水透過水工建筑物地基中的滲流；3、集水建筑物的滲流；4、河渠及水庫的滲流。二、水在土壤中存在形式汽態(tài)水、吸著水、薄膜水、毛細(xì)水、重力水。汽態(tài)水：以水蒸汽形式存在于土壤空隙中，對水利工程來講一般可不計。吸著水和薄膜水：受分子力作用而挾持于土中的水，一般不考慮。毛細(xì)水：受表面張力而移動的水，它可以傳遞靜水壓力。重力水：重力作用下在土壤空隙中運動的水。宏觀水力學(xué)主要研究重力水的運動。三、土壤的滲流特性1、透水性（1）均質(zhì)土/非均質(zhì)土：土的滲流特性各處相同，不隨空間位置而變化，稱為均質(zhì)土

2、，反之為非均質(zhì)土。（2）各向同性土/各向異性土：透水性能在各個方向均相同的土為各向同性土，反之為各向異性土。2、容水度：土壤能容納的最大水體積與土壤總體積之比。3、持水度：在重力作用下仍能保持的水體積與土壤的總體積之比。4、給水度：在重力作用下土壤能釋放出來的水體積與土壤總體積之比。四、滲流模型1、滲流模型：認(rèn)為滲流是充滿了整個空隙介質(zhì)區(qū)域的連續(xù)水流，包括土粒骨架所占據(jù)的空間在內(nèi)，均由水所充滿，似乎無土粒存在一樣。（連續(xù)介質(zhì)運動，一般水力學(xué)的概念與方法可引伸到滲流中來）。2、以滲流模型取代真實的滲流的原則：（1）滲流模型的流量與實際滲流的流量相等；（2）對某一作用面，滲流模型的動水壓力與真實滲

3、流的動水壓力相等；（3）滲流模型的阻力與實際滲流的阻力相等（即水頭損失應(yīng)相等）。五、滲流的分類滲流可分為：恒定滲流/非恒定滲流；均勻滲流/非均勻滲流；漸變滲流/急變滲流；有壓滲流/無壓滲流。第二節(jié) 滲流的基本定律達(dá)西定律一、達(dá)西定律1、達(dá)西實驗（1）實驗裝置達(dá)西實驗裝置：上段開口的圓筒，筒中裝有均質(zhì)沙，其上部有進(jìn)水管及保持恒定水位的溢水設(shè)備，筒的側(cè)壁裝有兩個測壓管。水由上部經(jīng)沙土滲透，由濾水網(wǎng)排出，滲流流量由容器量取。見圖10-1（2）實驗結(jié)果：，或：，即平均流速：（達(dá)西公式）。表明：滲流流速與水力坡度的一次方成正比。2、達(dá)西定律：在均質(zhì)孔隙介質(zhì)中滲流流速與水力坡度的一次方成比例并與土的性質(zhì)有

4、關(guān)。K滲透系數(shù)，反映土的透水性質(zhì)的比例系數(shù)，滲透系數(shù)與流速的量綱一樣。3、達(dá)西公式的推廣滲流流場中任意點的滲流流速二、達(dá)西定律的適用范圍1、達(dá)西定律僅適用于層流滲流（因為層流時水頭損失與流速的一次方成正比）。水利工程中的滲流除堆石壩、堆石排水體等大空隙介質(zhì)的滲流為紊流外，大多為屬于層流滲流2、有的學(xué)者曾提出以粒徑（0.01）或雷諾數(shù)(Re0）地下河槽中的浸潤曲線1、浸潤曲線定性分析在正坡地下河槽中的浸潤曲線：因有均勻流產(chǎn)生，流量可用均勻流流量代替，即：，或：，僅有a區(qū)與b區(qū)之分。a區(qū)：,故，則：dh/ds0，為壅水曲線。 上游端：，則：dh/ds，所以上游端以N-N線為漸進(jìn)線。 下游端：，則：

5、dh/ds，所以下游端以水平線為漸進(jìn)線。b區(qū)：,故，則：dh/ds0，為降水曲線。 上游端：，則：dh/ds，所以上游端以N-N線為漸進(jìn)線。 下游端：，則：dh/ds，所以下游端有與槽底成正交的趨勢。2、浸潤曲線方程對矩形河槽：令，則：，或：積分得：二、平坡（i=0）地下河槽中的浸潤曲線1、浸潤曲線定性分析i=0，則：，或，有唯一浸潤曲線，dh/ds0, 所以水平地下河槽中浸潤曲線是降水曲線。下游端：，則：dh/ds，所以下游端有與槽底成正交的趨勢。上游端：視實際邊界條件而定，在極限情況下，時，dh/ds，以水平線為漸進(jìn)線。2、浸潤曲線方程對矩形河槽：，或，積分得：三、逆坡（i0）地下河槽中的

6、浸潤曲線1、浸潤曲線定性分析令,則：，虛擬均勻流流量：，則：，即：有唯一浸潤曲線，dh/ds0, 所以逆坡地下河槽中浸潤曲線是降水曲線。下游端：，則：dh/ds，所以下游端有與槽底成正交的趨勢。上游端：視實際邊界條件而定，在極限情況下，時，dh/ds，以水平線為漸進(jìn)線。2、浸潤曲線方程矩形河槽：令，則：，或：積分得：。第五節(jié) 井的滲流一、井的滲流普通井：在地表的無壓透水層中所開掘的井。普通完全井：井底直達(dá)不透水層的井；（普通）不完全井：井底沒有達(dá)到不透水層的井。（一）完全井1、完全潛水井設(shè)含水層位于水平不透水層上，含水層厚度為H，井中水深為，井的半徑為。以井的中心為原點，任取一距井軸為r的過水

7、斷面，該斷面的含水層厚度為z，則：斷面上的平均流速為：，滲流量為：，積分得：，化為常用對數(shù)：設(shè)R為井的影響半徑（此處地下水位為H，不受井的影響）。則：R的經(jīng)驗公式：（以米、秒為單位）。2、完全承壓井（二）、不完全井特點：水流不僅沿井壁周圍流入井內(nèi)，同時也從井底流入井內(nèi)。采用大于1的修正系數(shù)。（三）、井群簡單的井群：每個井均為完全井，井的尺寸相同，抽水流量相同，井與井的間距很小。用勢流疊加原理得：式中n為井的數(shù)目，h為任意點A的含水層厚度，為各井距A點的距離，R為影響半徑，H為原含水層厚度。單井的供水能力：。第六節(jié) 水平不透水層上均質(zhì)土壩的滲流計算計算目的：確定經(jīng)過壩體的滲流量和壩內(nèi)的浸潤曲線位

8、置。筑于水平不透水層上均質(zhì)土壩，上游水深為，下游水深為，水由上游邊界AB滲入壩體，在壩內(nèi)形成自由表面（浸潤面）AC，C點稱為逸出點，ABDC區(qū)域為滲流區(qū)。因壩體較長，把土壩滲流作為平面問題看待，同時認(rèn)為壩內(nèi)滲流符合漸變滲流的條件。三段法：上游三角楔形體ABE，中間段AEGC，下游出滲段CGD，對每段按漸變滲流的基本公式（杜比公式）計算滲流量，流量相等，聯(lián)合求解，得滲流量及逸出點水深及浸潤曲線。兩段法：把上游楔形體ABE用矩形體AEBA取代，把第一二段合并為一段，即上游滲流段ABGC。矩形體的等效寬度為：，為壩上游面的邊坡系數(shù)。一、上游段的計算水頭差為，平均滲透路程為，平均過水?dāng)嗝婷娣e為，（為壩下游面的邊坡系數(shù)，L為第二三段的水平距離）。則單寬滲流量：二、下游段的計算設(shè)逸出點在下游水面以上的高度為，水面以下為有壓滲流，水面以上為無壓滲流，需分開計算。同時下游段內(nèi)滲流的流線可看著是水平線。下游段水面以上部分：在y處取微小流束dy, 水頭差，長度，則水力坡度，微小流束流量d, 總流量下游段水面以下部分：在