流體力學(xué)課件滲流

1、 流體在孔隙介質(zhì)中的流動稱為滲流(Seepage Flow) 。 地下水流動：水在地表以下的土壤和巖石層中的流動。 常見的滲流問題有以下幾方面： 1、經(jīng)過擋水建筑物的滲流 2、水工建筑物地基中的滲流 3、集水建筑物的滲流 4、水庫及河渠的滲流滲流的基本概念水在土中的存在形式 水在土中有以下幾種存在 形式：汽態(tài)水、附著水、薄膜水、毛細(xì)水、重力水。 重力水是指重力作用下在土壤孔隙中運動的水，它在工程實踐中具有重要意義。 土的滲流特性 孔隙率：指單位總體積中孔隙所占的體積沙質(zhì)土： m=0.4-0.6 ；天然粘土、淤泥： m=0.350.459-1 滲流基本定律一、滲流模型 滲流模型，認(rèn)為滲流是充滿了

2、整個孔隙介質(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。滲流模型的實質(zhì)在于，把實際上并不充滿全部空間的液體運動，看作是連續(xù)空間內(nèi)的連續(xù)介質(zhì)運動。 這樣就可把研究流體力學(xué)的理論和方法應(yīng)用到滲流中。根據(jù)滲流模型的概念，某一微小過水?dāng)嗝嫔系臐B流流速定義為： 式中： 為通過微小過水?dāng)嗝?的滲流流量； 為包括土粒骨架所占橫截面積在內(nèi)的假想過水面積。很顯然，真實的過水面積比 小。若土系均質(zhì)土，其孔隙率為 m ，真實的過水面積應(yīng)為 m ，故通過該斷面孔隙內(nèi)的真實流速應(yīng)為 滲流模型流速u小于真實滲流流速u。 以滲流模型取代真實的滲流，必須遵守以下幾個原則： (1) 通過滲流

3、模型的流量必須和實際滲流的流量相等。 (2) 對某一確定的作用面，從滲流模型所得出的動壓力，應(yīng)當(dāng)和真實滲流的動壓力相等。 (3) 滲流模型的阻力和實際滲流應(yīng)當(dāng)相等，也就是說水頭損失應(yīng)當(dāng)相等。 滲流類型 恒定滲流及非恒定滲流，均勻滲流及非均勻滲流，漸變滲流及急變滲流，有壓滲流和無壓滲流等等。 滲流與地表水流的差異 因滲流v小，動能可忽略，所以過流斷面的總水頭等于測壓管水頭，即 正因為滲流流速小，滲流無急流與緩流之別，也無緩坡與陡坡之分，只分為順坡、平坡和逆坡。二、滲流的基本定律達(dá)西定律 達(dá)西定律 由于滲流流速很小，所以流速水頭 忽略不計。 列1，2 斷面能量方程 達(dá)西實驗裝置H2H1hwL12實

4、驗發(fā)現(xiàn)： 引入滲透系數(shù)k，可得達(dá)西定律的一般表達(dá)式：式中：k 為反映土的透水性質(zhì)的比例系數(shù)，稱為滲流 系數(shù)。滲流系數(shù)具有流速的量綱。 達(dá)西公式表明在均質(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)有關(guān)，因此亦稱滲流線性定律。 若滲流的水力坡度 J 以微分形式表示，則 ，H 為滲流的總水頭。由于一般滲流流速很小，其流速水頭可以不計，所以總水頭H可用測壓管水頭來代替。即 由此可知均勻滲流斷面平均流速為 則滲流場中任意點流速為 達(dá)西定律的適用條件 水頭損失和流速一次方成比例，乃是流體作層流運動所遵循的規(guī)律，由此可見達(dá)西定律只能適用于層流滲流。 三、滲流系數(shù)(coefficient of p

5、ercolation) 滲流系數(shù)k值是與土或巖石透水性大小有關(guān)的指標(biāo)，反映土的滲流特性的一個綜合指標(biāo)，其數(shù)值取決于土壤的特性和水的特性。常用以下幾種方法： 1、經(jīng)驗法 2、室內(nèi)測定法 3、野外測定法問題1. 滲透系數(shù)反映土的透水性，其量綱： B.與流量相同 C.與面積相同 D.無量綱2. 比較地下水在不同土壤中滲透系數(shù)的大小(粘土 k1，黃土k2，細(xì)砂k3)： A. k1 k2 k3 C.k2 k1 k3 D.k3 k1 k23. 判斷：由達(dá)西定律，在均質(zhì)介質(zhì)中滲流流速只與 土的性質(zhì)有關(guān)，與水力坡度無關(guān)。4. 滲流模型與實際模型相比較： B.流速相同； C.各點壓強不同； D.滲流阻力不同。

6、A.與流速相同B. k1 k20）滲流浸潤曲線 因為順坡可產(chǎn)生均勻流，所以有正常水深線；但由于滲流流速很小，不存在急流，所以不存在臨界水深線。正常水深線N-N將滲流區(qū)分為1、2兩區(qū)：1區(qū)：hh0, 則 ,即 浸潤曲線的水深沿程增加，為滲流壅水曲線。當(dāng) ，即浸潤線在上游以N-N線為漸近線 當(dāng) ，即浸潤線在下游以水平線為漸近線2區(qū)：為降水曲線。正坡滲流浸潤曲線方程：式中 ，l為斷面1、2間的距離。 平坡滲流(i=0)h1h2Li=0s 利用上式可進(jìn)行平坡滲流浸潤曲線及其他有關(guān)的計算。 逆坡（i 0）滲流浸潤曲線 也只有降水曲線 i0h1H1h2H2 利用上式可進(jìn)行逆坡地下河槽浸潤曲線及其他有關(guān)的水

7、力計算。9-3 集水廊道和井 一、集水廊道按平坡地下河槽浸潤曲線，可得集水廊道的計算公式，式中：q單寬流量（與圖 面垂直方向），其它符號如圖示。計算問題：已知：集水廊道中的水深，出水流量qv，計算確定浸潤線。已知：集水廊道中的水深，距廊道l處的浸潤線高度，求qv。 l二、 潛水井 井：指處于含水層中有鉛直軸線的圓管，其四周透水。 潛水井：在地表的無壓透水層中所開掘的井。 完全井：井底直達(dá)不透水層的潛水井。 不完全井：井底沒有達(dá)到不透水層的潛水井。 如圖，抽水恒定后,形成一個穩(wěn)定的軸對稱的降落斗，可視為一維恒定漸變滲流，可用裘皮幼公式。以井中心軸為中心的同心圓為過流斷面，半徑r處的浸潤線縱坐標(biāo)為

8、z，該斷面的水力坡度為斷面上的滲流量z由h0到H（r由r0到R影響半徑）對上式進(jìn)行積分得潛水完全井浸潤線計算公式 影響半徑RS=H-h0，稱為水位降深。三、自流井式中t為含水層厚度。分離變量得積分得由邊界條件 ， 得代回并移項得 ，此即水頭線方程。再由邊界條件 (影響半徑)， 代入水頭線方程得半球形或橢球形qv大口井四、大口井產(chǎn)水量：9-4 井群井群：若有多口井一同工作，各井之間的間距又遠(yuǎn)小于影響半徑R，這時各井之間的地下水就會相互發(fā)生影響。這些同時工作的井就稱為井群。 土建施工、基坑開挖時常用井群來降低水位，在城市供水系統(tǒng)中常用井群來取水。 井群的浸潤曲面方程： 完全潛水井群：完全承壓井群：

9、式中qv0為井群的總出水量。 123nzr1r2r3rn例 已知：井半徑r0=100mm，總 qv0=100L/S, H=10m,k=0.001m/s,影響R=500m.求基坑中心的地下水位降深S.解： r1r6r7r2r3r8r5r460m40mo(364課堂練習(xí)一、選擇（正確答案一個或多個）1、盛有液體的容器從傾角為光滑斜面上無摩擦地自由滑下，容器內(nèi)液體的單位質(zhì)量力的大小是( ) (1)g；(2)gsin；(3)gcos；(4)gtan；(5) 0。2、在棱柱形渠道中，可能產(chǎn)生降水曲線的是( ) (1)緩坡上的1區(qū)；(2)陡(急)坡上的2區(qū)；(3)陡(急)坡上的3區(qū)；(4)緩坡上的2區(qū)；(

10、5)緩坡上的3區(qū)。二、在空格上填寫正確答案1、圓柱形外管嘴的工作條件是：（1） _；（2）_。同直徑的圓柱形外管嘴的過流能力是孔口的倍。2、在流中，F(xiàn)r2300；在流中， ；在 流中， ；在流中， ；在流中， ；在 中，動能修正系數(shù)等于2。 三、是非題 ：1、在棱柱形渠道中，M1、S1和C1都是斷面單位能量沿程增加的壅水曲線。（ ）2、無論在明渠水流中還是有壓管流中都不存在非恒定的均勻流。 （ ）3、圓管層流是有旋流動，流體微團(tuán)有角變形但無線變形。（ ）四、計算題如圖所示，大水箱底部接一豎直水管(用法蘭盤聯(lián)接)，d=10cm,進(jìn)=0.5,=0.04,其他尺寸如圖所示，水管下端出口流入大氣中。求：（1）流量；（2）A斷面的壓強；（3）內(nèi)管壁上的水流切應(yīng)力；（4）若不計管自重，則作用在法蘭盤螺栓的總拉力為多少？（5）若管下端封閉，作用在螺栓的總拉力又為多少？qVA3m2m4m1、在棱柱形渠道中，M1、S1和C1都是斷面單位能量沿程增加的壅水曲線。（ N ）2、無論在明渠水流中還是有壓管流中都不存在非恒定的均勻流。 （ N ）3、圓管層流是有旋流動，流體微團(tuán)有角變形但無線變形。（ Y ）四、計算下列各