第十一章--渗流-zsj课件

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水力学水力学水力学水力学第十一章渗流第十一章第十一章渗渗流流水力学水力学水力学水力学第十一章渗流11.1 11.1 概概述述w渗流：流体在孔隙介渗流：流体在孔隙介质中的流中的流动称称为渗流渗流 w孔隙介孔隙介质：含有：含有许多孔隙或裂隙的物多孔隙或裂隙的物质称称为孔隙孔隙介介质。w地下水运地下水运动：在地面以下的土壤或岩石中在地面以下的土壤或岩石中的渗流又称的渗流又称为地下水运地下水运动。w应用用领域域水利工程、地水利工程、地质、采、采矿、石油、石油、环境保境保护等等水力学水力学水力学水力学第十一章渗流本章研究恒定渗流的基本本章研究恒定渗流的基本规律，并律，并应用用这些些规律来律来分析和解决工程中的渗流分析和解决工程中的渗流问题。w主要涉及的物理量：主要涉及的物理量：渗流流量渗流流量Q Q 渗流流速渗流流速u u 压强分布分布p p 浸浸润线水力学水力学水力学水力学第十一章渗流水力学水力学水力学水力学第十一章渗流水力学水力学水力学水力学第十一章渗流研究内容研究内容一、概一、概述述二、渗流模型二、渗流模型三、达西定律三、达西定律四、恒定无四、恒定无压渗流渗流五、井的渗流五、井的渗流六、恒定平面渗流的流网解法六、恒定平面渗流的流网解法水力学水力学水力学水力学第十一章渗流11.2 11.2 土壤的分类，水在土壤中的形态，土壤的分类，水在土壤中的形态，渗流模型渗流模型w11.2.1 土壤的分土壤的分类1.均均质土壤与非均土壤与非均质土壤：土壤：各点各点处同一方向透水性能相同的土壤同一方向透水性能相同的土壤2.各向同性土壤与各向异性土壤：各向同性土壤与各向异性土壤：同一点同一点处各个方向透水性能相同各个方向透水性能相同3.层状土壤：状土壤：若干若干层透水性能不相同的土壤透水性能不相同的土壤水力学水力学水力学水力学第十一章渗流 11.2.2 水在土壤中的形水在土壤中的形态汽汽态水、附着水、薄膜水、毛管水和重力水水、附着水、薄膜水、毛管水和重力水汽汽态水：水：以水蒸汽的形式以水蒸汽的形式悬浮在土壤孔隙中；浮在土壤孔隙中；附着水附着水:薄膜水：薄膜水：由于水分子与土壤由于水分子与土壤颗粒分子之粒分子之间的吸引的吸引作用而包作用而包围在土壤在土壤颗粒四周；粒四周；毛管水毛管水:由于毛由于毛细管作用水保持在土壤孔隙中；管作用水保持在土壤孔隙中；重力水：重力水：水充水充满土壤的孔隙，受重力作用而流土壤的孔隙，受重力作用而流动水力学水力学水力学水力学第十一章渗流汽汽态水水附着水附着水薄膜水薄膜水毛管水毛管水重力水重力水本章讨论重力水的流动规律本章讨论重力水的流动规律w重力水的液面看成是渗流的自由液面。重力水的液面看成是渗流的自由液面。w渗流的自由液面称为浸润面，渗流的自由液面称为浸润面，w其表面压强为大气压强。其表面压强为大气压强。水力学水力学水力学水力学第十一章渗流11.2.3 渗流模型渗流模型渗流模型不考虑渗流在土壤孔隙中流动途径的迂回渗流模型不考虑渗流在土壤孔隙中流动途径的迂回曲折，只考虑渗流的主要流向，并认为渗流的全部空曲折，只考虑渗流的主要流向，并认为渗流的全部空间均被渗流充满。间均被渗流充满。由于渗流模型把渗流的全部空间看作被水体充满的由于渗流模型把渗流的全部空间看作被水体充满的连续介质，因此对渗流模型可采用连续函数进行分析。连续介质，因此对渗流模型可采用连续函数进行分析。水力学水力学水力学水力学第十一章渗流渗流模型必须满足：流量、压力、阻力一致渗流模型必须满足：流量、压力、阻力一致水力学水力学水力学水力学第十一章渗流同一同一过水断面，模型的渗流量等于真水断面，模型的渗流量等于真实的渗流量；的渗流量；但是渗流平均流速不等于但是渗流平均流速不等于实际平均流速。平均流速。渗流平均流速（模型）渗流平均流速（模型）实际平均流速平均流速 n为孔隙率孔隙率，n1，水力学水力学水力学水力学第十一章渗流渗流的特点：渗流的特点：（1 1）连续介介质运运动的概念均可直接的概念均可直接应用于渗流。用于渗流。渗流可分渗流可分为：恒定渗流与非恒定渗流；恒定渗流与非恒定渗流；均匀渗流与非均匀渗流；均匀渗流与非均匀渗流；渐变渗流与急渗流与急变渗流；渗流；无无压渗流与有渗流与有压渗流等。渗流等。（2 2）不不计渗流的渗流的动能能渗流的渗流的总水水头线与与测管水管水头线(或浸或浸润线)重合重合w 水力学水力学水力学水力学第十一章渗流 11113 3 达西定律达西定律(H(HDarcy)Darcy)渗流水渗流水头损失与渗流流速、流量之失与渗流流速、流量之间的关系式的关系式11.3.1 11.3.1 达西定律达西定律实验表明，表明，对不同直径的不同直径的圆筒和不同筒和不同类型的土壤型的土壤引入比例系数引入比例系数k k水力学水力学水力学水力学第十一章渗流达西定律的不同形式达西定律的不同形式达西定律的推广：任意点速度达西定律的推广：任意点速度u u 代替断面平均流速代替断面平均流速v v水力学水力学水力学水力学第十一章渗流w11.3.2 达西定律的适用范达西定律的适用范围达西达西实验是用均匀砂土在均匀渗流条件下是用均匀砂土在均匀渗流条件下进行的。行的。达西定律只适用于达西定律只适用于层流，具有流，具有线性渗流性渗流规律律。渗流渗流层流、紊流采用雷流、紊流采用雷诺数判数判别：实验表明，表明，线性渗流雷性渗流雷诺数的数的变化范化范围为水力学水力学水力学水力学第十一章渗流11.3.3渗流系数及其确定方法渗流系数及其确定方法渗流系数渗流系数是是综合反映土壤透水能力大小的系数合反映土壤透水能力大小的系数,与土壤及与土壤及液体的性液体的性质有关。有关。渗流系数的确定方法：渗流系数的确定方法：1.实验室室测定法定法 2.现场测定法定法 3.经验公式公式图表法表法水力学水力学水力学水力学第十一章渗流水力学水力学水力学水力学第十一章渗流w十三陵水库十三陵水库水力学水力学水力学水力学第十一章渗流w一九五八年一月二十一日，十三陵水一九五八年一月二十一日，十三陵水库破土破土动工。工。w十三陵水十三陵水库建成后，建成后，坝基基础渗漏渗漏严重，蓄水效益很低，遵重，蓄水效益很低，遵照照总理的指示，在一九七理的指示，在一九七年年进行了基行了基础防渗防渗处理，基本理，基本解决水解决水库渗漏渗漏问题。“为有源有源头活水来活水来”，北京市政府批，北京市政府批准了由准了由白河堡水白河堡水库补水方案，一九八六年全水方案，一九八六年全线通水，从此，通水，从此，十三陵水十三陵水库有了第二水深，清流源源入有了第二水深，清流源源入库，基本保障了有，基本保障了有一个大的水面。一个大的水面。水力学水力学水力学水力学第十一章渗流w圆明园目前惟一蓄水的荷花池早在明园目前惟一蓄水的荷花池早在2005年就已年就已铺垫了塑料了塑料防渗膜，防渗膜，环保人士主保人士主张拆除。拆除。水力学水力学水力学水力学第十一章渗流w圆明园管理明园管理处：水渗漏：水渗漏严重，必重，必须进行防渗行防渗在听在听证会上，会上，圆明园管理明园管理处有关人有关人员指出，指出，圆明园缺水且渗漏明园缺水且渗漏严重，必重，必须有有选择地地对湖底湖底进行防渗行防渗处理。供水的理。供水的严重不足和重不足和圆明园自身的渗漏，使生明园自身的渗漏，使生态环境逐年境逐年恶化，大量的化，大量的动植植物消失物消失灭亡，亡，动植物品种逐年减少，缺水成植物品种逐年减少，缺水成为影响影响圆明园各种矛盾中的主要矛盾。明园各种矛盾中的主要矛盾。畅春园春园的荷花池的荷花池严重缺水，使大面重缺水，使大面积荷花生荷花生长期期缩短甚至枯死。由于缺水，成群的水短甚至枯死。由于缺水，成群的水鸟、野、野鸭也也失去了栖息地。缺水使失去了栖息地。缺水使圆明园的大量植物死亡。明园的大量植物死亡。圆明园园内的水系明园园内的水系统处于封于封闭状状态，加上，加上湖水深度不湖水深度不够。由于缺水，使开放区内游船。由于缺水，使开放区内游船经常无法正常常无法正常营运。运。w崔海亭：防渗崔海亭：防渗对圆明园湿地生明园湿地生态的两大破坏的两大破坏北京大学崔海亭教授北京大学崔海亭教授认为，圆明园生明园生态上的定位是人工湿地。如果忽上的定位是人工湿地。如果忽视了了这一点，就会一点，就会发生种种生生种种生态伤害事件。崔海亭害事件。崔海亭强调，防渗工程，防渗工程对圆明园湿地生明园湿地生态系系统造成两大破坏。第一，造成两大破坏。第一，伤害了湿地生害了湿地生态系系统的生物多的生物多样性。粗略性。粗略统计，涉及水生草本植物，涉及水生草本植物36种、湿地草种、湿地草丛植物植物36种，两栖爬行种，两栖爬行动物物12种，种，鸟类38种、种、兽类1种。第二，种。第二，损害了湿地生害了湿地生态系系统的水文生的水文生态功能。功能。“山山”和和“水水”之之间的关系，一部分水形成径流，的关系，一部分水形成径流，汇入湖塘，另一部分入渗土中，滋入湖塘，另一部分入渗土中，滋润草草木，河湖水系也浸木，河湖水系也浸润着岸上的植被。湖水受来水和地下水着岸上的植被。湖水受来水和地下水补给，同，同时有一部分下渗有一部分下渗给浅浅层地下水。地下水。这一一过程又随地下水和地表水的丰欠而互程又随地下水和地表水的丰欠而互动。水力学水力学水力学水力学第十一章渗流例例为探探寻地下水源，地下水源，钻两孔，两孔，间距距为200200米，两孔均米，两孔均贯穿穿厚厚为1515米的含水米的含水层，见图今今测得沙得沙层渗流渗流系数系数k k0.000052m/s 0.000052m/s，钻孔的地下水孔的地下水为64.2m64.2m钻孔孔2 2的地下水的地下水为63.63.m m试计算此砂算此砂层的的单宽渗流量渗流量解：解：为砂砂层宽度，故度，故单宽渗流量渗流量为水力学水力学水力学水力学第十一章渗流11.4 11.4 恒定无压渗流恒定无压渗流浸浸润面：无面：无压渗流的自由液面。渗流的自由液面。浸浸润线：顺流向所作流向所作铅垂面与浸垂面与浸润面的交面的交线。11.4.1 无无压均匀渗流均匀渗流水深水深沿程不沿程不变，断面平均流速，断面平均流速v也沿程不也沿程不变，同，同时由达西定律有由达西定律有过水断面的渗流流量水断面的渗流流量为相相应的的单宽流量流量为水力学水力学水力学水力学第十一章渗流11.4.2 渐变渗流的一般公式渗流的一般公式-杜比公式杜比公式(法国，法国，)杜比公式与达西定律异同点：杜比公式与达西定律异同点：1.在形式上相同；在形式上相同；2.达西定律适用于均匀流，各断面达西定律适用于均匀流，各断面J 都相同，杜比公都相同，杜比公式适用于式适用于渐变渗流，不同断面的渗流，不同断面的J 不同。不同。水力学水力学水力学水力学第十一章渗流11.4.3 无压渐变渗流的微分方程无压渐变渗流的微分方程无压渐变渗流的微分方程无压渐变渗流的微分方程水力学水力学水力学水力学第十一章渗流11.4.4 浸浸润线的形状和的形状和计算算浸浸润线形状的分析方法同明渠水面曲形状的分析方法同明渠水面曲线形状的分析方形状的分析方法相似。法相似。但渗流的流速水但渗流的流速水头可以不可以不计，其极小，其极小值为0，故，故渗流中不存在渗流中不存在临界水深、界水深、临界底坡界底坡等概念，因此只等概念，因此只有有3种坡度，种坡度，4条浸条浸润线。水力学水力学水力学水力学第十一章渗流水力学水力学水力学水力学第十一章渗流1.正坡正坡令令水力学水力学水力学水力学第十一章渗流（1）区区（2）区区正坡无压渐变渗流浸润线方程正坡无压渐变渗流浸润线方程水力学水力学水力学水力学第十一章渗流2.平坡（平坡（）渗流断面为矩形渗流断面为矩形平坡无压渐变渗流浸润线方程平坡无压渐变渗流浸润线方程水力学水力学水力学水力学第十一章渗流3.负坡（负坡（）假想一个正坡假想一个正坡，并令，并令浸润线为浸润线为A型曲线型曲线渗流断面为矩形渗流断面为矩形水力学水力学水力学水力学第十一章渗流或或令令为降水曲线为降水曲线将将代入上式，有代入上式，有水力学水力学水力学水力学第十一章渗流式中式中负坡无压渐变渗流浸润线方程负坡无压渐变渗流浸润线方程水力学水力学水力学水力学第十一章渗流11.5 11.5 井的渗流井的渗流水力学水力学水力学水力学第十一章渗流普通井承压井水力学水力学水力学水力学第十一章渗流11.5.1普通完整井普通完整井井的渗流，除井壁附近外，流井的渗流，除井壁附近外，流线接近接近平行直平行直线，是，是渐变流，可采用无流，可采用无压渐变渗流的杜比公式渗流的杜比公式进行行计算。算。渗流量渗流量水力坡度水力坡度断面平均流速断面平均流速水力学水力学水力学水力学第十一章渗流井的影响半径井的影响半径R取决于土壤的性质，经验公式：取决于土壤的性质，经验公式：当当 r=R 时时,z=H，有：，有：当当时时,，有：，有：普通完整井浸润线方程普通完整井浸润线方程:水力学水力学水力学水力学第十一章渗流11.5.2承压完整井承压完整井断面平均流速断面平均流速渗流量渗流量当当时时,，有：，有：承压完整井浸润线方程承压完整井浸润线方程:水力学水力学水力学水力学第十一章渗流当当 r=R 时时,z=H，有：，有：承压完整井浸润线方程承压完整井浸润线方程:水力学水力学水力学水力学第十一章渗流水力学水力学水力学水力学第十一章渗流11.6 11.6 土土坝坝渗渗流流土土坝坝渗渗流流为为无无压压渗渗流流,由由于于水水流流在在流流动动过过程程中中有有能能量量损损失失,浸润线是沿程下降的。浸润线是沿程下降的。水力学水力学水力学水力学第十一章渗流通常采用分段法进行计算：两段法通常采用分段法进行计算：两段法式中式中（1）前段）前段水力学水力学水力学水力学第十一章渗流（2）后段）后段1区任一元流的单宽流量为区任一元流的单宽流量为1区单宽流量区单宽流量水力学水力学水力学水力学第十一章渗流2区任一元流的单宽流量为区任一元流的单宽流量为2区单宽流量区单宽流量总的单宽流量总的单宽流量或或水力学水力学水力学水力学第十一章渗流前段前段后段后段试算法求解试算法求解浸润线方程浸润线方程:水力学水力学水力学水力学第十一章渗流渐渐变变渗渗流流的的特特点点是是同同一一过过水水断断面面上上各各点点流流速速相相等等，流流速速仅仅是是断断面面位位置置坐坐标标的的函函数数，为为一一元元流流。一一元元流流可可采采用达西定律或杜比公式进行计算。用达西定律或杜比公式进行计算。急急变变渗渗流流的的运运动动要要素素往往往往是是两两个个或或三三个个坐坐标标的的函函数数，称称为为二二元元或或三三元元渗渗流流，需需要要建建立立用用于于三三元元流流的的基基本本微微分分方方程程连连续续方方程程和和运运动动方方程程，再再结结合合渗渗流流的的边边界界条条件件求解求解11116 6 渗流的基本微分方程，渗流速度势函数渗流的基本微分方程，渗流速度势函数水力学水力学水力学水力学第十一章渗流1 渗流连续方程渗流连续方程2 渗流的运动方程渗流的运动方程运动方程：运动方程：水力学水力学水力学水力学第十一章渗流3渗流的流速势函数渗流的流速势函数水力学水力学水力学水力学第十一章渗流 4边界条件界条件透水透水边界界:水流渗入渗出的水流渗入渗出的边界。界。透水透水边界上水界上水头相等相等,是一条等是一条等势线不透水不透水边界界:地基的不透水地基的不透水层或不透水建筑物的或不透水建筑物的轮廓。廓。浸浸润面面:渗流的自由液面渗流的自由液面逸出段逸出段:浸浸润线高出下游水位高出下游水位,形成逸出段。形成逸出段。水力学水力学水力学水力学第十一章渗流5渗流渗流问题解决方法概述解决方法概述解析法解析法:数数值解法解法:图解法解法:流网方法流网方法实验法法:渗流槽渗流槽(用孔隙介用孔隙介质);水水电比比拟法法(不是孔隙介不是孔隙介质)通通过实验得到流网，再采用流网法得到流网，再采用流网法计算算水力学水力学水力学水力学第十一章渗流11.811.8 恒定平面渗流的流网解法恒定平面渗流的流网解法11.8.2 流网的绘制流网的绘制 1.手描法手描法水力学水力学水力学水力学第十一章渗流水力学水力学水力学水力学第十一章渗流闸下恒定有下恒定有压渗流的流区渗流的流区图闸下恒定有下恒定有压渗流的渗流的电模模拟图水力学水力学水力学水力学第十一章渗流流网共有（流网共有（n+1）条）条等势线，等势线，(m+1)条流线。条流线。(图中图中n=10,m=4)上下游水位差为上下游水位差为h时，相邻两条等势线的水位差为时，相邻两条等势线的水位差为其中其中为负值。为负值。流网为曲边正方形时流网为曲边正方形时,相邻两条等势线的势函数之差相邻两条等势线的势函数之差以及流函数之差以及流函数之差为：为：水力学水力学水力学水力学第十一章渗流1.水力坡度及渗流流速的计算水力坡度及渗流流速的计算某一网格的平均水力坡度某一网格的平均水力坡度某一网格的平均渗流流速某一网格的平均渗流流速水力学水力学水力学水力学第十一章渗流2.单宽渗流量的计算单宽渗流量的计算每一流带的单宽渗流量每一流带的单宽渗流量整个渗流区域的单宽渗流量整个渗流区域的单宽渗流量水力学水力学水力学水力学第十一章渗流3.渗流压强的计算渗流压强的计算任一点的测压管水头任一点的测压管水头基准面取在下游水面，基准面取在下游水面，z 轴铅直向上。轴铅直向上。任一点的压强任一点的压强分别绘制坝底各点的分别绘制坝底各点的 H 和和 z 分布图，可得压强的分布。分布图，可得压强的分布。水力学水力学水力学水力学第十一章渗流作用于坝底的单宽渗流作用于坝底的单宽渗流压力等于相应的压力等于相应的H 和和 z 分布图之和。分布图之和。方向不同的方向不同的压强不能放在压强不能放在一起计算。一起计算。4.渗流压力的计算渗流压力的计算水力学水力学水力学水力学第十一章渗流工程中主要关心作用于建筑物底部铅直向上的渗流压力。工程中主要关心作用于建筑物底部铅直向上的渗流压力。作用于坝底的单宽作用于坝底的单宽渗流压力：渗流压力：水力学水力学水力学水力学第十一章渗流水力学水力学水力学水力学第十一章渗流水力学水力学水力学水力学第十一章渗流例：某水闸渗流流网如图所示。图中例：某水闸渗流流网如图所示。图中h h1 1=7.5m=7.5m，h h2 2=1.5m=1.5m，s s=6.0m=6.0m，土壤渗流系数，土壤渗流系数k k=0.0002m/s=0.0002m/s。试求出：。试求出：（1 1）A A点处渗流流速点处渗流流速u u；（；（2 2）单宽渗流量）单宽渗流量q q；（；（3 3）B B点处的渗点处的渗流压强流压强p p。解：（解：（1 1）A A点处渗流流速点处渗流流速u u水力学水力学水力学水力学第十一章渗流（2 2）单宽渗流量）单宽渗流量q q（3 3）B B点处的渗流压强点处的渗流压强p p以下游水面为基准面，以下游水面为基准面，Z Z轴向上。轴向上。

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