水力学,第七章,渗流.doc

第七章 渗流 2 7．1 渗流现象和渗流模型 2 7，1．1 渗流现象 2 7.1.2 水在土中的存在形态 3 7．1．3 土的渗流特性 3 7．1．4 渗流模型 4 7.2.渗流的基本定律 5 7.2.1 达西定律 5 7．2.2 达西定律的适用范围 6 7．3 恒定渐变渗流的杜比公式 7 7．3．1 恒定均匀渗流和非均匀渗流的断面流速分布 7 7．3．1．1 恒定均匀渗流的断面流速分布 8 7．3．1．2 恒定非均匀渐变渗流的断面流速分布 8 7．3．2恒定渐变渗流的基本微分方程和浸润曲线 9 7．3．2．2 平坡(i＝o)的浸润曲线 11 7．3．2．3逆坡(i0)的浸润曲线 12 7．4 井和集水廊道的渗流计算 15 7.4.1集水廊道 15 7．4．2无压完整井 16 743 承压完整井 17 7．4．4 大口井和基坑排水 18 第七章 渗流 7．1 渗流现象和渗流模型 7，1．1 渗流现象 液体在土壤和岩石等空隙介质中的流动称为渗流。如水流经上坝、井、集水廊道、渠道和闸坝基础时均产生渗流运动。渗流理论除了应用在水利、化工、石油、地质和采矿等行业外，还广泛应用在上建工程的以下方面： (1)集水建筑物如井和集水廊道的水力计算 井和集水廊道常用于各类给水管道和建筑物施工的井点排水。其计算的关键是确定渗流流量和选择集水建筑物的尺寸。 (2)蓄水和灌溉工程 水库、河流或渠道水位上升·使附近地下水位上升。一方面透水层会大量渗漏使水量减少，水位下降；另一方面会使附近农田或土壤沼泽化和盐碱化，影响堤岸或闸坝的稳定‘性， (3)取水工程 水库或河流的取水构筑物都是建在湿上上，构筑物的抗渗和抗浮就非常重要+关键是要掌握渗流变化规律及床底的地质特性，以利于采取科学的施工方法： (4)挡水土坝 土坝由土壤堆筑而成。如图7—1所示，土坝挡水以后，上游水进入坝体，并从下游逸出。坝体中渗流的自由水面线称为浸润线。浸润线以下的土坝浸没在水中，会降低土的强度，且渗流量大会影响土坝的稳定性，甚至使土坝坍塌， (5)透水地基以上的不透水挡水建筑物 如图7—2所示，混凝土闸坝挡水以后，在上下游水位差作用下，水从上游河底进入地基土层中，逐步向下游渗流，并从下游河底逸出。在动水压强作用下，液体对闸坝底面 244页 产生向广的压力，称为扬压力。扬压力对闸 坝的稳定性和结构设计至关重要。 渗流的水力计算内容有： （1）确定渗流流量。如计算井和集水廊通 反其他滓流的流量。 （2）确定涅润线的位置 如土坝和井抽水的浸润纹的位置。 （3）确定渗流压力。如计算渗流作用在闸坝底面上的扬压力。 （4）估计渗流对土壤的破坏作用。当渗流流速较大时，会将土壤中颗粒较小的砂粒或土粒从孔隙中带走．称为流砂现象随着流砂量的增加、土壤孔隙越来越大，使土的结构破坏，或固渗流星太大，短叫司内充满沟槽、井口．破坏施坏施工计划，甚至造成塌方等恶性事 故，这种现象称为管诵。为防止管涌发生、必须采取一定的技术措施。 7.1.2 水在土中的存在形态 水在土中的存在形态可分为气态水、吸着水、薄膜水、毛细水和重力水： 气态水以水蒸气形式存在1：土壤颗粒中，数量很少，在渗流中可以不考虑。 吸着水和薄膜水是由于土壤颗粒带负电，使水分子极化而吸附在土粒上的水。吸着水是外层的弱吸附水，薄膜水是内层的强吸附水；这类水数量少．也很难移动，在渗流中般也不考虑。 毛细水是由于表面张力作用而在孔隙中移动的水。除特殊情况外，往往也忽略不计。 重力水是指重力作用下在土壤孔隙中运动的水。当土壤含水量很大时，人部分水以重 力水的形态存在。 本章仅研究重力水的运动规律： 7．1．3 土的渗流特性 土的性质对渗流影响很大。孔隙率越大，颗粒越均匀，则透水能力越大。 孔隙率n是指孔隙的体积。与上体总体积W的比值 颗粒均匀程度用不均匀系数表示 式中 ——土粒筛分时，占60％重量的土粒所能通过的筛孔直径 ——占10％重里土粒能通过的筛孔直径：， 一般情况下，。值越大，土粒越不均匀。由均匀颗粒组成的土体， 根据土的结构和渗流特性，可以将土分成均质土和非均质土：均质土是指土的渗流特 件各处相向，不随空间伦置而变化的土；反之则为非均质土。 天然土的层状结构或住状结构，使得土体在不同方向的透水性不同。按照这种性质， 245 可把土体划分为各向同性土和各向异性上。各向同性土是指运水性能在各个方向均相同的土；反之则为各向异