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第十章渗流第一节概述渗流:水在孔隙介质中的流动。一、水利工程中常见的渗流问题1、水流流经挡水建筑物发生渗流;2、水透过水工建筑物地基中的渗流;3、集水建筑物的渗流;4、河渠及水库的渗流。二、水在土壤中存在形式汽态水: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。三、土壤的渗流特性1、透水性(1)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。(2)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。2、容水度:土壤能容纳的最大水体积与土壤总体积之比。3、持水度:在重力作用下仍能保持的水体积与土壤的总体积之比。4、给水度:在重力作用下土壤能释放出来的水体积与土壤总体积之比。四、渗流模型1、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)。2、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)。五、渗流的分类恒定渗流/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/无压渗流第二节渗流的基本定律——达西定律一、达西定律1、达西实验(1)实验装置(2)实验结果2、达西定律K——渗透系数,反映土的透水性质的比例系数,渗透系数与流速的量纲一样。3、达西公式的推广——渗流流场中任意点的渗流流速二、达西定律的适用范围1、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2、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。(1)渗流雷诺数式中n——土壤孔隙率;d——土壤有效粒径,cm,一般可用d10代表;v——平均流速;ν——运动粘滞系数。(2)临界雷诺数(3),层流渗流;,紊流渗流。3、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、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。2、野外测定法:采用钻井抽水或压水试验。但费用较高。3、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10-1。1、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)。地下河槽渗流的自由表面为浸润面,其水面线为浸润线。2、假定地下河槽不透水基底为平面,用i表示基底的坡度。3、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。第三节地下河槽中恒定均匀渗流和非均匀渐变渗流由于平均流速流量单宽流量一、地下河槽的恒定均匀渗流二、地下河槽的恒定非均匀渐变渗流1、地下河槽中的非均匀渐变渗流的基本公式----杜比(J.Dupuit)公式断面平均流速:微小流束的流速: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。2、棱柱体地下河槽中恒定渐变渗流的基本微分方程所以:则:由杜比公式得:第四节地下河槽中非均匀渐变渗流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。总共仅有4条浸润曲线。一、正坡(i0)地下河槽中的浸润曲线在正坡地下河槽中的浸润曲线:因有均匀流产生,流量可用均匀流流量代替,即:a区:则:dh/ds0,为壅水曲线。上游端:,所以上游端以N-N线为渐进线。下游端:,所以下游端以水平线为渐进线。b区:,则:dh/ds0,为降水曲线。上游
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