渗流-水力学教案——渗流(中职教育)

'第十章渗流渗流：水在孔隙介质小的流动。第一节概述一、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T建筑物地基屮的渗流；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、吸着水、薄膜水、毛细水、重力水。汽态水：以水蒸汽形式存在于土壤空隙屮，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：受表而张力而移动的水，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。宏观水力学主耍研究重力水的运动。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/各向界性土：透水性能在各个方向均相同的土为各向同性土，反Z为各向异性土。2、容水度：十壤能容纳的最人水体积与十壤总体积之比。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Z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屮來）。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、渗流的分类渗流可分为：恒泄渗流/非恒泄渗流；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)实验装宜达西实验装置：上段开口的圆筒，筒中装有均质沙，其上部有进水管及保持恒定水位的溢水设备，筒的侧壁装有两个测压管。水由上部经沙土渗透，由滤水网排出，渗流流量由容器量取。见图10-1hh0(2)实验结果：QocA」，或：Q=kA^=kJA,即平均流速：V=^=kJ(达厶厶A西公式)。表明：渗流流速与水力坡度的一次方成正比。2、达西定律：在均质孔隙介质中渗流流速与水力坡度的一次方成比例并与土的性质有关。v=KJK—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-•样。3、达西公式的推广——渗流流场中任意点的渗流流速U=KJ=-K—dl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-•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/?0，故A>Aq,则:dh/ds>0,为壅水曲线。上游端：hT瓜,AtA。，贝U：dh/dsTO,所以上游端以N・N线为渐进线。卜•游端：his,Atoo,贝ij：dh/dsTi,所以下游端以水平线为渐进线。b|x：故4v&）,贝ij：dh/ds<（）,为降水曲线。上游端：hT叽,AtA（）,贝IJ：dh/dsTO,所以上游端以N-N线为渐进线。下游端："TO,AtO,贝叽dh/dsT—00,所以下游端有与槽底成正交的趋势。2、浸润1111线方程对矩形河槽：令〃=力/，dh=h^drj贝ij：=j(]一丄)，或：^=—(14-—-—)d〃dsrji7-1积分得:^=-（72-71+ln生斗）=饥（〃2一小+2.31g生+i7i-l-1二、平坡（上（|）地下河槽中的浸润曲线1、浸润曲线定性分析 ,,,八,4dh亠dhQi=0,贝ij：Q=-kA—,或—=,dsdskA有唯一浸润曲线,dh/ds<0,所以水平地下河槽中浸润曲线是降水曲线。卜游端：“TO,71—>0，贝I」：dh/ds—>-oo,所以下游端冇与槽底成止交的趋势。上游端：视实际边界条件而定，在极限情况下，"Too时，dh/ds—O,以水平线为渐进线。2、浸润曲线方程对矩形河槪也=_2=_丄,或生ds=-hdh,积分得：空二丄(/?,2-/?92)dskbhkhkk2"三、逆坡(i<0)地下河槽中的浸润曲线1、浸润曲线定性分析令V=儿则:Q=-kA(if+—)，虚拟均匀流流量:dsQUA；,贝hki^=-M(zz+—),即：—=-/z(l+^)0dsdsA有唯一浸润曲线,dh/dsvO,所以逆坡地下河槽中浸润曲线是降水曲线。下游端:/?^0,人TO,贝I」：dh/ds-00,所以下游端有与槽底成正交的趋势。上游端：视实际边界条件而定，在极限情况下，/2TOO吋，dh/dsTi,以水平线为渐进线。2、浸润曲线方程矩形河槽:令=力/屁，则：也0=_厂(1_厶)，或：厶心—=JnL—如ds〃h；1+〃1+〃积分得：討M+2盹號 第五节井的渗流一、井的渗流普通井：在地表的无压透水层屮所开掘的井。普通完全井：井底直达不透水层的井；（普通）不完全井：井底没有达到不透水层的井。（一）完全井1、完全潜水井设含水层位于水平不透水层上，含水层厚度为H,井中水深为心，井的半径为/以井的中心为原点，任取一距井轴为r的过水断面，该断面的含水层厚度为z,则:断面上的平均流速为：V=k—f渗流量为：dr0=2岔荻诗，积分得：r-/i()2=-^in-,化为常用对数：r-A02=^^ig—7vkkH2-h2设R为井的影响半径（此处地下水位为H,不受井的影响）。贝ij：Q=k*0.731g—只钱地卜水品卅竹水头线zR的经验公式：R=3000（H—他）低（以米、秒为单位）。2、完全承压井（二）、不完全井特点：水流不仅沿井壁周围流入井内，同时也从井底流入井内。采用人于1的修正系数。（三）、井群 简单的井群：每个井均为完全井，井的尺寸相同，抽水流量相同，井与井的间距很小。用势流叠加原理得:<2()=1.36 式中n为井的数目，h为任意点A的含水层厚度，厂］r2...r„为各井距A点的距离，R为影响半径，H为原含水层厚度。单井的供水能力：Q=Q./n. 第六节水平不透水层上均质土坝的渗流计算计算n的：确定经过坝体的渗流量和坝内的浸润曲线位置。筑于水平不透水层上均质土坝，上游水深为下游水深为丹2,水由上游边界AB渗入坝体，在坝内形成口由表而（浸润而）AC,C点称为逸出点，ABDC区域为渗流区。因坝体綾长，把土坝渗流作为平面问题看待，同时认为坝内渗流符合渐变渗流的条件。三段法：上游三角楔形体ABE,屮间段AEGC,下游出渗段CGD,对每段按渐变渗流的基本公式（杜比公式）计算渗流量，流量相等，联合求解，得渗流最及逸出点水深仏及浸润曲线。两段法：把上游楔形体ABE用矩形体AEB"A"取代，把第一二段合并为一段，即上>77游渗流段A，B，GCO矩形体的等效宽度△场山工7“为坝上游面的边坡系数。一、上游段的计算水头差为AH=H1-hk,平均渗透路程为=L+AL-in2^k，平均过水断而而积为A=（H.+/7j/2,（m2为坝下游而的边坡系数，L为第二三段的水平距离）。则单宽渗流量：2(L+AL-m2hk)二、下游段的计算M设逸出点在下游水面以上的高度为水面以下为冇压渗流，水面以上为无压渗流，需分开计算。同时下游段内渗流的流线可看着是水平线。下游段水面以上部分：在y处取微小流束dy,水头 差a{}+H2-y,长度m2(tz0+H2-)9,则水力坡度J=Um2,微小流束流量k什kcim2=kJdy=——dy,总流量如=dq{-0m2J下游段水面以下部分：在y处取微小流束dy,水头差兔)，长度m2(a{)+H2-y),则水力坡度丿=Q()/仙(。()+弘-刃，微小流束流量=kJdy=—dy,加2@0+比一刃总流量=dq^=^~J一m2g+H?a。则下游段的总流量:^-(1+2.3lg——)，式中=hk-H-y,打上式联解得加2。()三.浸润曲线A"B"为上游的入渗起始断面，以G点为处标原点，x轴以向左为正。由公式：q=yV=ky—，贝U：qx=丄ky2+C,当x=L+AL-mjiklit,y=,dx2"得:C=q{L+L-m2hJ-—kH；qx——ky_+g(厶+AZ>—m㊁kH「,将渗流聚公式代入：y=」(Hj-/?/)+hk2yL+AA—加2仏在曲线的前段应加以修止。'