《水力学》课程教学资源（PPT课件）第十三章 渗流

渗流第十三章概述·概念1.渗流（SeepageFlow）：是指流体在孔隙介质中的流动2.地下水流动：在土建工程中，渗流主要是指水在地表以下的土和岩石层中的流动，简称为地下水流动。判断：地下水的流动与明渠流都是具有自由液面的流动。返回课目

1 第十三章 渗流 • 概述 一、概念 1. 渗流（Seepage Flow）：是指流体在孔隙介质中的流动。 2. 地下水流动：在土建工程中，渗流主要是指水在地表以下的 土壤和岩石层中的流动，简称为地下水流动。 判断：地下水的流动与明渠流都是具有自由液面的流动

二、渗流理论的应用1、生产建设部门；如水利、化工、地质、采掘等部门2、土建方面的应用给水方面排灌工程方面水工建筑物建筑施工方面返回课目

2 二、渗流理论的应用 • 给水方面 • 排灌工程方面 • 水工建筑物 • 建筑施工方面 1、生产建设部门；如水利、化工、地质、采掘等部门。 2、土建方面的应用

三、渗流问题确定渗流量：如确定通过闸坝地基或井等的渗流流量确定渗流浸润线的位置：如确定土坝坝体内的浸润线以及从井中抽水所形成的地下水面线的位置。确定渗流压力：如确定渗流作用于闸坝底面上的压力。估计渗流对土壤的破坏作用：计算渗流流速，估计发生渗流破坏的可能性，以便采取防止渗流破坏的措施。返回课目

3 三、渗流问题 ⚫ 确定渗流量：如确定通过闸坝地基或井等的渗流流量。 ⚫ 确定渗流浸润线的位置：如确定土坝坝体内的浸润线以 及从井中抽水所形成的地下水面线的位置。 ⚫ 确定渗流压力：如确定渗流作用于闸坝底面上的压力。 ⚫ 估计渗流对土壤的破坏作用：计算渗流流速，估计发生 渗流破坏的可能性，以便采取防止渗流破坏的措施

第一节渗流的基本概念一、土壤的水力特性O60不均匀系数：d1o一一土壤颗粒经过筛分时，n=a60d10分别有60%，10%重的颗粒能通过筛孔直径。孔隙率n一单位总体积中孔隙所占的体积，n=美沙质土：n=0.35~0.45；天然粘土、淤泥：n=0.4~0.6。1、透水性透水性（HydraulicPermeability）：是指土或岩石允许水透过本身的性能。通常用渗透系数k来衡量，k值越大，表示透水性能越强。返回课目第一节渗流的基本概念

4 一、土壤的水力特性 1、透水性 透水性（Hydraulic Permeability）：是指土或岩石允许水透过本 身的性能。 通常用渗透系数k来衡量， k 值越大，表示透水性能越强。 第一节 渗流的基本概念 不均匀系数： 。d60 ， d10 ——土壤颗粒经过筛分时， 分别有60%，10%重的颗粒能通过筛孔直径。 10 60 d d  = 孔隙率n——单位总体积中孔隙所占的体积， 沙质土： n=0.35~0.45；天然粘土、淤泥： n=0.4~0.6。 总 孔 V V n = 第一节 渗流的基本概念

均质土壤（HomogeneousSoil）：是指渗流中在同一方向上各处透水性能都一样的土壤。非均质土壤（HeterogeneousSoil）：是指渗流中在同一方向上各处透水性能不一样的土壤。各向同性土壤（IsotropicSoil）：是指各个方向透水性都一样的土壤。各向异性土壤（Anisotropic Soil）：是指各个方向透水性不一样的土壤。返回课目第一节渗流的基本概念

5 均质土壤（Homogeneous Soil）：是指渗流中在同一方向上 各处透水性能都一样的土壤。 非均质土壤（Heterogeneous Soil）：是指渗流中在同一方 向上各处透水性能不一样的土壤。 各向同性土壤（Isotropic Soil）：是指各个方向透水性都一 样的土壤。 各向异性土壤（Anisotropic Soil）：是指各个方向透水性不 一样的土壤。 第一节 渗流的基本概念

自2、容水度（Storativity）：是指土壤能容纳的最大水V体积与土壤总体积之比，数值与土壤孔隙率相W等。V+V容水度V一3、持水度（RetentionCapacity）：是指在重力作用下仍能VW持水度保持的水体积与土的总体积之比。IV4、给水度（StorativityofFreeWater）：是指存在于土壤中的水，在重力作用下能释放出来的水体积与土的总体积之比。数值上等V于容水度与持水度之差。粗颗粒松散土壤的给水给水度a二V度接近容水度，细颗粒粘土的给水度很小。返回课目第一节渗流的基本概念

6 2、容水度（Storativity）：是指土壤能容纳的最大水 体积与土壤总体积之比，数值与土壤孔隙率相 等。 3、持水度（Retention Capacity）：是指在重力作用下仍能 保持的水体积与土的总体积之比。 第一节 渗流的基本概念 V Va +Vw 容水度 = 4、给水度（Storativity of Free Water）：是指存在于土壤中的水，在 重力作用下 能释放出来的水体积与土的总体积之比。数值上等 于容水度与持水度之差。 ，粗颗粒松散土壤的给水 度接近容水度；细颗粒粘土的给水度很小。 V Vw 持水度 = V Va 给水度 = Va Vw Vs V

地下水的状态气态水：以蒸汽状态散逸于土壤孔隙中，数量极少，不需考虑。附着水：以最薄的分子层吸附在土壤颗粒表面，呈固态水的性质数量很少。薄膜水：以厚度不超过分子作用半径的薄层包围土壤颗粒，性质与液态水近似，数量很少。因毛细管作用保持在土壤孔隙中，除特殊情况外，一般毛细水：也可忽略。重力水：在重力作用下在土壤孔隙中运动的那部分水，是渗流理论研究的对象选择题：在研究宏观运动的水力学中，主要研究的运动。重力水A、气态水；B、吸着水；C、毛细水；福-返回课目

7 二、地下水的状态 ⚫ 气态水：以蒸汽状态散逸于土壤孔隙中，数量极少，不需考虑。 ⚫ 附着水：以最薄的分子层吸附在土壤颗粒表面，呈固态水的性质 ，数量很少。 ⚫ 薄膜水：以厚度不超过分子作用半径的薄层包围土壤颗粒，性质 与液态水近似，数量很少。 ⚫ 毛细水：因毛细管作用保持在土壤孔隙中，除特殊情况外，一般 也可忽略。 ⚫ 重力水：在重力作用下在土壤孔隙中运动的那部分水，是渗流理 论研究的对象。 选择题：在研究宏观运动的水力学中，主要研究 的运动。 A、气态水 ；B、吸着水； C、毛细水 ； D、重力水 。 

三、渗流简化模型渗流模型假设渗流简化模型的定义忽略土壤颗粒的存在，认为水充满整个渗流空间，且满足：对同一过水断面，模型的渗流量等于真实的渗流量。(2)作用于模型任意面积上的渗流压力，应等于真实渗流压力。（3）模型任意体积内所受的阻力等于同体积真实渗流所受的阻力2、模型渗流流速与真实渗流流速模型渗流流速V小V=V模V'=V实nA于真实渗流流速VV=nVIA'A—一过水断面面积；A一孔隙面积；<1n=A返回课目

8 三、渗流简化模型（渗流模型假设） 1、渗流简化模型的定义： （1） 对同一过水断面，模型的渗流量等于真实的渗流量。 （2）作用于模型任意面积上的渗流压力，应等于真实渗流压力。 （3）模型任意体积内所受的阻力等于同体积真实渗流所受的阻力。 • 忽略土壤颗粒的存在，认为水充满整个渗流空间，且满足： 2、模型渗流流速与真实渗流流速 模型渗流流速V小 于真实渗流流速V' V nV nA Q V V A Q V V  =  = 模 =  = 实 = A——过水断面面积；A´——孔隙面积； 1  = A A n

第二节量一达西定律渗流的基本定律QU忽略不计。由于渗流流速很小，所以流速水头2gH=HBD列1，2断面能量方程AH=H+hh=H-H2HH2-H-Hhw滤层实验发现：QAJ返回课目第二节渗流的基本定律一一达西定律

9 第二节 渗流的基本定律——达西定律 Q  L 1 1 2 2 Q hw B H1 H2 滤层 由于渗流流速很小，所以流速水头 忽略不计。 2 2g    2 2 2 1 1 1 p H z p H z = + = + 列1，2 断面能量方程： 1 2 1 2 h H H H H h = − = +   l H H l h J w 1 − 2 = = 实验发现： Q  AJ 第二节 渗流的基本定律——达西定律

U=kJ=-kdH引入渗透系数k，可得达西定律的一般表达式：dsdHu=kJ=-k因均匀渗流，故达西定律也可表示为点流速形式ds达西定律说明：在某一物质介质的孔隙中，渗流的水力坡度与渗流流速的一次方成正比，因此亦称渗流线性定律达西定律适用范围达西定律只适用于层流渗流。vdro2≤1~10Re =即:dio颗粒的有效直径，即筛分时，占10%重的颗粒所通过筛孔直径。返回课目-达西定律第二节渗流的基本定律

10 第二节 渗流的基本定律——达西定律 二、达西定律适用范围： 即： Re 1 ~ 10 10 =  ν vd d10 ——颗粒的有效直径，即筛分时，占10%重的颗粒所通过筛孔直径。 达西定律只适用于层流渗流。 达西定律说明：在某一物质介质的孔隙中，渗流的水力坡度与渗流流速的 一次方成正比，因此亦称渗流线性定律。 kJ k dH ds 引入渗透系数k，可得达西定律的一般表达式：  = = − 因均匀渗流，故达西定律也可表示为点流速形式： u kJ k dH ds = = −