渗流是指水在地表以下的土壤或岩层裂隙中的流动即地下水24页PPT

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小结
– 上述分类标准不同，无从属关系，可以 组合
– 均质与非均质，各向同性与各向异性概 念容易混淆
– 各向同性K为标量，各向异性K为张量
– 各向同性流场，J与v共线 – 各向异性流场，J与v一般不共线
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§1.3 各向异性介质中地下水流的达西定律
1.渗透系数的张量表示式 1.达西定律的推广形式：
v K J v K J
设R为旋转矩阵 R 设R为旋转矩阵


cos sin

v v


R
vx vy

sin cos


J J


R
J J
x y

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地下水通过非均质界面的折射现象 定义：地下水在非均质岩层中运动，当水流通过渗透系数突变的 分界面时，出现流线改变方向的现象 1. 折射定理
5
一、典型体元
(Representative elementary volume)
在水力学中引进质点的概念，把水看成连续介质， 则可用连续函数描述运动要素。 为了把渗流场概化为多孔介质连续体，用连续函数 描述，引进典型体元的概念。
什么是典型体元呢？现以孔隙度为例来讨论。
6
把V0称为典型体元。 引进REV后就可以把多孔介质处理为连
下游过水断面的水头差） ；
L——渗透途径（上下游过水断面的距
离） ；
I ——水力梯度（相当于h / L，即水头
差除以渗透途径） ；
K——渗透系数。
此即达西公式。
16
二、达西实验条件
稳定达西实验：得出渗透流速与水力坡度成 正比即线性渗流定律，说明此时地下水的流 动状态呈层流。

PART 04
渗流计算方法
解析法
定义
解析法是通过数学公式推导，直接求解渗流 问题的方法。
优点
可以得出精确解，适用于理论研究和教学。
缺点
对于复杂的地质条件和边界条件，解析法可 能无法得出解或者求解过程非常复杂。
数值法
定义
数值法是通过离散化连续的渗流区域，用数值计算方 法求解渗流问题的方法。
优点
可以处理复杂的地质条件和边界条件，计算精度高。
缺点
计算量大，需要高性能计算机。
实验法
01
02
03
定义
实验法是通过实际测量和 观察来研究渗流问题的方 法。
优点
可以真实反映实际渗流情 况，数据可靠。
缺点
实验成本高，周期长，受 实验条件限制。
PART 05
渗流在工程中的应用
水资源开发与利用
地下水开采
利用土的渗透性，通过打井等方式抽取地下水， 满足生活和农业用水需求。
渗透性差，透水性差，保 水性好。
渗透性好，透水性强，保 水性差。
砂质土
黏质土
壤土
PART 03
渗流理论基础
达西定律
总结词
描述流体在多孔介质中流动的基本规律。
详细描述
达西定律是描述流体在多孔介质中流动的基本规律，指出流速与压力梯度成正 比，与介质阻力成反比。该定律是渗流理论基础的核心，为研究土的渗透性和 渗流提供了基础。
性质
与土的孔隙大小、连通性、数量和分 布有关。
影响渗透性的因素
01
02
03
04
土壤颗粒大小
颗粒越小，孔隙越小，渗透性 越差。
土壤颗粒排列
颗粒排列越紧密，孔隙越少， 渗透性越差。

qy
qx qx dx q x qz z dz
z
q q q y x z Qq ( d x ) d t ( q d y ) d t ( q d z ) d t o u t x y z x y z
§2.2 渗流§2.2.1
渗流连续方程
假定土体孔隙在渗流过程中不变（土骨架不发生变形），孔隙水不 可压缩，则有：
h h 1 q kA 2 kAi Av L
§2.1 土的渗透性§2.1.1
Darcy（达西）定律
其中： q— 流量, 即单位时间内通过砂土试样的水量；m3/s L— 两测管间的垂直距离；m A— 砂土试样断面积；m2 h1、h2—两测管中的水头；m k — 土的渗透系数（m/s），其物理意义即：单位水力梯度下的渗透 速度 (因为当 i = 1，由达西定律知：v = k)。
j-体积力，方向与水流一致 渗透力是造成土中渗透破坏（流土、砂沸等）的根本原因。
§2.2 渗流§2.2.3
渗透力
现讨论下图示土柱：
作用在土柱上的渗透力为：
F j l A i l A w
l A ( ) 重力为： W s a t w
FW 当 即：
iwlAlA '
式中：h=h(x，y，z)-总水头，且总水头=位置水头+压力水头+流速水头 u u v2 h z h z w 又称测管水头 （可略）； w 2g kx，ky，kz-x，y，z三方向的渗透系数 2 2 2 则渗流连续方程可整理为： h h h k k k 0 x y z 2 2 2 又称稳定渗流方程 x y z 对横观各向同性土，kx=ky=kh，kz=kv
——谢康和

.
15
2.4 有效应力原理及应用
2. 饱和土中孔隙水压力的计算
1) 静水条件
地下水位
水平地基 z－u＝z
①自重应力σsz=σz’， σsz是指有 效应力，地下水位以下σsz 计算采 用浮容重,是因为静水压力对土骨架 的浮托力，减轻了土的有效重量， 从有效应力原理的角度讲， u=γwzw（存在着孔隙水压力）。
▪在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。
2）绘制方法 3）流网特点 4）实际应用
▪确定边界流线和首尾等势线→流线→等势线→反复修改，调整； ▪一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成。
▪与上下游水位变化无关， Δh=const； ▪等势线上各点测管水头H相等； ▪与k无关。 ▪ 测管水头： =位置水头＋压力水头
xy y
x yz zy xx'
xy y'
y xz z0 u
0 u
0 0
zx zy z zx zy z' 0 0 u
.
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2.4 有效应力原理及应用
1. 有效应力原理
'u
a. 揭示了饱和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力和孔隙水压组成的。
b. 揭示了饱和土的强度和变形是由有效应力控制的，而不是由总应力控制。
试想：
海床对土粒的反力哪一种情况下要更大一些？ 哪个土粒更容易被推动？
.
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2.4 有效应力原理及应用
1. 有效应力原理
'u
物理本质:
a. 揭示了饱和土体内任一平面上作用的总应力是由有效应力和孔隙水压组成的。
b. 揭示了饱和土的强度和变形是由有效应力控制的，而不是由总应力控制。
① 孔隙水压力的作用 ② 变形的原因 ③ 强度的成因

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流入和流出相等：
adh= k(h/L)Adt
即 dt aLdh kAh
整理并积分得
由此求得渗透系数：
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2021/6/9
变水头渗透试验装置
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3.现场抽水试验
▪ 粗颗粒土或成层的土，室内试验时不易取得原状土样； ▪ 小土样不能反映天然土层的结构性。
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图3-1 渗流模型
渗流模型基本假定：
➢ 不考虑渗流路径的迂回曲折，只分析它的主要流向； ➢ 认为孔隙和土粒所占的空间之总和均为渗流所充满。
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➢ 同一过水断面，渗流模型的流量等于真实渗流的流量； ➢ 任一界面上，渗流模型的压力与真实渗流的压力相等； ➢ 相同体积内，渗流模型所受阻力与真实渗流相等。
图3-1 渗流模型
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1.渗流速度 断面面积为A，通过的渗透流流量为q，则平均流速为：
v=q/A
真实渗流仅发生在孔隙面积A内，因此真实流速为：
于是
v0=q/A
v/v0=A/A=n
“模型的平均流速要小于真实流速”
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2.水头
能 量 是 用 水 头 来 表 示 ， Bernoulli’s Equation：
图3-12 流土示意图
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▪ 比较和区别: ✓ 流砂现象发生在土体表面渗流逸出处,不发生于土体内部 ✓ 管涌可以发生在渗流逸出处，也可能发生在土体内部
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例3-4：
（1）由渗透力计算公式得j=wi 而 故
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（2） 由 可得
即 发生流土现象。
而
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A

e A

e
1. 达西定律 由法国工程师达西在沙质土壤中进行了大量 实验，总结出了渗流流速与渗流能量损失之间的基 本关系式，称为达西定律。 实验装置如图。一直立圆筒上端开口， 筒侧壁两根侧压管，圆筒上部有一进水管， 并设有溢流管以保持圆筒内水位恒定。圆 筒底部以上一定距离处安装一滤板C，在 此上放均质砂土，圆筒上部的水透过砂土， 通过滤板，经短管T流入容器V中，测出 Δt时间内流入容器中的水的体积，由此 计算渗流量Q。
第六章
渗流
定义：流体在孔隙介质中的流动称为渗流。
渗流主要是指水在地表面以下的土壤或岩层中的 流动，因此渗流也称为地下水流动。 本章研究的是以地下水流为代表的渗流运动规律 及在工程中的应用。例如：生活用水、工农业用水， 有时需要凿井取水，这就需要确定流向井的水量和 井的大小及数量。除此之外，还在水利、土建、石 油、采矿、地质等许多行业涉及渗流问题。
1
本章所讨论的仅限于适用达西定律的渗流，即层流 渗流。
3. 渗透系数k
渗透系数k是反映土壤渗流特性的一个综合性指标， 受多种因素影响，主要取决于土壤颗粒的形状、大 小、不均匀性及水温等。 渗透系数的量纲为[LT-1]，常用cm/s表示。 要精确确定渗透系数的数值比较困难，一般有以下 几种方法： （1）经验公式估算。可查相关手册，还可以参照有关 规范和工程资料来选定k值，很显然，这种方法可 靠性较差，只有在极其粗略的估算中可以采用。
v A
，
由于在实际渗流区域内有一部分面积被土壤颗粒所 A 占据，所以，实际渗流的过水断面面积 小于 ， ， A A e A 那么土壤孔隙中正是渗流流速为 Q Q v
v
因为孔隙率e <1，所以 v v 渗流分类方法类似于前面有关水流的研究，可划分 为：恒定渗流和非恒定渗流，均匀渗流和非均匀渗流。 非均匀渗流又可分为渐变渗流和急变渗流。本章只讨论 恒定渗流。

石油和天然气开发
油藏工程
通过渗流力学原理，研究油藏的 流动规律和驱替机理，提高石油
采收率。
钻井液设计
在钻井过程中，选择和配制钻井 液，使其具有良好的渗透性和稳 定性，以保护油气层并防止井喷
等事故。
采气工程
在天然气开采中，利用渗流原理 ，优化采气工艺和排水采气技术
，确保天然气的稳定供应。
土壤改良与治理
土壤渗透性改善
通过改善土壤的孔隙结构和渗透性，提高土壤的蓄水能力和排水 性能，预防土壤盐碱化和渍害。
土壤污染修复
利用土壤的渗透性和吸附性，通过淋洗、渗透和化学反应等方法， 去除和降低土壤中的有害物质。
土壤侵蚀防治
通过提高土壤的抗侵蚀性能和植被覆盖度，降低水土流失的风险， 保护土地资源。
地下水污染控制
地下水污染源调查
01
通过渗流模拟和监测技术，查明地下水污染源的位置和扩散范
围。
污染治理与修复
02
采取截断、隔离、吸附、沉淀等措施，减少或消除污染物质对
地下水的危害。
地下水监测网络建设
03
建立完善的地下水监测网络，定期采集地下水样本，分析其水
质指标，评估地下水的污染状况和变化趋势。
渗流和渗透的应用领域
渗流
在石油工业、地下水开发、土壤改良、环境保护等领域广泛应用，如油田开发 中的油藏工程、水处理中的膜分离技术等。
渗透
在生物医学工程、化学工程、环境工程等领域应用广泛，如人工肾、渗透汽化 膜技术等。
02
渗流和渗透的原理
达西定律
总结词
达西定律是描述液体在多孔介质中流动的基本规律，是渗流力学中的基本定律。
描述了流体在开始时刻的状态，例如 流速、压力等。

t1
k A Δh1 Δ h
dt aL dh kA h
k

aL A ( t2
l nΔ h1 t1) Δ h2
k

2.3
aL A(t2 -
t1
lgΔh1 ) Δh2
结果整理:
(3-12b)
选择几组Δh1, Δh2, t ，计算相应的k，取平均值
t t+ Δt
§3 土的渗透性及渗 §3.2土的渗透性 流3.2.3渗透试验及渗透系 数1.室内渗透试验测定渗透系数
q kxiH
k x

1 H
kiHi
垂直渗流情形
q1 q2 ... q;
Δh hi;H Hi
H1, H2 ...;k1,k 2 ...
h v kzi kz H
kz

H

Hi ki
§3 土的渗透性及渗 §3.2土的渗透性 3.2.3渗透试验及渗透系
流５. 成层土的等效渗透系数
§3.1 概述
渗透性研究主要有以下三方面:
渗流量问题 渗透破坏问题 渗流控制问题
防渗墙
防渗墙射水法施工
防渗墙
§3.2 土的渗透性
3.2.1 渗流基本概
念
一．渗流中的水头
(伯努力定理1738)
板桩墙
基坑
透水层 不透水层
A B
L
§3.2 土的渗透性 3.2.1 渗流基本概念
总水头－单位质量水体所具有的能量
H3
不透水层
§3 土的渗透性及渗 §3.2土的渗透性 3.2.3渗透试验及渗透系
流５. 成层土的等效渗透系数
数
竖直渗流:
条件: qi q

2024年8月1日星期四2时44分59秒
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3.渗透破坏与控制
J = rwi
（1）流砂 当向上的渗流力与土的浮重
度相等时，粒间有效应力σ'为零， 颗粒群同时发生悬浮、移动的现象 称为流砂现象（流土现象）。
J= r' rwicr= r'
r' icr= rw
i ≥ icr 流砂
2024年8月1日星期四2时44分59秒
水在土中渗透有规律可以遵循吗？
如何定性和定量化评价水在土中的渗透性的大小？如何来描述？
2024年8月1日星期四2时44分58秒
12
一、渗流模型
实际土体中的渗流仅是流 经土粒间的孔隙，由于土体 孔隙的形状、大小及分布极 为复杂，导致渗流水质点的 运动轨迹很不规则。
简化
（1）不考虑渗流路径的迂
回曲折，只分析它的主—“截弯取直” 要流向 ；
9;
由这些特征可进一步知道，流网中等势
线越密的部位，水力梯度越大，流线越
密的部位流速越大。
板桩墙围堰的流网图
2024年8月1日星期四2时44分59秒
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流网的绘制
(1) 按一定比例绘出结构物和土层的剖面图；
(2) 判定边界条件：透水面（aa' ，bb' ）等势线 ； abc 和不透水面 为流线；
27
3.流网的特征与绘制
流网的特征
对于各向同性渗流介质，流网具有下列特征：
(1) 流线与等势线互相正交；
(2) 流线与等势线构成的各个网格的长宽比为常数，当长宽比为
1 时，网格为曲线正方形，这也是最常见的一种流网；
(3) 相邻等势线之间的水头损失相等；Δh= ΔH
(4) 各个流槽的渗流量相等。 q=Nf Δq

1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
渗流是指水在地表以下的土壤或岩层 裂隙中的流动即地下水
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁嗟身后名，于我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散