水力学 第8章 渗流 主讲：马金花
8.1概述 渗流是流体通过多孔介质的流动，渗流力学就是研究流体在多孔介质中运动规律的科学。渗流力学是流体力学的一个分支，是流体力学与介质理论、表面物理、物理化学以及生物学交叉渗透而发展起来的一门边缘学科。 渗流现象普遍存在于自然界和人造材料中。如地下水、热水和盐水的渗流；石油、天然气和煤层气的渗流；动物体内的血液微循环和微细支气管的渗流；植物体内水分、气体和糖分的输送；陶瓷、砖石、砂模、填充床等人造多孔材料中的渗流等。
8.1.1 渗流理论的实用意义 渗流力学在很多应用科学和工程技术领域有着广泛的应用。如土壤力学、地下水文学、石油工程、地热工程、给水工程、环境工程、化工和微机械等等。此外，在国防工业中，如航空航天工业中的发热冷却，核废料的处理以及诸如防毒面罩的研制等都涉及渗流力学问题。 渗流的特点在于：第一，多孔介质单位体积空隙的表面积较大，表面作用明显，任何时候都必须考虑粘性作用；第二，在地下渗流中往往压力较大，因而通常要考虑流体的压缩性；第三，孔道形状复杂、阻力大、毛细作用较普遍，有时还要考虑分子力；第四，往往伴随有复杂的物理化学过程。 实用意义
渗流力学是一门既有较长历史又年轻活跃的科学。从达西定律的出现到现在已过去一个半世纪。20世纪石油工业的崛起极大地推动了渗流力学的发展。随着相关科学技术的发展，如高性能计算机的出现，核磁共振、CT 扫描成像以及其他先进实验方法用于渗流，又将渗流力学大大推进了一步。近年来，随着非线性力学的发展，将分叉、混沌理论以及分形理论用于渗流，其他诸如格气模型的建立等等，更使渗流力学的发展进入一个全新的阶段。
8.1.2水在岩土中的状态 气态水 附着水 薄膜水 重力水
8.1.3 岩土的渗流性能 透水性------岩土允许水透过的性能 -------渗透系数 容水度------岩土所能容纳的最大水体积与岩土体积之比 持水度------在重力作用下仍能保持的水体积与岩土总体积之比 给水度-----在重力作用下能释放出来的水体积与岩土总体积之比
8.1.4 渗流模型 渗流模型:流体和孔隙介质所占据的渗流空间场,其边界形状和边界条件均维持不变
8.2 渗流基本定律 一、渗流模型 图 9 —1 为 渗流实验装置，圆筒内充填沙粒，界面积为 A , 沙 层厚为 l , 沙底部有细网支撑。 8.2 渗流基本定律 一、渗流模型 图 9 —1 为 渗流实验装置，圆筒内充填沙粒，界面积为 A , 沙 层厚为 l , 沙底部有细网支撑。 水由稳压箱经阀 A 进入圆筒 C 测定。忽略动能，测压管水头差 H1－H2为渗流的水头损失。 图9—1 渗流实验装置 二、达西渗流定律 法国工程师达西（Henri Darcy)在1852至1855年利用沙质土壤进行了大量实验，得到线性渗流定律。即达西定律： 达西实验1、达西实验2
三、渗流系数 渗流系数测定方法： （1）经验公式法，根据土壤粒径、形状、结构、孔隙率，影响流体粘性的温度等参数所组成的经验公式估算。 （2）实验室方法，在实验室利用类似图9—1的装置及公式（9—1）计算，方法简易，但不易取得未扰动土样。 （3）现场方法，在现场利用钻井或原有井作抽水或灌水实验，根据水井的计算公式求 k 值。
地下水均匀流和非均匀流 渗流 一、恒定均匀流和非均匀流 （1）恒定均匀渗流，任一断面水力坡相同，由达西定律，任意点流速 u 都相等。 （2）恒定非均匀渗流，如图 9—2 所示 图 9—2 测压管坡度 任意过水断面上各点测压管坡度
渗流 二、渐变渗流基本微分方程和浸润曲线 在无压渗流中，重力水自由表面称浸润表面，平面问题中为浸润曲线。如图9—3所示，由裘皮幼公式 图 9—3 图 9—4
8.3 井和集水廊道 渗流 一、集水廊道 某集水廊道，横断面为矩形，底为不透水层，见图10—8， 底坡 i = 0,由式（9—3）得 积分得 8.3 井和集水廊道 一、集水廊道 某集水廊道，横断面为矩形，底为不透水层，见图10—8， 底坡 i = 0,由式（9—3）得 积分得 图 9—5 集水廊道
渗流 二、潜水井（无压井） 具有自由水面的地下水称无压水或潜水，在其中建的井称潜水井。井底打到不透水层称完全井，如图9—6 图 9—6 潜水井
渗流 三、自流井 含水层位于两不透水层之间，压强大于大气压，称为自流层，由其供水的井称自流井，见图9—7，对完全井 图 9—7 自流完全井
渗流 四、大口井 大口井一般直径在 2 m 以上，多为不完全井，井底水量是总量一部分。设一大口井，井壁四周不透水，井底为半球形，供水仅能通过井底。过水断面是与井底同心的半球面，则 图9—8 大口井