渗流-水力学教案——渗流(中职教育)

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1、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

2、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

3、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

4、,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

5、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

6、其大小主要取决于土的颗粒形状、大小、不均匀系数及水温。其确定方法冇:1、室内测定法:取十样在实验室屮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10-1o第三节地下河槽中恒定均匀渗流和非均匀渐变渗流1、地下河槽水流:位于不透水棊底上的空隙区域内冇地下水流动,水流具冇自由表面(无压)。地下河槽渗流的白由表面为浸润面,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

7、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。一、地下河槽的恒定均匀渗流J=i,贝ij:平均流速V=ki,流量Q=kiA°,单宽流量q=kih{}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)公式微小流束的流速:zdHu=-kds断面平均流速:1f1f,dHfdHV=一1uclA==—1--kdA=-kA山dsds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

8、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而平均流速,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、棱柱体地下河槽屮恒定渐变渗流的基本微分方程H=h+ids;H+dH=h+dh,所以:一dH=ids—dh,贝0:/=-—=/-—dsds由杜比公式得

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