岩土工程渗流02 第2章 地下水渗流力学基础.pptx
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1、地下水渗流力学地下水渗流力学 第第2 2章章 地下水地下水渗流力学基础渗流力学基础 2第第2 2章章 地下水渗流力学基础地下水渗流力学基础 2.1 地下水和多孔介质的压缩性地下水和多孔介质的压缩性2.2 含水层的储水特性含水层的储水特性2.3 地下水渗流基本概念地下水渗流基本概念2.4 地下水运动特征分类地下水运动特征分类2.5 渗流基本定律渗流基本定律2.6 流网及其应用流网及其应用32.1 2.1 地下水和多孔介质的压缩性地下水和多孔介质的压缩性n2.1.1 2.1.1 地下水在多孔介质中的运动地下水在多孔介质中的运动n2.1.2 2.1.2 地下水和多孔介质性质地下水和多孔介质性质 1
2、1)地下水的状态方程)地下水的状态方程 体积与密度之间的关系体积与密度之间的关系 2 2)多孔介质的性质)多孔介质的性质 孔隙性孔隙性 压缩性压缩性4多孔介质多孔介质(1)多相物质占据的空间,多相物质占据的空间,至少有一相不是固体至少有一相不是固体。固固相骨架相骨架孔隙空间孔隙空间。(2)固相应遍及整个多孔介质固相应遍及整个多孔介质,每个表征体中必须存,每个表征体中必须存在固体颗粒。在固体颗粒。(3)至少构成空隙空间的某些至少构成空隙空间的某些孔洞应当相互连通孔洞应当相互连通。尺度“带有孔洞的固体带有孔洞的固体”“颗粒介质颗粒介质”本学科对多孔介质的本学科对多孔介质的限定:限定:52.1.1地
3、下水地下水在多孔在多孔介质中的运动介质中的运动n广义:埋藏在地面以下岩石空隙中的水;广义:埋藏在地面以下岩石空隙中的水;n狭义:潜水面以下的重力水狭义:潜水面以下的重力水(通常对地下水的定义通常对地下水的定义)。n非饱和带非饱和带由由上部土壤水带上部土壤水带,中间过渡渗水带中间过渡渗水带和和毛管毛管水带水带三部分组成;三部分组成;n饱和带饱和带位于潜水面以下,主要由重力水组成,所以位于潜水面以下,主要由重力水组成,所以也叫重力水带。也叫重力水带。n地下水存在的形式,可分为地下水存在的形式,可分为结合水结合水、薄膜水薄膜水、毛细毛细水水、重力水重力水。n在工程渗流力学中,饱和带中的重力水和部分非
4、饱在工程渗流力学中,饱和带中的重力水和部分非饱和带中的毛管水、薄膜水等,为主要研究对象。和带中的毛管水、薄膜水等,为主要研究对象。62.1.2 地下水和多孔介质地下水和多孔介质性质性质1)地下水的)地下水的状态方程状态方程等温条件下,水的压缩系数:等温条件下,水的压缩系数:设设初始压强初始压强p0,初始体积,初始体积V0压强变化小时压强变化小时通过通过=m/V,并考虑质量并考虑质量m不变,可推出不变,可推出(2.1.5)()(2.1.7)()(2.1.9)各式()各式(p-关系)关系)状态方程(状态方程(p-V关系)关系)72.1.2 地下水和多孔介质地下水和多孔介质性质性质n1孔隙性孔隙性
5、在工程上常用孔隙率在工程上常用孔隙率n和孔隙比和孔隙比e来表示。来表示。孔隙率或孔隙比大小取决于:孔隙率或孔隙比大小取决于:n骨架的粒径分布和孔径分布;骨架的粒径分布和孔径分布;n与土颗粒的组成,不均匀系数有关与土颗粒的组成,不均匀系数有关n与颗粒的排列形状有关;与颗粒的排列形状有关;n受多孔介质中的固结物质及沉积环境因素的受多孔介质中的固结物质及沉积环境因素的影响。影响。一般天然土,一般天然土,n多为多为3040左右左右。2)多孔介质的性质多孔介质的性质8n从流体通过的观点,只有相互连通的孔隙才有意义。从流体通过的观点,只有相互连通的孔隙才有意义。n细粒土(粘性土),颗粒表面的结合水占据了相
6、当一细粒土(粘性土),颗粒表面的结合水占据了相当一部分空隙,有效孔隙要比总的孔隙少得多。部分空隙,有效孔隙要比总的孔隙少得多。n互相连通的、不为结合水所占据的那一部分孔隙称为互相连通的、不为结合水所占据的那一部分孔隙称为有效孔隙有效孔隙(Vv)e。n有效孔隙体积与总体积之比称为有效孔隙体积与总体积之比称为有效孔隙率有效孔隙率ne。n(ne无法实测,只能推测)无法实测,只能推测)9n还有一种孔隙称为还有一种孔隙称为死端孔隙死端孔隙或或滞流孔滞流孔隙隙,流动几乎不起,流动几乎不起作用。从地下水运作用。从地下水运动角度来看,这类动角度来看,这类孔隙是无效的。孔隙是无效的。n其中水在疏干时能排出,所以
7、对排水而言是其中水在疏干时能排出,所以对排水而言是有效的,这时的有效孔隙率也称为有效的,这时的有效孔隙率也称为给水度给水度。n给水度给水度排水有效孔隙率排水有效孔隙率n饱和不足度饱和不足度充水有效孔隙率充水有效孔隙率102)多孔介质的性质多孔介质的性质2、多孔介质的压缩性、多孔介质的压缩性n有效应力有效应力变化引起多孔介质的变化引起多孔介质的体积体积变化变化n由于固体颗粒本身压缩性很小,实际为由于固体颗粒本身压缩性很小,实际为孔隙体积孔隙体积变化变化n压缩系数压缩系数:介质的表面介质的表面压强压强注意此处注意此处不是不是孔压孔压,是是有效应力有效应力的平均值的平均值准确的表述应该是:准确的表述
8、应该是:11骨架压缩系数和孔隙压缩系数骨架压缩系数和孔隙压缩系数n骨架压缩系数骨架压缩系数n孔隙压缩系数孔隙压缩系数 注意:注意:孔隙孔隙压缩系数压缩系数p是是一个易造成概念混淆的量:不是一个易造成概念混淆的量:不是孔隙孔隙本身受压变形本身受压变形,而是固体骨架受力,固体颗粒破碎、相对,而是固体骨架受力,固体颗粒破碎、相对移位等造成的孔隙体积变化移位等造成的孔隙体积变化!骨架压缩系数骨架压缩系数s也也无实际意义,因应力不均匀,应力集无实际意义,因应力不均匀,应力集中,主要变形有弹性压入、破碎、塑性变形等中,主要变形有弹性压入、破碎、塑性变形等2.2 含水层的储水含水层的储水特性特性122.2.
9、1承压含水层承压含水层的储水的储水特性特性2.2.2潜水含水层潜水含水层的储水的储水特性特性13n设设粒间应力粒间应力 s,接触面积,接触面积 A。2.2.1承压含水层的储水承压含水层的储水特性特性n严格意义上严格意义上,不必要不必要很小,切线很小,切线也可通过也可通过任意断面任意断面。n值值很小很小关于有效应力原理的解释关于有效应力原理的解释太太沙沙基基一一般般情情况况第一项是真正能向下传递的力第一项是真正能向下传递的力A2.2.1承压含水层的储水承压含水层的储水特性特性14忽略固体颗粒压缩忽略固体颗粒压缩含水层受含水层受侧限侧限、垂向垂向总应力不变。水头变化总应力不变。水头变化dH(下降为
10、(下降为正),正),孔孔压变化压变化dp=-dH,垂垂向向有效应力变化有效应力变化dz=dH应用(应用(2.1.11)式:)式:1.压缩土体部分:压缩土体部分:侧侧限的体积关系:限的体积关系:用(用(2.1.11)式不)式不严谨,应该用侧限严谨,应该用侧限压缩的指标。这不压缩的指标。这不影响工程应用,但影响工程应用,但导致非稳定渗流与导致非稳定渗流与固结理论的断裂。固结理论的断裂。水量变化:水量变化:教材中教材中Vb=1m3,dH=1m2.2.1承压含水层的储水承压含水层的储水特性特性15水的体积压缩系数:水的体积压缩系数:土中水的体积:土中水的体积:V=nVb,水头变化水头变化dH(下降为正
11、),(下降为正),孔压孔压变化变化dp=-dH水体积变化:水体积变化:2.水体膨胀部分水体膨胀部分:3.排出的总水量排出的总水量:定义贮水率定义贮水率s:(弹性释水):(弹性释水)单位土体在单位土体在单位单位水头下降时释放出的水量(量纲:水头下降时释放出的水量(量纲:L-1)16贮水率贮水率 的讨论的讨论 1.贮水率贮水率表示当水头降低一个单位,单位体积介质由介质压缩表示当水头降低一个单位,单位体积介质由介质压缩及水的膨胀所释放出来的水量。及水的膨胀所释放出来的水量。可以通过抽水试验实测。可以通过抽水试验实测。2.不计水的压缩时,不计水的压缩时,直接表述为土的压缩性,可通过室直接表述为土的压缩
12、性,可通过室内试验获得,并可推出固结系数指标。内试验获得,并可推出固结系数指标。3.仅限于侧限仅限于侧限条件条件,可用于可用于地下水位变化引起的沉降、一维固地下水位变化引起的沉降、一维固结、承压含水层的抽水结、承压含水层的抽水等工程问题。等工程问题。弹性释水弹性释水2.2.2潜水含水层潜水含水层的储水的储水特性特性17除了弹性释水,更重要除了弹性释水,更重要的是由于潜水面下降引的是由于潜水面下降引起的重力排水起的重力排水定义给水度定义给水度:(重力:(重力排水)排水)单位单位土土体由饱和到排干所能体由饱和到排干所能排出的水量(无量纲)排出的水量(无量纲)式中式中V0在潜水位下降时,为可由重力排
13、出的水量,当潜在潜水位下降时,为可由重力排出的水量,当潜水位上升时,为非饱和土可吸水的量,两者一般不同。水位上升时,为非饱和土可吸水的量,两者一般不同。弹性释水与重力排水的比较弹性释水与重力排水的比较n贮水率和给水度两者量纲不同,不能直接比较,贮水率和给水度两者量纲不同,不能直接比较,n潜水位潜水位下降时,水位以下土层都参与释下降时,水位以下土层都参与释水。引入水。引入贮水系贮水系数数*:*=Ms(无量纲),当水头降低一个单位时,(无量纲),当水头降低一个单位时,从单位面积、厚度为从单位面积、厚度为M的柱体中释放出来的水量的柱体中释放出来的水量。n贮水系数与给水度进行比较的例子:贮水系数与给水
14、度进行比较的例子:n砂砂质潜水含水层,给水度一般为质潜水含水层,给水度一般为0.050.25,土层的压缩,土层的压缩模量一般为模量一般为2040MPa,若土层厚度,若土层厚度10m,则,则对应的贮对应的贮水水系数约为系数约为1010/(2040)/1000=0.0050.0025n淤泥给水度很小淤泥给水度很小,一般一般0.05,土层的压缩模量一般土层的压缩模量一般为为14MPa,若土层厚度,若土层厚度10m,则对应的贮水系数约为,则对应的贮水系数约为1010/(14)/1000=0.10.0251819n以以假想水流假想水流代替在代替在多孔介质中运动着多孔介质中运动着的的真实流体真实流体。1)
15、连续地)连续地充满整个介质空间充满整个介质空间2)通过)通过过水断面的流量过水断面的流量与与真实流量真实流量相同相同 断面上的断面上的水头及压力水头及压力与与真实水流真实水流相等相等 运动时所运动时所受的阻力受的阻力等于等于真实水流真实水流所受的阻力。所受的阻力。n渗渗流流所所占占据据的的空空间间称称为为渗渗流流场场,描描述述渗渗流流的的参参数数称称为为渗渗流流运动要素,如运动要素,如压力压力p、速度速度v及及水头水头H等。等。2.3 地下水渗流地下水渗流基本概念基本概念2.3.1 渗流的概念渗流的概念渗流研究的尺度要求渗流研究的尺度要求20渗流研究应在一定尺度渗流研究应在一定尺度范围。范围。
16、尺度过小,进入微观范尺度过小,进入微观范围,孔隙率、速度、水围,孔隙率、速度、水头等均变为波动数值;头等均变为波动数值;尺度过大,可能跨越不尺度过大,可能跨越不同介质,显出非均匀介同介质,显出非均匀介质特性。质特性。研究的单元应在合理范研究的单元应在合理范围。围。212.3.2 渗透速度与实际速度渗透速度与实际速度 渗透速度渗透速度v:单位面积过水单位面积过水断面断面通过通过的渗流量的渗流量 渗流量渗流量Q:单位时间单位时间通过通过一一定过水断面定过水断面A的的水量水量A22几种速度的比较几种速度的比较n1、水质点的运动速度、水质点的运动速度水质点真实运动速度,难水质点真实运动速度,难以量测。
17、以量测。n2、渗透速度、渗透速度在单位时间内流过在单位时间内流过土的单位断面面土的单位断面面积积的水量:的水量:v=Q/A 或或 v=dQ/dAn3、孔隙中平均流速、孔隙中平均流速在单位时间内流过土的在单位时间内流过土的单位单位断面中孔隙面积断面中孔隙面积的水量:的水量:v=Q/(nA)或或 v=dQ/(ndA)n4、水压力传递速度水压力传递速度上限为应力波(声波)传递上限为应力波(声波)传递速度,与渗透系数及土的压缩性有关。速度,与渗透系数及土的压缩性有关。232.3.3 渗流水头与等水头面和水力坡度渗流水头与等水头面和水力坡度 n1渗流水头:渗流水头:总水头总水头、测压管水头测压管水头和和
18、流速水头流速水头基基准准面面可可任任意意选选择择;压压力力p一一般般为为相相对对于于大大气气压压力力的的增增量量,必要时可用必要时可用绝对压力绝对压力;土力学中土力学中孔隙水压力孔隙水压力就是压力就是压力p;超静孔隙水压力超静孔隙水压力是压力是压力p相对于静水压力相对于静水压力p0的增量的增量p24水头的概念水头的概念nz为为位置水头,是相对位置水头,是相对于于基准面基准面的高差。的高差。np为压力,也有用为压力,也有用un基准面可以任意选定基准面可以任意选定n(但一次只能选一个)(但一次只能选一个)基准面基准面基准面基准面基准面基准面n总水头总水头n测压管水头测压管水头25室内试验常用下游水
19、位作为基准面室内试验常用下游水位作为基准面实际工程通常用高程实际工程通常用高程0点点26如果以如果以A点为基准面,结果怎样?点为基准面,结果怎样?陈仲颐书中的例题陈仲颐书中的例题如果是两种土层,其渗透性差别很大,如果是两种土层,其渗透性差别很大,也可忽略也可忽略透水性强的土层透水性强的土层内水头损失内水头损失粗砂粗砂-5-20-32.5-4500-20-40272.等水头面和水力坡度等水头面和水力坡度 n渗流场中各点水头可表示为渗流场中各点水头可表示为 H=H(x,y,z,t)n水头值相同的各点连成等水头面。不同数值的等水头值相同的各点连成等水头面。不同数值的等水头面不相交。水头面不相交。n水
20、头的梯度场:水头的梯度场:grad H,分量为,分量为水力坡降:水力坡降:分量形式:分量形式:28n水头差:水头差:n不同的基准面,水头差的数值相同不同的基准面,水头差的数值相同n水力坡降(水力梯度)水力坡降(水力梯度)n水力坡降是矢量水力坡降是矢量(下降为正下降为正)n水水不是向不是向位置低位置低处流,也不是向处流,也不是向压力低压力低处流,是向处流,是向水头水头低低处流!处流!水头差、水力坡降水头差、水力坡降pAHA292.3.4 渗流作用力渗流作用力 n(一一)岩土体接触面上水压力分布岩土体接触面上水压力分布 n(二二)骨架间渗流作用力骨架间渗流作用力 n2.3.4.1 静水压力与浮力静
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- 岩土工程渗流02 第2章 地下水渗流力学基础 岩土 工程 渗流 02 地下水 力学 基础