《渗流理论》PPT课件
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土力学渗流专题教育课件
dh h1
h
Q 土样 L A
▪成果整顿: 选择几组Δh1, Δh2, t ，计算相应旳k，取平均值
t=t1
t t+dt
t=t2
h2
水头 测管
开关
a
§3.2土旳渗透性与渗透规律--渗透系数旳测定
• 野外测定措施－抽水试验和注水试验法
试验措施： 理论根据：
抽水量Q
A=2πrh i=dh/dr
Q Aki 2rh k dh
k1 0.01m / day k 2 1m / day k 3 100m / day
kx
kiHi 33.67m / day H
按层厚加权平均，由较大值控制
H
kz
0.03m / day Hi
ki
倒数按层厚加权平均，由较小值控制
第三章 土旳渗透性和渗流问题
§3.1 概述√
§3.2 土旳渗透性与渗透规律 √
kx
2h x2
kz
2h z 2
0
2h 2h 0
x2 z2
φ∝ h：势函数
与渗透系数无关
2 2
等价于水头
x2 z2 0
Laplace方程
§3.3平面渗流与流网 --平面渗流旳基本方程及求解
1. 基本方程 流线描述
z
ψ+dψ
ψ
dq
x
2 2 x2 z2 0
-dx vz dz
vx
(x,z)
i
h L
qx qmx
H Hm
等效渗透系数:
qx=vxH=kxiH Σqmx=ΣkmimHm
1
kx H kmHm
1
2 Δh
x
q1x
渗流力学课件第三章单相液体的稳定渗流理论
（5 ）
Rw
由（5）式知，增加油井产量的办法：
➢ 增大生产压差（pe-pw） ➢ 提高地层流动系数kh/μ（压裂，酸化，热采 ） 应用时控油面积：
AabRe2
b
Re
A
a
3、渗流速度及压力梯度
稳定渗流时，Q=Av=常数，则渗流速度
：
vQ Q
A 2rh
把（5）式代入：
v k ( pe pw ) 1
Bo>1
作业：
❖ 9题：（1）、（2）、（3），在 （1）中计算各半径处的渗流速度。 ❖ 10题 ❖ 11题
四、有渗透率突变情况下的渗流问题
由于油层污染等会使渗透率发生突然变化 。
1、渗透率突变地层中的单向流
pe
p1
pw
L1，k1
L2，k2
设渗透率突变处压力为p1，则有
Q1
k1A
pe L1
p1
Rw
p
pw
pe pw ln Re
ln r Rw
Rw
有
p
pw
pe pw lnRe
(lnRe Rw
1) 2
Rw
5、液体质点的运移规律
因
v dr
dt
dtdr2rhdr
v
Q
则液体质点从r0移到r需时间t为
t Qh(r02 r2)
从供给边缘移到井底的时间为：
TQh(Re2 Rw2)
体积系数Bo：原油在油藏的体积与在地面脱气后 的体积之比。
ln Re r
Rw
（6）
（6）式表示v与r成双曲函数关系
。
又
v k dp
dr
v， dp/dr
则压力梯度
工学地下水动力学渗流理论基础专PPT课件
面 沿
积ΔQyxM的流量为Qx，沿x轴 x轴流x 入单元体的水量为：
流
量 Qx
的变化率为 Qx • x
x 2
沿x轴流出单元体的水量为：
Qx
Qx x
•
x 2
沿x轴单位时间流入流出单元体
的水量差为：
。则
Qx x x
同理，可得沿y轴单位时间流入 流出单元体的水量差为：
Qy y y
第20页/共63页
在Z轴方向： 由下部承压含水层单位时间流入越流含水层单元体的
p g H p p
t
t
t
即，
p g H
t 1 p t
因为水的压缩性很小， βp忽略不计，
p g H
t
t
第7页/共63页
代入前式，得
vx
x
vy
y
vz
z
xyz
2g
n
H
t
xyz
vx
x
vy y
vz
z
vx
x
vy
y
vz
z
xyz
第 二2g项 ρ非n常 H小t ，x忽y略z 不计，于是上式变为：
K
H t
井流方程：
非稳定流： 1 r H s H
r r r K t
稳定流： 思考题
1 r H 0 r r r
第16页/共63页
§1—8 越流含水层中地下水 非稳定运动的基本微分方程 越流含水层（半承压含水层）：当承压含水层的上、 下岩层（或一层）为弱透水层时，承压含水层可通过弱 透水层与上、下含水层发生水力联系，该承压含水层为 越流含水层。 越流：当承压含水层与相邻含水层之间存在水头差 时，地下水便会从高水头含水层通过弱透水层流向低水 头含水层，这种现象称越流。 假设条件： (1) 水流服从Darcy定律； (2) K不随ρ= ρ(p)的变化而变化；
渗流力学课件第三章
2kh( p e p w ) Q Re ln Rwr
井的不完善性引起的 附加压降等于：
Q p c .C 2kh
△ PC
C－表皮系数，为一反映井壁污染和不完善井结构的附加 渗流阻力的无量刚值。
井产量公式为：
2kh( p e p w ) Q Re (ln C) Rw
已知：k、Φ、h、Re、Rw、pe、pw、μ
Q
1、平面径向稳定渗 流的压力分布公式
pe
pw
r
Rw
Re
数学模型：
d 2 p 1 dp 0 2 r dr dr
（1）
r=Rw，p=pw r=Re，p=pe （2）
dp 令 dr
则（1）式变为：
d dr r
分离变量积分得：
ln ln r ln C1
如代入
pe p w r p pw ln Re Rw ln Rw
有
pe p w Re 1 p pw (ln ) Re Rw 2 ln Rw
5、液体质点的运移规律
因
dr v dt
dt dr 2rhdr v Q
则液体质点从r0移到r需时间t为
则
r C1
dp r C1 dr
即
分离变量积分：
p C1 ln r C2
（3）
代入边界条件得：
Pe Pw C1 Re ln Rw
pe p w pe p w C 2 pe ln Re p w ln Rw Re Re ln ln Rw Rw
代回（3）得：
压力分布：
在0<x<L1期间：
渗流的基本定律(达西定律)ppt课件
15
§1-2 渗流的基本定律—达西定律
1856 年，法国水力学家达西(H. Darcy)通过大量的实验，得 到线性渗透定律。根据实验结果，得到下列关系式：
式中： Q——渗透流量(出口处流量，即为 通过砂柱各断面的流量) ；
ω——过水断面(在实验中相当于砂柱 横断面积) ；
h——水头损失( h =H1 −H 2 ，即上下 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
l 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。
l 实验条件：均匀介质，一维流动，稳定流， 层流。
36
典型流网特征
37
各向异性介质中的流网
38
22
渗透系数K
从达西定律V = KI可以看出。水力梯度I 是无因次的，故渗 透系数K的因次与渗透流速V 相同。一般采用 m/d 或 cm/s 为单位。令 I = 1 ，则V =K 。意即渗透系数为水力梯度等 于 1 时的渗透流速。水力梯度为定值时，渗透系数愈大。 渗透流速就愈大；渗透流速为一定值时，渗透系数愈大， 水力梯度愈小。由此可见，渗透系数可定量说明岩石的渗 透性能。渗透系数愈大，岩石的透水能力愈强。
31
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
32
§1-2 渗流的基本定律—达西定律
1856 年，法国水力学家达西(H. Darcy)通过大量的实验，得 到线性渗透定律。根据实验结果，得到下列关系式：
式中： Q——渗透流量(出口处流量，即为 通过砂柱各断面的流量) ；
ω——过水断面(在实验中相当于砂柱 横断面积) ；
h——水头损失( h =H1 −H 2 ，即上下 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
l 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。
l 实验条件：均匀介质，一维流动，稳定流， 层流。
36
典型流网特征
37
各向异性介质中的流网
38
22
渗透系数K
从达西定律V = KI可以看出。水力梯度I 是无因次的，故渗 透系数K的因次与渗透流速V 相同。一般采用 m/d 或 cm/s 为单位。令 I = 1 ，则V =K 。意即渗透系数为水力梯度等 于 1 时的渗透流速。水力梯度为定值时，渗透系数愈大。 渗透流速就愈大；渗透流速为一定值时，渗透系数愈大， 水力梯度愈小。由此可见，渗透系数可定量说明岩石的渗 透性能。渗透系数愈大，岩石的透水能力愈强。
31
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
32
《渗流和渗透》课件
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。
第三章土的渗透性及渗流ppt课件
2024年8月1日星期四2时44分59秒
34
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
28
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
渗流力学ppt讲义1第1章
∂U X = ∂x ∂U Y= ∂y ∂U Z= ∂z
满足左式的函数U(x,y,z)对 某方向的偏导数等于单位 质量力在该方向的分量。 这样的函数称为势函数 势函数。 势函数 具有这样的势函数的质量 力称为有势力 有势力,势函数存在 有势力 的场称为势场。 势场。 势场
• 在习惯上，把符合牛顿内摩擦定律的流体称为牛 牛 顿流体，否则为非牛顿流体 非牛顿流体。 顿流体 非牛顿流体 • 一些多分子结构液体，如水、酒精、苯、油类、 水银和气体等都属于牛顿流体。 • 泥浆、血浆、牛奶、尼龙和橡胶的溶液、颜料、 油漆以及生面团、淀粉糊等均属非牛顿流体。 • 粘滞性只对于运动的液体才有意义。当液体静止 或平衡时，粘滞性是不显示作用的。 • 如果运动的液体粘性较小，运动的相对速度也不 大，可近似地把液体看成是无粘性的，对切向变 形没有任何抗拒能力，这样的液体称为理想液体 理想液体
1 β= E
1 dV β = =− E Vdp
• 体积压缩系数的物理意义：单位压力作用下单位 体积液体的体积压缩量。 • 液体种类不同，其 β 或E值不相同，对同种液体 它们随温度和压强而变化，但这种变化甚微，一 般可视为常数。 • 除一些特殊的水力现象外（如水击、水中爆炸 等），在绝大多数的实际工程中，均可把水视为 不可压缩液体。
→ →
F f = M
→
F = F X i + FY j + FZ k
F X → FY → FZ → F = i+ j+ k M M M M
→
→
→
→
→
f = X i +Y j+ Z k
→
→
→
单位质量力的单位与加速度相同，对于只有重 力作用的液体，单位质量力在各坐标轴上的分 力为：X＝Y＝0，Z＝－g。
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二. 渗透试验与达西定律
1.渗透试验
▪试验前提：层流 ▪试验装置：如图
▪试验条件: h1，A，L=const ▪量测变量: h2，V，T ▪试验结果
Δh=h1-h2
Q=V/T
Δh↑，Q↑ A↑，Q↑ L↑， Q↓
Q A h L
断面平均流速 v Q A
水力坡降 i h L
vi
2. 达西定律 渗透定律
水对土特性影响的直观理解为：土的含水量小时，土比较硬；土中适当 含水可使散粒土颗粒粘合在一起，使其具有一定的粘结强度，但当土的含水 量过大时则会变软。
当水在土中流动较快时，将引起坝基渗流、基坑渗流、塌方、泥石流及流 土、地下工程受淹等灾害。
土石坝坝基坝身渗流
防渗斜墙及铺盖
土石坝 浸润线
不透水层
透水层
第3节 流网理论简介
第4节 流土、管涌及其防治 第5节 非饱和土的湿化及其危害
第3节 流网理论简介
一、流网性质
由流线和等势线组成的网格叫流网。流线和等势线正交，所以把网格在 局部绘制成正方形是很方便的。这里，所谓的正方形，是指图所示的与 圆外切的方块形。
第3节 流网理论简介
为了了解这种正方形流网的性质，如图所示，从流网中取出三个正方 形网目A,B,C。 设A和B的内接圆直径分别是d1，d2，通过包含A，B在内的流线间的（称 为流管）流量不变，根据达西定律q=kiA，有：
设在任意时刻测压管的水位为h(变数)，水力坡降i=h/l。在dt时间内， 断面积为A的测压管水位下降了dh,则
A t2
h2 dh
k h Adt a(dh)
k
l
dt a
t1
h1
h
l
k
A l
(t2
t1)
a lg
h2 h1
a lg
h1 h2
k 2.3al lg h1 A(t2 t1) h2
3.现场抽水试验
层状地基的等效渗透系数
天然土层多呈层状
第2节 达西定律
✓确立各层的ki ✓根据渗流方向确定等效渗流 系数
等效渗透系数
第2节 达西定律
条件
已知 等效 推定
水平渗流情形
q qi;H Hi;
ii
i
h L
H1, H2 ...;k1...
q kxiH
1
kx H kiHi
垂直渗流情形
q1 q2 ... q; v1 v2 ... v;
例题2.3 某水平堆积而成的成层土的层厚自上而下分别为H1，H2，…，Hn，水 平渗透系数分别是Kx1，Kx2，…，Kxn，垂直渗透系数分别是Kz1，Kz2，…，Kzn， 如果上下面的总水头差是Δh。 （1）试求水平透水时总水平渗透系数Kx 。提示：
n
ix ixi (h hi ), qx qxi
h
qz
h n Hi
i1 kzi
qz
kziz
kz
h H
kz
H n Hi
i1 kzi
第2节 达西定律
算例说明
H1 1.0m, H2 1.0m, H3 1.0m,
k1 0.01m / day k 2 1m / day k 3 100m / day
k x
k iHi 33.67m / day H
渗流量 渗透变形
板桩围护下的基坑渗流
板桩墙
基坑
透水层 不透水层
渗水压力 渗流量 渗透变形
水井渗流
渗流量
Q
天然水面
第1节 地下水引发的工程问题
透水层
不透水层
渠道渗流
原地下水位
渗流量
渗流时地下水位
渗流滑坡
渗流滑坡
渗 流 作 用 造 成 大 坝 塌 方
第2节 地下水引发的工程问题
雨 后 出 现 的 山 体 滑 坡 事 故
i1
（2）试求垂直透水时总垂直渗透系数Kz 。提示：
n
qz qzi , h hi
i 1
第2节 达西定律
第3节 达西定律
解:
(1)水平透水时各层土的水力坡降（或水头差）相等，单位 面积上的总水平透水量等于各层透水量之和，即:
，
n
qx qxi
qx kxixH
qxi kxiixiHi
i 1
vi
v ki
A
Av
第2节 达西定律
k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数 物理意义：水力坡降i＝1时的渗流速度 单位：mm/s, cm/s, m/s, m/day
在层流状态的渗流中，渗透速度v与水力坡降i 的一次方成正比，并与土的性质有关。
注意： V：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度
第3节 流网理论简介
绘制方法
根据渗流场 的边界条件
确定边界流线 和首尾等势线
H 0
A
B s
l
△h
l
s
D
C 0
正交性 曲边正方形
初步绘制流网 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。
精度较高的流网图
第4节 流网理论简介
H
流网特点：
s l
0
1.与上下游水位变化无关 Δh=const； 2.与k无关； 3.等势线上各点测管水头h相等。
V k h At 2.5102 45 120 10 54 cm3
l
25
2.变水头渗透试验
第2节 达西定律
该试验适用于:渗透系数较小的细砂及粉砂。
如图所示，圆柱体试样断面积为A，长度为l，在试验中测压管的水位 在不断下降，测定从时间t1到t2时测压管的水位h1和h2后，渗透系数可以 按照以下的方法求出:
Q V kiA k h A
t
l
k V /t Vl Ai Aht
第3节 达西定律
例题2.1 在图2.2所示的常水头渗透试验（h=45cm，l=25cm）中，若土试样的断面积是 120cm2，渗透系数是2.5×10-2cm/sec，求10sec内土的透水量。 解: 已知 A=120cm2，k =2.5×10-2cm/sec，t =10sec， h=45cm，l=25cm 根据常水头渗透试验透水量公式，得10sec内土的透水量为:
小结
土的渗透性及渗透规律 二维渗流及流网
渗透力与渗透变形
渗流量 渗水压力 渗透变形 渗流滑坡
挡水建筑物 集水建筑物 引水结构物 基坑等地下施工 边坡渗流
土坡稳定分析
渗流：水在土体孔隙中流动的现象。 渗透性：土具有被水等液体透过的性质。 渗透力：流经土体的水流对土颗粒和土体施加的作用力。
本章内容
第1节 地下水引发的工程问题
uA w
h1 zA
0
A B
L
基准面
A点总水头：
h1
zA
uA w
B点总水头：
h2
zB
uB w
水力坡降： i h L
h1 h2 h
Δh
uB
w h2 zB
0
三者的和称为总水头，因为土中的水的流速小，速度水头项忽略不计时:
z u h
w
所以土中水流动的时候，是从位置水头 与压力水头的和，即总水头（称之为势）h 高的地方向低的地方流。常说的“水从高 处向低处流”，在这里不只是位置水头z， 还应该加上压力水头，应该理解成为水从 总水头（势）h的高处向低处流。
第2节 达西定律
野外测定方法－抽水试验和注水试验法
观察井
A=2πrh i=dh/dr
Q Aki 2rh k dh
抽水量Q
r2 r r1
dr
dr
dr
井
dh
Q 2khdh
r
Q ln r2 r1
k
(h
2 2
h12 )
地下水位≈测压管水面
h1 h
h2
k
Q
ln(r2 / r1 )
h
2 2
h12
不透水层
v vcr o
v
o i0
第2节 达西定律
v k im (m 1)
i
i
三. 渗透系数的测定 测定土的渗透系数的方法有:
第2节 达西定律
室内试验测定方法 野外试验测定方法
常水头试验法 变水头试验法 井孔抽水试验 井孔注水试验
第2节 达西定律
1.常水头渗透试验
该试验适用于渗透性大的粗颗粒土。试验装置如图所示，圆柱 体试料断面积为A，长度为l，保持水头差h不变，测定经过一 定时间t的透水量是V，渗透系数k可根据式导出如下：
k3
H3
2 不透水层 L
竖直渗流:
条件:
vi v
h hi
H Hi
等效渗透系数:
vi = ki (Δhi/Hi)
hi
vH i ki
h vH kz
vH kz
vH i ki
1 ( Hi 1 )kzH ki源自 kz H Hiki
第2节 达西定律
z k1
v
k2
k3
承压水
Δh x
H1 H2 H H3
优点：可获得现场较为可 靠的平均渗透系数
缺点：费用较高，耗时较长
4.层状地基的等效渗透系数
第2节 达西定律
水平渗流
条件:
ii
i
h L
1
qx qix
H Hi
q1x
等效渗透系数:
qx=vxH=kxiH
q2x
Σqix=ΣkiiiHi
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1
2 Δh x
z k1 k2
H1 H2 H
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kxix H kxiixiHi i 1