什么是渗流?

[拼音]：shenliu

[外文]：seepage flow

液体在多孔介质中的流动。天然多孔介质包括土体和岩层等多孔性和裂隙性介质。

水利工程中有很多方面涉及渗流。例如水工建筑物的透水地基中以及与建筑物连接的岩层或土体中的绕渗及渗流、挡水土坝中的渗流、灌溉抽水或施工排水时在地层中引起的渗流等。主要研究的渗流问题是：渗流区域内的水头或地下水位的分布、渗流量的确定、渗流作用于建筑物基底上的力、渗流速度分布及其引起的土体结构变形等。

由于作为渗流通道的孔隙尺寸微小但数量众多，且表面积很大，所以渗流阻力较大，渗流流动速度较慢，因而惯性力和动能往往可以不计。

渗流的基本定律是1856年法国工程师H.-P.-G.达西由实验总结而得的达西定律，即：

v＝Q/A＝kJ (1)

或


(2)

式中v为断面平均流速；u为点流速；Q为渗透流量；A为断面面积;k为土体渗透系数，与土体及水的性质有关，由实验确定；


为水力坡度；


为测压管水头，z为位置高度，p为渗流压强，r 为水的容重。式(1)、(2)表明渗流水力坡度与流速的一次方成比例，所以达西定律又称为线性渗流定律。达西定律成立的条件是：土体骨架不变形，流态为不可压缩牛顿流体的层流渗流。

符合达西定律的各向同性均质土壤 (k为常量)中渗流的基本微分方程是：运动方程





连续性方程


。 这组方程是封闭的。此外，这种渗流属于势流。存在速度势函数 φ ＝ φ(x，y，z)＝-kH，而且φ 满足拉普拉斯方程


。通过求解上述方程可得渗流水头H及流速ux、uy、uΖ，或者势函数φ。

渗流问题的解法有:解析法(包括直接求解微分方程组、平面问题的复变函数解及一维渐变渗流的分析法)、数值法(有限差分法、有限单元法、边界元法等)、图解法(流网法)及实验法（包括砂模型及各种比拟模型──电比拟、热比拟等）。

渗流也可呈紊流流态，可用渗流雷诺数


来判别。式中v为渗流断面平均流速；d为土体颗粒的有效粒径;ν为液体运动粘性系数。达西定律适用的层流渗流的雷诺数上限值变化范围约为 1～10。大于此上限的称为非线性渗流，其水力坡度与流速的关系可一般地表示为J＝αu＋βu2。式中α、β为待定系数，由实验确定；u为渗流流速。

参考书目

雅·贝尔著，许涓铭等译；《地下水水力学》，地质出版社，北京，1985。(J.Bear，Hydraulics of Groundwater，McGraw Hill，New York，1979.)