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1、8.1 渗流的基本概念【学习目标】了解多孔介质的定义，熟悉渗流形态的分类，掌握渗流与渗流模型的概念。流体在孔隙介质中的流动称为渗流，水在地表下发生在岩土孔隙中的渗流也称为地下水流动。水以气态水，附着水，薄膜水，毛细水和重力水五种形态存在于岩土中，但是，前四种水对渗流并不产生影响，它们可以认为是土壤中静态形式的水。参与地下水流动的主要是在重力作用下运动的重力水，重力水在地下水中所占比重也最大，因此地下水渗流研究的主要对象是重力水。渗流现象广泛存在于建筑地基工程、地下工程、环保工程、水利水电工程之中，因此必须对渗流规律和特点有所了解和认识。地下水渗流是一种受到多种因素影响的复杂流动现象，其流动规律
2、与岩土介质结构有关，也与水在地下的存在状态有关。8.1.1 多孔介质 地下水是储存并运动于岩土的空隙中，在地下水渗流中把这样的空隙定义为“多孔介质”。多孔介质是“带有空洞的固体”，并有如下特点：(1)多相物质所占据的一部分空间。在多相物质中至少有一相不是固体，它们可能是气相和（或）液相。固相称为骨架。在多孔介质范围内没有固体骨架的那一部分空间叫做空隙空间或孔隙空间。(2)在多孔介质所占据的范围内，固相应遍及整个多孔介质，在每个表征体之中必须存在固体颗粒。多孔介质的一个基本特点是固体骨架的表面积较大；构成空隙空间的空隙比较狭窄。(3)至少构成空隙空间的某些孔洞应当相互连通。从上述特点或定义看出，
3、含有孔隙水的松散沉积物，含有裂隙水的细小的节理、裂隙以及含有岩溶水的一些微小溶洞、溶孔等都看成多孔介质。8.1.2 渗流形态分类 由于岩土空隙形状尺度以及连通性各不相同，地下水在不同空隙中的运动状态是各不相同的。地下水在多孔介质中的运动状态根据无量纲的雷诺数（见 8.2.2）区分为层流与紊流。层流是指地下水在运动过程中流线呈规则的层状流动，而紊流是指流线无规则的运动。地下水在绝大多数情况下，实际流动的流态多为层流流态，只有在卵石层的大孔隙、宽大裂隙、溶洞以及抽水井附近当水力梯度很陡时，才出现紊流的流态。渗流的运动要素（如水头、渗透速度、水力梯度、渗透流量等）总是随着时间和空间发生变化。运动要素
4、的这些变化使渗流总是表现出各种各样的形态。按运动要素是否随时间发生变化，渗流可分为稳定流和非稳定流。要描述稳定流动，只需了解运动要素在空间的分布即可，而对于非稳定流动，则需了解运动要素在时间和空间上的变化。根据流动方向不同，渗流可分为一维流（单向流）、二维流（平面流）和三维流（空间流）。单向流是指渗流只沿一个方向运动，如等厚的承压含水层中的地下水运动。平面流是指平行一个垂直平面或水平平面运动。空间流是指渗流方向不与任意直线或平面平行，这是渗流中最复杂的形式。无论是哪一种运动形式，都有可能是稳态流和非稳态流。8.1.3 渗流模型 流体在多孔介质中流动，其流动路径相当复杂，如图 8-1(a)所示。
5、无论理论分析或实验手段都很难确定在某一具体位置的真实运动速度，从工程应用的角度来说也没有这样的必要。对于解决实际工程问题，最重要的是要知道在某一范围内渗流的平均效果，因此提出了渗流模型的概念。所谓渗流模型是指边界形状与边界条件保持不变的条件下，假设多孔介质都被渗透水流所占有，用一种充满多孔介质的假想水流代替仅仅在多孔介质中的空隙存在的真实水流，如图 8-1(b)所示。其实质在于把实际上并不充满全部空间的流体运动看作是连续空间内的连续介质运动。这样可以把流体力学中的一些概念与方法应用到地下水运动中来，如均匀流与非均匀流、恒定流与非恒定流等概念可以适用于渗流。而用模型渗流取代真实的渗流必须满足以下条件：(1)对于同一过水断面，模型的渗流量等于真实渗流量。(2)作用于模型的某一作用面的渗流压力等于真实的渗流压力。(3)模型中两端的水头损失与真实渗流中两端的水头损失相等。图 8-1 实际渗流与渗流模型示意图