渗流的特点是什么

流体通过多孔介质的流动称为渗流。多孔介质是指由固体骨架和相互连通的孔隙、裂缝或各种类型毛细管所组成的材料。渗流力学就是研究流体在多孔介质中运动规律的科学。它是流体力学的一个重要分支，是流体力学与岩石力学、多孔介质理论、表面物理、物理化学以及生物学交叉渗透而形成的。 渗流现象普遍存在于自然界和人造材料中。如地下水、热水和盐水的渗流；石油、天然气和煤层气的渗流；动物体内的血液微循环和微细支气管的渗流；植物体内水分、气体和糖分的输送；陶瓷、砖石、砂模、填充床等人造多孔材料中气体的渗流等。 渗流力学在很多应用科学和工程技术领域有着广泛的应用。如土壤力学、地下水水文学、石油工程、地热工程、给水工程、环境工程、化工和微机械等等。此外，在国防工业中，如航空航天工业中的发汗冷却、核废料的处理以及诸如防毒面罩的研制等都涉及渗流力学问题。 渗流的特点在于：（1）多孔介质单位体积孔隙的表面积比较大，表面作用明显。任何时候都必须考虑粘性作用；（2）在地下渗流中往往压力较大，因而通常要考虑流体的压缩性；（3）孔道形状复杂、阻力大、毛管力作用较普遍，有时还要考虑分子力；（4）往往伴随有复杂的物理化学过程。 渗流力学是一门既有较长历史又年轻活跃的科学。从Darcy定律的出现已过去一个半世纪。20世纪石油工业的崛起极大地推动了渗流力学的发展。随着相关科学技术的发展，如高性能计算机的出现，核磁共振、CT扫描成像以及其它先进试验方法用于渗流，又将渗流力学大大推进了一步。近年来，随着非线性力学的发展，将分叉、混沌以及分形理论用于渗流，其它诸如格气模型的建立等等，更使渗流力学的发展进入一个全新的阶段。 渗流力学的应用范围越来越广，日益成为多种工程技术的理论基础。由于多孔介质广泛存在于自然界、工程材料和人体与动植物体内，因而就渗流力学的应用范围而言，大致可划分为地下渗流、工程渗流和生物渗流3个方面。 地下渗流是指土壤、岩石和地表堆积物中流体的渗流。它包含地下流体资源开发、地球物理渗流以及地下工程中渗流几个部分。地下流体资源包括石油、天然气、煤层气、地下水、地热、地下盐水以及二氧化碳等等。与此相关的除能源工业外还涉及农田水利、土壤改良(特别是沿海和盐湖附近地区的土壤改良)和排灌工程、地下污水处理、水库蓄水对周围地区的影响和水库诱发地震、地面沉降控制等。地球物理渗流是指流体力学和地球物理学交叉结合而出现的渗流问题。这些问题的研究进一步推动了渗流力学理论的发展。地球物理渗流包括雪层中的渗流和雪崩的形成、地表图案的形成、海底水冻层的溶化、岩浆的流动和成岩作用过程以及海洋地壳中的渗流等。 存在于人造多孔介质或工程装置中的流体渗流称为工程渗流，它涉及化学工业、冶金工业、原子能工业、机械工业、建筑工业、轻工食品等多个部门。存在于人体和动植物体内的流体渗流称为生物渗流，它包含人体和动物体内毛细血管中的血液流动与呼吸系统的气体运动，植物体内的水分糖分的流动等。 简单地说．渗流研究的意义体现在；渗流理论已经成为人类开发地下水、地热、石油、天然气、煤炭与煤层气等诸多地下资源的重要理论基础，在环境保护、地震预报、生物医疗等科学技术领域中，在防止与治理地面沉降、海水人侵，兴建大型水利水电工程、农林工程、冻土工程等工程技术中，已成为必不可少的理论。

第一章我们讲过,地下水存在于岩石和土壤的孔隙、裂隙和溶隙中,并在其中运动。赋存地下水的岩石、土壤为多孔介质或裂隙介质。地下水在多孔介质或裂隙介质中的运动称为渗透。岩石、土壤中的结合水是不参与这种运动的,毛细水的运动属于专门研究的课题。我们一般重点讨论重力水在多孔介质和裂隙介质中的运动。

岩土中或者说多孔介质中孔隙、裂隙的大小、形状与连通性等各不相同,它们是一些形状复杂、大小不一、弯弯曲曲的通道,就单个空隙而言是难以数清的。这种差异性极大地影响着地下水运动的特征,因而在不同的空隙中或同一空隙的不同部位,地下水的运动状况各不相同,这就给微观的研究带来极大的困难。所以,研究个别孔隙或裂隙中的地下水运动特征十分困难而且不切实际。

要研究地下水流动规律,我们必须引入一个假想的水流代替真实的地下水流。这种假想水流是:充满整个多孔介质(包括全部的空隙空间和岩石颗粒所占据的空间)的连续体;而且这种假想水流的阻力与实际水流在空隙中所受的阻力相同;它通过任一断面的流量应与真实水流通过同一断面的流量相等,它在某断面上的压力或水头应等于真实水流的压力或水头,这种假想水流便是我们所说的渗透水流,简称“渗流”,它所占据的空间称“渗流场”。这样渗流就可以当做连续水流来研究。

我们将垂直于地下水流向的含水层断面称为过水断面,把由空隙与固体骨架构成的含水层断面视为一个统一的连续过水断面,这是假想的过水断面,而实际上的过水断面则是空隙中的透水部分。把渗透流量平均到整个过水断面上,所得的流速便是渗透流速:

基坑降水设计

式中:V—渗透流速;

Q—渗透流量,单位时间内通过实际过水断面的水体积;

F—过水断面面积。

如果让同等渗透流量的渗透水流通过实际的过水断面(有效孔隙面积),所得到的流速即为实际流速,或叫做实际平均流速。即:

基坑降水设计

式中:V′——地下水流动的实际流速;

F′——实际过水断面面积。

因为F>F′,所以渗透流速总是小于实际流速。

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