水力学渗流研究论文题目

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工程建设标准是从事各类工程建设活动的技术依据和准则，是政府主管部门运用技术手段实现对工程建设产品质量控制，推动科技进步和提高建设水平的重要途径。本文针对建筑给排水设计人员在使用标准过程中存在的问题，以及现行国家工程建设标准体系存在的问题展开以下研究：一、对现行标准的定义、特性以及标准之间的层级、逻辑关系进行研究，根据全国标准体系和工程建设标准体系，对建筑给排水技术内涵进行分析，并对建筑给排水设计标准进行整理和划分层次，编制了建筑给排水设计标准体系结构图和标准体系明细表，在此基础上对整个给排水专业的标准进行整理和系统划分，编制了相应的标准体系结构图和标准体系明细表。二、对建筑工程设计文件的设计依据（标准部分）的编制提出一个思路，包括标准的选取和标准的排序，对标准的排序提出“重要程度判别方法”，列举了不同类型工程实例的设计依据的编制，最后总结了公共建筑和住宅设计依据通用版本。三、对我国标准的制定和审查过程进行概述。对现行工程建设标准体系的现状和存在的问题进行分析，并对标准体系的发展方向提出建议；提出建筑给排水设计标准体系在应用中存在的问题并提出相关的优化建议。最后对国际标准化过程中面临的两个问题：专利与标准的问题、标准国际化和技术贸易壁垒的问题进行了分析和探讨。

揭秘水无限循环动能原理

（1）Darcy实验（稳定流）

法国水力工程师Henry Darcy（亨利·达西）在装有均质砂土滤料的圆柱形筒中做了大量的渗流实验（图1-2-1），于1856年得到渗流基本定律，后人称之为Darcy定律，其形式为

地下水动力学（第五版）

图1-2-1 Darcy实验装置

式中：Q为渗透流量；A为渗流断面面积；H1、H2为1和2断面上的测压水头值；L为1和2两断面间的距离；J为水力坡度。圆筒中渗流属于均匀介质一维流动，渗流段内各点的水力坡度均相等；K为比例系数，称为砂土的渗透系数（也称水力传导系数）。Darcy定律的另一表达形式为

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式中：v为渗流速度，又称Darcy速度，量纲为［LT-1］。渗流速度与水力坡度成正比，所以称它为线性渗透定律，说明此时地下水的流动状态为层流。

若将Darcy定律用于二维或三维的地下水运动，则水力坡度不是常量，沿流向可以变大也可以变小（在节中详述），它应该用微分形式表示，即

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式中： 是沿流线任意点的水力坡度。在直角坐标系中可表示为

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（2）不稳定Darcy实验

Darcy实验是在定水头稳定流条件下进行的，那么在变水头条件下的不稳定渗流是否同样满足线性渗流定律呢？我们曾利用变水头渗流实验装置（图1-2-2），验证了Darcy线性定律同样适用于不稳定渗流（林敏，1982）。

根据Darcy定律，有

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式中：H（t）是随时间变化的水头差；l为砂柱的长度；A为砂柱的横断面积；Q（t）是随时间变化的流量。

在dt时段内，通过砂柱断面的水体积为

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按水均衡原理，通过砂柱断面的水体积为

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式中的负号表示随着通过砂柱断面水体积（V）的增加，水头（H）值在减小。由（1-2-6）式和（1-2-7）式得到

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则

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积分

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得

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则

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图1-2-2 不稳定Darcy实验装置（据林敏，1982）

图1-2-3 变水头渗流实验数据的t-lg H图（据林敏，1982）

由（1-2-8）式说明，如果不稳定渗流服从Darcy定律，则观测数据（t，H）在t-lg H坐标系中呈线性关系；否则呈非线性关系。反之，我们可根据实验曲线t-lg H的形态来判断渗流是否服从Darcy线性定律。图1-2-3表示遵循Darcy定律的一次实验数据。显然我们也可以通过不稳定渗流实验利用（1-2-8）式求得砂样的渗透系数值。

（3）渗透系数（水力传导系数）

由Darcy定律v＝KJ可知，渗透系数K是v与J间的比例常数，但我们必须了解它的物理意义。

渗透系数是一个极其重要的水文地质参数。它反映岩层的透水性能，是地下水计算中一个不可缺少的指标。那么渗透系数的大小取决于哪些因素呢？

我们做一个试验：在同样大小的水头差作用下，用油和水分别去渗透同一块土，尽管它们的水力坡度相等，然而，由于油的粘滞性大和容重小，使得两者的渗透流速不相等，即v油

下面通过两个简单的理想模型，来帮助我们从本质上理解渗透系数的概念（陈崇希，1966）。

水力学中曾得到：在层流条件下，圆管中过水断面的平均流速为

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式中：d为圆管的内直径；μ为液体的动力粘滞系数，μ＝ρν，ρ为液体的密度，ν为液体的运动粘滞系数；γ为液体的容重。

若把孔隙岩层的透水介质理想化，看成由一系列细小的圆管组成而保证其孔隙率不变（图1-2-4），则沿圆管方向的渗透流速为

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地下水在裂隙岩层中的运动，可以利用两平行板间液体的运动来对比。两平行板间的宽度可视为理想化的裂隙岩层的裂隙宽度。当液体做层流运动时，其平均流速为

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式中：B为两平行板的宽度。

图1-2-4 孔隙介质透水性理想模型（据陈崇希，1966）

图1-2-5 裂隙介质透水性理想模型（据陈崇希，1966）

若将一裂隙组想象成由一组等宽、平直的裂隙所组成（图1-2-5），则沿裂隙面方向的渗透流速为

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将（1-2-10）式和（1-2-12）式与线性渗透定律v＝KJ进行比较，得出下列结论（陈崇希，1966）：

1）上述（1-2-10）式和（1-2-12）式中，渗透流速和水力坡度都成正比关系。说明它们和Darcy定律的条件相同，都属于层流状态。

2）渗透系数K在孔隙岩层中有

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在裂隙岩层中有

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两式右端前面的因子表示透水岩层的空隙性，后面的因子表示液体的物理性质。从而进一步证明了这样一个结论：渗透系数的大小不仅取决于岩石的空隙性，而且与渗透液体的物理性质有关。

若以k表示纯粹由岩石空隙性所决定的渗透性能，则

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式中：k称为渗透率（也称渗透度）， 。它是不随液体的物理性质而变化的。显然，k的数值决定于空隙的大小（d、B）和空隙率（n），这是对上述理想化了的空隙介质而言。对实际的介质，k还与空隙形状、空隙的曲折性、连通性等有关。从上式可以看出：空隙的大小（d，B）对k起主要作用（因为它们是平方关系），而空隙率起次要作用。实际资料表明：粘土的孔隙率一般为50％～60％，但它的渗透率仅是粗砂土（孔隙率约为30％～40％）的～。这充分说明了上述结论的正确性。当然，这里还存在结合水几乎不参与流动的问题。

3）液体的物理性质对渗透系数的大小有直接的影响。它与γ成正比，与动力粘滞系数μ成反比。可以想象，若γ＝0（例如在失重的人造卫星上），即使有水头差，液体也不会运动；在其他条件相同的情况下，γ愈大则愈易流动。但若液体粘滞性愈大，则愈不易流动，例如油不如水容易流动。对于地下水来讲，γ和μ决定于水的矿化度、水温和压力等因素，其中温度对粘滞性μ的影响较大。例如：

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1泊＝·s。

由此可知，水温差10℃，K值差30％～40％。因此，在地下水温度变化较大的地区工作时，要十分重视液体的物理性质对渗透系数的影响。水文地质工作者在矿化度和地下水温差别不大的地区工作时，经常忽略水的物理性质对岩层透水性的影响，而用渗透系数K这个综合性参数来表征岩层的透水性能。

（4）线性定律的适用条件

许多研究者做了大量的实验，证实了线性定律有一定的适用范围。把在多孔介质中的地下水流按渗透流速由低到高划分为3种情况（表1-2-1）。

表1-2-1 Darcy定律适用范围

（据Bear，1972）

实验证明，仅当Re<10的条件下，通过多孔介质的流体做层流运动，渗流才满足Dar-cy定律，即渗透流速v和水力坡度J呈线性关系；当Re>10时，渗透流速和水力坡度呈曲线关系，Darcy定律不再适用（图1-2-6）。

由于不同流动状态下的地下水遵循不同的流动规律，所以确定渗流场内流动状态是属于层流还是紊流就显得十分重要。通常采用临界速度vc或临界雷诺数Re来判定。下边介绍两个常用的判别式。

对于孔隙岩层，应用前苏联学者.Πавловский（巴甫洛夫斯基）给出的公式：

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图1-2-6 渗流速度和水力坡度的实验关系曲线（据Bear，1972）

式中：νc为临界渗透流速；Re为临界雷诺数，对于同类结构的岩层，其值相同，一般取7～9；n为岩层空隙率；ν为液体运动粘滞系数；d0为土的有效直径 。

当vvc时，地下水呈紊流状态。实际资料说明，自然界孔隙岩层中的地下水运动基本上属于层流状态。我们以砾石层为例进行计算，若n＝，ν＝（当水温为10℃时），Re＝8，d0＝，则其临界速度为

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而自然界砾石层的渗透系数通常为500～1000m/d，即使水力坡度取1/100，据此计算的渗透流速也只为5～10m/d，远远小于上述临界速度。由此可得结论：在自然条件下，孔隙岩层中的地下水运动一般属于层流状态。

对于裂隙岩层，前苏联学者ЛомизеГ.М.（罗米捷，1951）在裂隙模型中做了大量实验，得到判别裂隙岩层流动状态的临界水力坡度Jc、裂隙宽度及裂隙相对粗糙度间关系的经验公式为

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式中：δ为裂隙宽度（图1-2-7），cm；α为裂隙相对粗糙度 ，e为裂隙绝对粗糙度，cm。

根据Ломизе经验公式，取不同的裂隙宽度δ和相对粗糙度α，计算得到的临界水力坡Jc列于表1-2-2。

表1-2-2 不同裂隙宽度δ和相对粗糙度α计算得到的临界水力坡度Jc （单位：cm）

（据陈崇希，1966）

自然界的裂隙岩层从整体裂隙系统来看，通常裂隙宽度在1～2mm以下，从表中查得临界水力坡度为14％～250％。显然，天然条件下的地下水水力坡度难以达到该数值。所以，可以认为裂隙含水介质中一般情况下的地下水运动也是呈层流状态。仅仅在宽裂隙和溶洞发育地区可以形成局部的紊流地段。

有些学者还研究了Darcy定律的下限问题。他们通过实验发现，某些粘性土存在起始水力坡度J0。实际水力坡度JJ0时，渗流才服从Darcy定律。