4.4 与渗流有关的几个基本概念

下面首先介绍渗流问题中的几个基本概念。

1.渗流速度

水在饱和土体中渗流时，在垂直于渗流方向取一个土体截面，该截面称为过水截面。过水截面包括土颗粒和孔隙所占据的面积，平行渗流时为平面，弯曲渗流时为曲面。那么在时间t内渗流通过该过水截面（其面积为A）的渗流量为Q，渗流速度为

需要明确的是，渗流速度表征渗流在过水截面上的平均流速，并不代表水在土中渗流的真实流速。水在饱和土体中渗流时，其实际平均流速为

式中 n——土体的孔隙率。

2.水头和水力坡降

如图4.3所示，水在土中从A点渗透到B点应该满足连续定律和平衡方程（D.Bernoulli方程），选定基准面0-0，水在土中任意一点的水头可以表示为

图4.3 水头的概念（A、B）

式中 z——相对于任意选定的基准面的高度，代表单位液体所具有的位能，称为位置水头；

u——孔隙水压力，代表单位质量液体所具有的压力势能；

——该点孔隙水压力的水柱高，为该点的压力水头；

v——渗流速度；

——单位质量液体所具有的动能，为该点的速度水头；

h——总水头，表示该点单位质量液体所具有的总机械能；

γ _w——水的重度；

g——重力加速度。

位置水头z的大小与基准面的选取有关，因此水头的大小随着选取基准面的不同而不同。在实际计算中最关心的不是水头h的大小，而是水头差Δh的大小。如图4.4所示，水流从A点流到B点过程中的水头损失为Δh。

图4.4 水力梯度的概念

由于水在土中渗流时受到土的阻力较大，一般情况下渗流的速度很小。例如，取一个较大的水流速度v=1.5cm/s，它产生的速度水头大约为0.0012cm，这和位置水头或压力水头差几个数量级。因此，在土力学中，一般忽略速度水头对总水头和水头差的影响。那么，式（4.8）可简化为

实用上，常将位置水头与压力水头之和称为测管水头，测管水头代表在选定基准面的情况下单位质量液体所具有的总势能。

在图4.4中，水流从A点流到B点的过程中的水头损失为Δh，那么在单位流程中水头损失的多少就可以表征水在土中渗流的推动力大小，可以用水力坡降i（也称水力坡度、水头梯度）来表示，即

式中 Δh——单位质量液体从A点向B点流动时，为克服阻力而消耗的能量，称之为水头差；

L——渗流长度。