水工渗流模型实验指导书讲解
电拟渗流实验指导书
水工渗流教学实验指导书武汉大学水利水电学院二零零六年四月第一部分 导电液模型实验电拟渗流实验的基本原理由欧姆定律可知，电场中电流密度向量i 在空间坐标轴上的三个投影为：x U i x ∂∂-=ρ1，y U i y ∂∂-=ρ1，zUi z ∂∂-=ρ1。
① 式中：ρ1为电场中导电介质的导电系数，ρ为电阻系数；U 为电位，在电场中是x 、y 、z坐标的函数，由克希霍夫第一定律，电流的连续方程为：0=∂∂+∂∂+∂∂zi y i x i zy x 。
② 如果导电介质的导电系数ρ1为常数，将①式代入②式，便得到电流场中的拉普拉斯方程如下：0222222=∂∂+∂∂+∂∂z Uy U x U 。
③ 从恒定渗流场的运动方程出发，表示恒定渗流速度向量u 的达西定律为：zHku yHku xHku z y x ∂∂-=∂∂-=∂∂-=,,。
④ 式中：H 为水头；k 为渗透系数。
将④式代入恒定不可压缩流体的连续微分方程式：0=∂∂+∂∂+∂∂zu y u x u zy x 。
⑤ 则得到水头函数的拉普拉斯方程式：0222222=∂∂+∂∂+∂∂zHy H x H 。
⑥ 比较③式和⑥式可知，电流场中的电位U 和渗流场中的水头H 一样，都满足拉普拉斯方程。
如果导电材料做成的电模型与渗流区域作到几何相似、边界条件相似、导电系数与渗透系数相似，则由表一可知，通过在电场中量测电位线，即可得到渗流场中的等水头线。
对于几何相似，一般可通过正态模型来实现；关于电导系数与渗透系数相似，对均质各向同性土，可用电导系数为常数的导电体来模拟；关于边界条件相似，由于透水边界为一等水头线，在模型电场中应做成等电位边界，并且对上下游透水边界的水头差，在相应的电位边界中也保持一定的电位差。
对不透水边界，在模型电场中应做成不导电的绝缘边界。
图一（b ）即为根据二向平面问题渗流场的几何形状制造成的模型和所测得的等势线。
表一、渗流与电模拟参数对照表图一、二向平面问题渗流等势线。
渗流试验作业指导说明书
1根据原则《孔隙水压力测试规程》CECS55∶93《混凝土坝安全监测技术规范》DL/T 5178-《土石坝安全监测技术规范》SL 60-94《土工实验仪器岩土工程仪器振弦式传感器通用技术条件》GBT13606-2范畴本作业指引书合用于扬压力、渗入压力、孔隙水压力、地下水水位、渗流量检测。
3职责3.1水工构造所是本作业指引书负责部门，所室负责人负责实验工作整体安排。
3.2中心站主任或授权签字人批准实验报告。
3.3审核人审核实验资料。
3.4校核人校核实验报告。
3.5实验人主持完毕实验工作，编制实验报告；确认仪器设备检查校准及保养结论。
4仪器设备4.1 JTM-V3000F型振弦式孔隙水压力计4.2 JTM-V3000C型渗压计4.3 JTM-900型钢尺水位计4.4量水堰(现场建造)4.5 JTM-V10A型频率式读数仪5检测办法5.1扬压力、渗入压力、孔隙水压力检测办法5.1.1埋设与安装5.1.1.1开箱验收JTM-V3000F型振弦式孔隙水压力计、JTM-V3000C 型渗压计、JTM-V10A型频率式读数仪，检查仪器数量与装箱清单与否相符。
5.1.1.2按照设计施工规定采用专用电缆将仪器电缆接长，同步做好仪器编号和检查工作。
5.1.1.3安装埋设前孔隙水压力计计端部透水部件必要驱除空气。
详细操作办法是：先将透水部件从渗压计主体上卸下，然后将透水部件放入水中浸泡2小时以上，排除透水石中气泡，使其充分饱和。
最后将渗压计主体和透水部件浸没在水中重新装配起来。
排除透水石中气泡最佳做法是：先将透水部件放入沸水中煮透，然后将用于煮透水部件少量热水连同透水部件一同倒入盛有冷水和渗压计主体容器内组装。
5.1.1.4在坝内埋设时，当坝面填筑高程超过测点埋设高程约0.3米时，在测点挖坑坑深约0.4米，采用砂包裹体办法，将渗压计在坑内就地埋设。
砂包裹体由中粗砂构成，并以水饱和。
然后采用薄层辅料、专门压实办法，回填原开挖料。
中国石油大学 水电模拟渗流实验讲义
1 - 电解槽 2 - 铜丝（模拟井） 3 - 供给边界
3、计算原理 圆形恒压边界中心一口直井（完善井）稳定生产时产量计算公式： (3-17)
地层中任一点压力分布公式： (3-18)
由相似原理可知，模拟模型中电压与电流同样满足上述关系式： 完善“井”“产量”公式：
通过导体的电流遵守欧姆定律： (3-2)
式中，为电导率，是电阻率的倒数，西门子/cm；U—电压，伏；-电流 密度，安培/cm2；I-电流，安培，S-导体截面积，cm2。
均质地层不可压缩流体通过多孔介质稳定渗流连续性方程： (3-3)
均匀导体中电压分布方程： (3-4)
对比方程上述方程可以看出：电场与渗流场可用相同的微分方程进 行描述，因此，不可压缩流体的稳定渗流问题可用稳定电场进行模拟。 于是可以用电位分布来描述渗流场的压力分布，用电流来描述流量或流 速，电阻描述渗流阻力。
由模拟条件下任意半径处的电位值U，可求得实际地层中任意半径r
出的压力P，即可求得地层中的压力分布：
压力：； 对应半径：
(3-22)
式(3-18)的压力及半径均用式（3-22）处理，可求得实际地层中任
意点的压力分布。
4、实验步骤
（1）首先确定模拟油藏的参数的大小：渗透率k、供给半径re、井 半径rw、油层厚度h、流体粘度、生产压差（Pe-Pw），计算油井产量 Q；确定模拟系统的有关参数的大小：模拟油藏供给半径rem、最大电流 I、最大电压。
（2）计算相似系数：，，，计算，， （3）由，计算溶液的电导率，溶液厚度，具体方法见示例。 （2）根据电导率值，从溶液浓度与电导率关系曲线（图3-2）中查 出与蒸馏水配制比例，然后进行配制。 （3）配制完毕，测定溶液实际电导率值，计算相似系数。 （4）将调压器旋钮旋至“0”位置，按图3-7所示连接好电路。 （5）打开电源，顺时针旋转变压器旋钮，将电源电压调到所需值 （注意：不要高于36伏）。 （6）顺时针慢慢旋动调压器的旋钮，使电压值从低到高变化（最
水力学-渗流可编辑全文
2.3lg
a0 H 2 a0
浸润曲线：
y
x
L L m2hk
H12 hk 2
hk 2
15.7 渗流场的基本微分方程式及 其解法简介
为了解渗流的区内各点的渗流流速和动 水压强，进行渗流场的求解
渗流场的连续性方程：
ux uy ux 0 x y z
运动方程：
ux
k
H x
uy
k
渗流的类型： 恒定渗流和非恒定渗流 均匀渗流及非均匀渗流 渐变渗流及急变渗流 有压渗流和无压渗流
15.2 渗流的基本定律—达西定律
达西定律：均质孔隙 介质中渗流流速与水 力坡度的一次方成比 例并与土的性质有关
v Q kJ A
或 v k dH
ds
适用条件：
适用于层流渗流，水利工程中绝大多 数 渗流属于层流范围
CH15 渗流
渗流常出现在：经过挡水建筑物中、水 工建筑物地基中、集水建筑物中、水库 及河道
本章研究渗流的流速、压强分布、渗流 的流量、渗流的水面线等
15.1 渗流的基本概念
渗流是水在土中的存在形式：汽态水、 吸着水、薄膜水、毛细水、重力水
假定：渗流是在均质各向同性土中的
渗流模型—认为渗流是充满了整个孔隙 介质区域的连续水流 模型取代真实渗流的原则： 1、流量相等 2、确定作用面动水压强相等 3、阻力相等即水头损失相等
渗流的临界雷诺数为：
Re
1
vd
0.75n 0.23
非层流渗流，其流动规律为：
v kJ 1m
渗透系数 k 的确定
主要取决于颗粒形状、大小、不均匀系 数及水温
经验法、室内测定法、野外测定法
15.3 地下河槽中恒定均匀渗流和 非均匀渐变渗流
流体力学—渗流讲解
积分
Q
R dr 2 k
H
zdz
得
r r0
h
Q
k
H 2 h2 ln R
2
kHS ln R
1
S 2H
r0
r0
令S H h
上式即为完全潜水井的产水量计算公式。
§9-3 集水廊道和井
式中R为井的影响半径，近似计算时，可按
R 3000 S k
估算，这里S=H-h为水位最大降深。
根据上述浸润曲线变化的规律分析，壅水曲线和降水 曲线如图所示
将顺坡渗流浸润曲线的微分方程改写为
i ds d d
h0
1
§9-2 地下水的均匀流 和非均匀流
对上式从断面1-1到断面2-2（见下图）进行积分， 可得顺坡渗流的浸润曲线方程
il h0
2
1
ln
2 1
1 1
1区的浸润线为水深沿程增加的壅水曲线，即dh/ds>0； 2区的浸润线为水深沿程减小的降水曲线，即dh/ds<0。
3. 界限情况分析 浸润线在上游与正常水深线N-N渐近相切； 1区的浸润线在向下游无限加深时，渐趋于水平直 线； 2区的浸润线在向下游无限减小时，其浸润线的切线 与底坡线正交。
§9-2 地下水的均匀流 和非均匀流
通过渗流模型的流量必须和实际渗流的流量相等，即
Q模型 Q实际
§9-1 渗流基本定律
对某一确定的作用面，从渗流模型所得出的动水压力， 应当与真实渗流的动水压力相等，即
FP模型 FP实际
渗流模型的阻力和实际渗流应当相等，也就是说水头 损失应当相等，即
hw模型 hw实际
水工渗流模型实验指导书讲解
水工建筑渗流实验指导书及报告（水工13级）班级：_____________学号：_____________姓名：_____________三峡大学水利与环境学院2016年5月土坝渗流缝隙槽模型实验（1）土坝渗流缝隙槽模型实验是利用粘性液体在模型的坝断面与平板间狭窄缝中流动，能很好显示出层流运动特性，来模拟土坝中渗流。
一、实验目的1 •通过实验，找出土坝浸润线的位置坐标，并与理论计算成果相比较；2.观察水位变化时，浸润线位置的变化情况；3•观察流动的流线状态及其特性，并对层流运动得到进一步的感性认识。
二、实验原理粘性液体在狭窄缝隙中流动时，形成层流，且符合达西定律，用此来模拟土基中的渗流，粘性流在缝隙中流动的平均流速为dhds式中：Km—缝隙槽的透水系数，决定于缝隙宽度和粘滞性的常数,K m 二ga2/3Va ――缝隙的半宽；V——液体的运动粘滞系数；g ---- 重力加速度；dh――沿流动方向ds距离上的水头损失。
三、实验步骤实验设备及装置由实验课中讲述。
实验步骤如下：1 •每人准备一张方格纸，大小为75cmx 25cm；2 •熟悉实验设备，并做好实验前的分工准备工作；3•用方格纸按比例绘制好与模型相似的土坝模型图，见附图；4•打开电源开关，调节进库液体流量，向缝隙模型槽内充液到固定液位，使上游保持溢流状态，下游也开始溢流时，即形成了稳定的水面；5 •将有染色液体的细金属管分别放在坝面的液面高程和其他任一高程上，即可观察出流动的浸润线和流线，此时可将浸润线的坐标记录下来（在正面的有机玻璃板上有方格，计数方格确定坐标）。
四、附图均质坝（模型尺寸）单位：厘米原模比：1: 100五、思考并回答下列问题1 •为什么上、下游液位要保持始终有溢流?答：2 •流线具有哪些特点，它分布的疏密程度说明了什么?答：3 •在试验中浸润线和流线与上游边坡线交角是否相同？为什么? 答：六、土坝渗流缝隙槽实验成果记录、分析表实验日期：实验坝型：绘出所观察到浸润线和流线，并绘出流网图。
水工结构模型实验指导书
水工结构模型实验指导书水工结构静力模型实验指导书２００５年６月２０日水工结构静力模型实验指导书一、课程性质和目的：（1）水工结构模型试验所谓水工结构模型试验就是将原型以某一比例关系缩小成模型，然后向该模型施加与原型相关的荷载，根据从模型上获得的信息如应变位移等，通过一定的相似关系推出原型建筑物在应力、变形强度等成果。
（2）进行水工结构模型试验的目的和意义水工建筑物因其受力特征、几何形状、边界条件等均较复杂，特别是修建在复杂地基上建筑物更为如此，尽管计算机技术和空间有限元等正迅速发展，但目前还不能用理论分析方法完美地解决建筑物的稳定和应力问题，因此模型试验作为一种研究手段更具有重要的意义，可归纳成如几个方面：1．通过对水工建筑物的模型试验研究可以验证理论设计，国内外大型和重要的水工建筑物的设计，都同时要求进行计算分析和试验分析，以期达到互相验证的目的。
2．通过对原型结构的模拟试验，预测水工建筑物完建后的运行情况以及抵御事故的能力。
3．由于物理模型是对实际结构性态的模拟，在模型上还有可能出现原先未知而又实际存在的某些现象，因此模型试验研究不仅仅是对数理分析方法的验证，而且是获得更丰富切合实际的资料的积极探索，所以进行水工结构模型试验目的也是更好地探索新理论、新材料、新技术、新工艺的一种手段。
（3）结构模型试验研究的主要内容：a. 大型水工建筑物的整体应力及变形问题。
b. 结构物之间的联合作用问题。
c. 地下结构的应力与稳定问题。
d. 大坝安全度及破坏机理问题。
e. 水工结构的动力特性问题。
f. 验证新理论、新方法、新材料、新工艺等。
（4）模型试验的分类方法①按建筑物的模拟范围和受力状态分类a. 整体结构模型试验：研究整体建筑物在空间力系作用下的强度或稳定问题。
b. 平面结构模型试验：研究结构单位长度断面在平面力系作用下的强度和稳定问题，如重力坝坝段平面结构模型试验就是研究重力坝在水荷载作用下的应力和变形。
水电模拟渗流实验PPT课件
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感谢观看！
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五、数据处理
（1）电解质溶液配制计算 （2）计算相似系数 （3）产量与压差关系 举例说明压力、实际产量和理论产量、误差的计算过程， 并将数据填在表1中，绘制产量与压差的实际和理论关系曲 线。 （4）压降漏斗数据处理与曲线绘制 举例说明实际半径、实测压差和理论压差计算过程，并将 数据填在表2中，绘制实测与理论压降漏斗曲线。
分布。
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三、实验流程
圆形恒压边界中心 一口直井电路图
1 - 电解槽 2 - 铜丝（模 拟井） 3 - 供给边界
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测电压法测定压 降曲线电路图
1－电解槽 2－铜丝 （模拟井） 3－供给边
界
三、实验流程
油藏系统
铜带
NaCl溶液
测量系统
可变电阻R1
+—
—
可变电阻R2
变压器
水电模拟 （平面径向稳定渗流）实验装置
ln rem
Rm
(3)
rwm
改变电压 值，并测得相应的电流值I。由此可得到 -I关系曲线（理论上
应为直线）。
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二、实验原理
任一点电压分布公式：
U
U wm
U ln rem
ln rm rwm
Am Bm ln rm
rwm
(4)
固定U 值,测得不同 rm处的电位值U，由此可得“压降”漏斗曲线。
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五、数据处理
实验仪器编号：
模型参数：rem = 地层参数：re =
序号
1
水槽尺寸：
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水工建筑渗流实验指导书及报告
（水工13级）
班级：
学号：
姓名：
三峡大学水利与环境学院
2016年5月
土坝渗流缝隙槽模型实验（1）
土坝渗流缝隙槽模型实验是利用粘性液体在模型的坝断面与平板间狭窄缝中流动，能很好显示出层流运动特性，来模拟土坝中渗流。
一、实验目的
1．通过实验，找出土坝浸润线的位置坐标，并与理论计算成果相比较； 2．观察水位变化时，浸润线位置的变化情况；
3．观察流动的流线状态及其特性，并对层流运动得到进一步的感性认识。
二、实验原理
粘性液体在狭窄缝隙中流动时，形成层流，且符合达西定律，用此来模拟土基中的渗流，粘性流在缝隙中流动的平均流速为
ds
dh K V m
m -=
式中：m K —缝隙槽的透水系数，决定于缝隙宽度和粘滞性的常数，
V ga K m 3/2=
a ——缝隙的半宽；
V ——液体的运动粘滞系数； g ——重力加速度；
dh ——沿流动方向ds 距离上的水头损失。
三、实验步骤
实验设备及装置由实验课中讲述。
实验步骤如下： 1．每人准备一张方格纸，大小为75cm ×25cm ； 2．熟悉实验设备，并做好实验前的分工准备工作；
3．用方格纸按比例绘制好与模型相似的土坝模型图，见附图；
4．打开电源开关，调节进库液体流量，向缝隙模型槽内充液到固定液位，使上游保持溢流状态，下游也开始溢流时，即形成了稳定的水面；
5．将有染色液体的细金属管分别放在坝面的液面高程和其他任一高程上，即可观察出流动的浸润线和流线，此时可将浸润线的坐标记录下来（在正面的有机玻璃板上有方格，计数方格确定坐标）。
四、附图
均质坝（模型尺寸）单位：厘米原模比：1：100
五、思考并回答下列问题
1．为什么上、下游液位要保持始终有溢流？
答：
2．流线具有哪些特点，它分布的疏密程度说明了什么？
答：
3．在试验中浸润线和流线与上游边坡线交角是否相同？为什么？答：
六、土坝渗流缝隙槽实验成果记录、分析表
实验日期：
实验坝型：
绘出所观察到浸润线和流线，并绘出流网图。
上游水位H上下游水位H下
等势线总数n= 水头差ΔH 等势线间隔数n-1
浸润线坐标表
七、土坝流网图贴在此处
水闸缝隙槽渗流实验（2）
一、实验目的
1．进一步认识闸基渗流的特性；
2．进一步理解流网的特性，掌握绘制流网的方法。
二、实验原理
同土坝。
三、实验步骤
1．做好实验前的准备：每人自备方格纸一张（75cm×25cm）按分组所指定的方案将闸基模型（见附图）按比例绘于方格纸上（不必注尺寸）；
2．将染色甘油分别吸入金属管中，待测流线时用；
3．打开电源开关，调节进库液体流量，向模型槽内充液到固定液位，直到上下游所要求的液位；
4．将有染色液体的细金属管插入上游河底不同位置，数分钟后，即可形成流线；
5．观察流线的液态，并将流线描绘或记录在自备的闸基模型图上。
6．计算和绘制作用在水闸底板上的渗流压强分布图。
四、附图
水闸实验尺寸图（尺寸单位：厘米模型比例尺1：100）
实验方案为：板桩设于闸底板的上游端；
五、实验要求
绘出你所做实验方案的流网图。
六、思考并回答下列问题
1．流线和等势线的第一根和最后一根分别是指的哪些部分？
答：
2．绘制流网图时，通常使每一方格的流量和水头损失相等，那么每一方格的水力坡降是否相等？为什么？
答：
3．流网的图形与上、下游水位差大小和渗透系数是否有关？应如何解释？
答：
七、水闸缝隙槽渗流实验成果记录、分析表
上游水位H上下游水位H下
等势线总数n= 水头差ΔH 等势线间隔数n-1 作用在闸基底板上的渗流压强计算表(水的重度取9.81 kN/m3)
八、闸基底板上渗透压强分布图
九、流网图贴在此处。