作出了流网之后,就可应用流网进行渗流计算。
设流网如图11.7.1所示,上下游水位差为H。流网共有n+1条等势线,每两条等势线之间的水头差为ΔH,ΔH=H/n。流网共有m+1条流线,即有m个流层,则渗流各项运动要素可求解如下。
1.单宽渗流量计算
由流网性质知相邻流线流函数值之差等于通过其间的单宽流量,即d q=dψ,取有限差值,则Δq=Δψ。根据流网特性,有Δψ=Δφ,而φ=-k H,则Δφ=Δ(-k H)=-k ΔH,所以
图11.7.2
整个渗流区的单宽流量q为各流层流量之和,当流层总数为m时,则
2.水力坡度J和渗透流速u计算
流网中任一网格内的平均水力坡度为:
式中Δs为该网格的平均流线长度,可从图中直接量出,并按流网几何比尺放大。
渗流区内各点渗透流速为:
3.渗透压强计算
堰闸等水工建筑物透水地基中的渗流是有压渗流。有压渗流对建筑物基底施加渗透压力。这是一种向上的浮托力,直接影响建筑物的稳定。
为求作用于建筑物基底的渗透总压力,必须先确定地下轮廓各点的渗透压强值。
当基准面取在下游水面时,从上游入渗面算起第i条等势线上的水头为hi,则
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式中 H——上下游水头差。
若渗流中任一点的水头为h,由
则任一点的渗透压强p为:
因为要计算的是建筑物地下轮廓上各点的渗透压强,在以下游水位为基准面时,轮廓线上各点的z均为负值,为了方便,仍以下游水位为基准面,取向下为正的铅直坐标轴为y,则y=-z。于是渗流中任一点的渗透压强可写为:
式中 γ——水的容重;
h——该点的水头;
y——从基准面向下到该点的垂直距离。
由式(11.7.6)可看出,建筑物地下轮廓上各点的渗透压强与该点的水头h和位置坐标y有关。
为求水工建筑物基底所受到的渗透总压力,可利用式(11.7.6)把各等势线和地下轮廓相交处的压强求出,并绘制地下轮廓的渗透压强水头分布图,由于渗透压强水头p/γ是由h和y两部分组成,可分别绘制地下轮廓上各点的h和y的分布图,然后叠加,如图11.7.3所示。
图11.7.3
(1)h分布图的绘制。以图11.7.3为例。各等势线与地下轮廓线的交点为1,2,…,18,将上下游水头差H 分为n等分(共有n+1条等势线),过每一等分点作一水平线;另外在等势线与地下轮廓线的交点1,2,…,18各点处作铅垂线,依次与通过H 的等分点的水平线相交于1′,2′,…,18′各点,把这些交点连成折线,即得到基底各点的h分布图。由图中可以看出,基底各点的水头由上游到下游逐渐减小,到达基底末端点18时,水头为零,即全部水头H消耗完毕。
(2)y分布图的绘制。因为下游水位以下至地下轮廓各点的距离即为基底各点的y值,所以下游水位以下至地下轮廓1 2-3… 18所围成的图形即是y分布图。设h分布图和y分布图的面积分别为Ω1和Ω2,总面积为Ω,则Ω=Ω1+Ω2,如图11.7.4所示。
作用于单位长度闸坝基底上的渗透总压力为:
渗透总压力P也称为扬压力,γΩ2称为浮托力。
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