水の分子が移動する経路を表わしたものを流線といいます。また、水頭の等しいところを連ねた線(等圧線)を等ポテンシャル線といいます。流線と等ポテンシャル線は交差することで網目のような曲線群を形成します。この曲線群を流線網といいます。まずは、流線網を表す式を導出するために、透水している土試料の微小要素を考え、このときの流入出量から式を立てていきます。
ここで、ダルシーの法則、速度ポテンシャルを上式に代入すると次の式が導けます。速度ポテンシャルについては気にしなくて大丈夫です。
このとき、Φは速度ポテンシャル [m2/s] です。
この式をラプラス方程式といい、透水層を流れる水の二次元の流れを表しています。また、上式の解は流線と等ポテンシャル線が直角で交差することを導け、流線網は下図のように描かれます。下図は透水層の中間まで矢板を打ち込んだ場合を示しています。矢板とは、土壁が崩れないように押えたり、水が入ってこないようにするための板のことです。
この流線網を用いれば、簡単に透水量を求めることができます。式にしてみましょう。
このとき、Ndは等ポテンシャルによって分割された数 [単位なし]、Nfは流線によって分割された数 [単位なし]、⊿aは分割された流線の長さ [m]、⊿bは分割された等ポテンシャル線の長さ [m] です。
流線と等ポテンシャル線によって囲まれた四角形が正方形と仮定すると、透水量の式をさらに簡単にすることができます。
流線網から間隙水圧も計算することができます。間隙水圧とは、間隙を満たす水に加わる圧力のことであり、流線網から圧力水頭を読み取り、水の単位体積重量を掛ければ求められます。
このとき、uは間隙水圧 [N/m2] です。
流線網は極めて簡単な手法なのですが、等ポテンシャル線をある程度予測する必要があるので熟練を要します。では、例題を1問解いて終わりましょう。
例題:下図における透水層の透水量を求めよ。また、a点〜i点までの間隙水圧も求めよ。ただし、透水係数k=5.0×10-3 [cm/s]、水の単位体積重量γw=9.8 [kN/m3] とする。
まずは、透水量を求めていきましょう。
次に、間隙水圧です。間隙水圧は表にまとめました。
まとめとして、流線網を用いれば透水量を簡単に求めることができます。また、流線網を描くためにはある程度の知識と経験が必要となります。