1.2 流体介质的物理性质
流体介质是指分布在岩土体孔隙或裂隙中的可流动、扩展的液相或气相介质，包括孔隙水、裂隙水、石油、天然气以及煤层中的瓦斯等。对土木工程和水电工程中的岩土体渗流而言，流体介质一般是水或空气，或者水和空气的混合物。
从力学分析的意义来讲，流体与固体的最主要差别在于它们对外力的抵抗力不同。固体在受到外力的情况下，将产生相应的变形来平衡外力。而流体在受到外力作用的时候，也可以产生变形来抵抗外力，但其最大特点是不能承受拉力，同时处于静止状态的流体也不能承受剪切力。当流体在很小的剪切力作用下，它可产生连续不断的变形，也就是流动，直到剪切力消失。流体的这种性质称为可流动性。
1.2.1 密度和重度
流体和固体一样，密度是其最基本的物理指标之一。一般情况下，作为连续介质的流体，其密度往往在渗流分析中被看做是一个固定不变的量，实际上，在多孔介质中做渗流运动的流体，其密度在空间分布上的变化是比较大的。空间上任意一点P的密度可以表示为
式中:ρf为流体的密度;ΔV为流体元的体积;ΔV*为流体特征体元;Δm为流体元体积内的质量。
如果流体是连续的，则对于任意相邻的两点P1和P2，有
4℃的蒸馏水密度为1000kg/m3。
重度是工程上表征流体的物理性质的另外一个物理量，它指的是单位体积的流体的重量，与密度之间的关系为
式中:γf为流体的重度;g为重力加速度。
1.2.2 黏滞性
流体在运动状态下具有一定程度的抵抗剪切变形的能力，这种性质称黏滞性。黏滞性的大小，一般采用黏滞系数μ来度量，其单位是Pa·s或N·s/m2。
当液体之间存在相对运动时，液体之间会产生一种摩擦力阻碍液体的相对运动，这种力叫黏滞力（内摩擦力）。它随相对运动的产生而产生，消失而消失。
黏滞力的大小可以用牛顿内摩擦定律来加以描述，见图1.1。
图1.1 流速分布图
设F为流体内的剪切力，u为流体运动速度，如果流体满足下述假定：
（1）F与du/dy成正比。
（2）F与液体的接触面积成正比。
（3）F与液体的性质有关。
（4）F与接触面上的法向应力无关。
则有F=μAdu/dy，其中μ是流体的动力黏滞系数，A是面积。于是流体内单位面积上的内摩擦力（或称剪应力）可以表示为
当μ为常量时，流体称为牛顿流体；当μ是变量时，称为非牛顿流体。式（1.4）就是孔隙流体在层流状态下著名的流体牛顿内摩擦定律。
流体黏滞系数有以下性质：①μ的大小表示液体黏性的强弱。②不同的液体μ不同。③温度是影响μ的主要因素。④运动黏滞系数为流体的黏滞系数与流体的密度之比，
运动黏滞系数的单位为m2/s。
1.2.3 压缩性
流体中的压强增高时，流体分子间的距离减小，流体宏观体积减小，这种性质称为压缩性。流体温度升高或压力降低时，流体宏观体积增大，为膨胀性。流体不能承担拉力，一般不用弹性而用压缩性来表示其在外力作用下的变形能力。
设压缩前体积为V，压强增加ΔP后，体积减小ΔV，体应变为
，则流体压缩系数定义为
式中：β为体积压缩系数，m2/N。
式中：K为体积弹性系数，N/m2。
对于水而言，体积弹性系数K=2.1×109Pa，如ΔP为一个大气压时，ΔV/V=1/20000，因此，在ΔP不大的条件下，水的压缩性可以忽略；当ΔP较大情况下，水的压缩性则不可忽略。
1.2.4 表面张力
流体不能承受张力，但有缩小其表面积的特性，这种特性称为表面张力。表面张力多出现在流体与其他固体介质，或不同流体之间的界面上。对水而言，在20℃水温条件下，其表面张力0.0728N/m。由此可见，常温下水的表面张力较小，在工程水力学中可以忽略。当水的自由面为曲率半径很小的曲面时，表面张力的合力对自由面产生影响，这种情况下就需要考虑表面张力的影响。在岩土介质中，由于孔隙尺寸和裂隙宽度均很小，在表面张力的作用下会形成毛细现象，导致岩体介质体中的自由水面随毛细现象出现而升高。表面张力是岩土介质渗流分析必须要考虑的一个重要性质。水的物理学参数与温度的关系见表1.1。
表1.1 水的物理力学参数与温度的关系
毛管力从毛细现象演化而来。在毛管中，跨越两种非混合相流体界面所必须克服的压力为毛管力。在同一位置处，毛管力等于非湿相压力pnw减去湿相压力pw
式中:pc为毛管压力，MPa；r为毛管半径，μm；σ为界面张力，MN/m；θ为湿润接触角。
在不混溶多相体渗流过程中，有时需要考虑毛管力。