第一章 渗流理论基础-1-专课件

1、高志娟水资源与环境学院绪 论 地下水动力学：是研究地下水在孔隙岩石、裂隙岩石和岩溶岩石中运动规律的科学。 它是模拟地下水流基本状态和地下水中溶质运移过程，对地下水从数量上和质量上进行定量评价和合理开发利用，以及兴利防害的理论基础。 水文地质解决的问题可归并为以下三方面： （1）地下水的运动规律和地下水资源量评价； （2）地下水化学成分的迁移规律和地下水水质的评价； （3）合理开发利用问题。 一个完整的水文地质研究过程包括以下步骤： （1）收集和提取信息； （2）将信息加工组织成一个反映研究系统体系的概念模型； （3）建立物理模型或数学模型； （4）利用数学模型进行仿真模拟； （5）经检验后的数

2、学模型可用来模拟系统未来的行为。第1章 渗流理论基础1.1 渗流的基本概念1.1.1地下水在含水岩石中的运动 1.1.1.1多孔介质：具有孔隙的岩石。 含水介质一般分为三类： 孔隙介质：含有孔隙水的岩层。 裂隙介质：含裂隙水的岩层。 岩溶（Karst）介质：含岩溶水的岩层。 1.1.1.2 地下水的流动类型可归纳为两类： (1)地下水沿多孔介质的孔隙或遍步于介质中的裂隙运动； (2)地下水沿大裂隙和管道的流动。 1.1.2地下水和多孔介质的性质1.1.2.1 地下水的状态方程 地下水的状态方程：实际上是地下水的体积和密度随压力变化的方程。 等温条件下，水的压缩系数为： 设初始压强p0时，水的体

3、积为V0，当压强变到p时，体积变为V，由上式得：dpdVV1dpd1 用Taylor级数展开，舍去高次项，得到如下的状态方程： V = V01-（p-p0） =01+（p-p0）)(0)(00000ppppppVVeVVeVVdpVdV 1.1.2.2 多孔介质的某些性质（1）多孔介质的孔隙性 孔隙度孔隙度：指孔隙体积和多孔介质总体积之比。 有效孔隙有效孔隙：互相连通的、不为结合水所占据的那一部分孔隙。 有效孔隙度有效孔隙度：指有效孔隙体积和多孔介质总体积之比。 死端孔隙死端孔隙：一端与其它孔隙连通，另一端是封闭的，其中的地下水是相对停滞的。（2）多孔介质的压缩性 天然条件下，一定深度处的多孔

4、介质，要受到上覆岩层荷重的压力。荷重增加，将引起多孔介质的压缩。 多孔介质的压缩系数： 多孔介质的压缩包括固体颗粒的压缩和孔隙的压缩。即：Vb=Vs+VvddVVbb1ddVVnddVVnddVVddVVnVVVnVddVddVddVVVssVbsbbVbsVsb111,)1 ( 上式令 上式变为： =（1-n）s+np 固体骨架的压缩性比孔隙的压缩性小的多，上式变为： =np （加荷和排水）ddVVsss1ddVVvvp11.1.3 贮水率和贮水系数 1.1.3.1水位变化对含水层厚度的影响 有效应力 地下水位下降，水压力减小，有效应力增大，多孔介质被压缩。 多孔介质的压缩包括固体颗粒的压缩

5、和孔隙的压缩。但固体颗粒的压缩忽略不计。即： （1-n）Vb=常数其导数等于0。即：dpndndpzzddpdndnzzdzzdVdVndnVdVdnVndVdVVndbbbbbbbb)1 ()(11011.1.3.2贮水率和贮水系数 贮水率：面积为1单位面积，厚度为1单位的含水层，当水头降低1单位时所能释出的水量。用Ss表示。 弹性释水：由于水头降低引起的含水层释水现象称为弹性释水。 贮水系数：面积为1单位面积，厚度为含水层全厚度M的含水层柱体中，当水头改变一个单位时弹性释放或贮存的水量。用S表示。 二者关系： S= Ss M说明：（1）贮水系数S用于二维流计算中。 贮水率Ss用于三维流计算

6、中。（2）贮水系数S和贮水率Ss都是表示含水层弹性释水的参数。 贮水率表示含水层弹性释水的性能。 贮水系数表示含水层弹性释水的能力。（3）承压含水层水头降低只引起含水层的弹性释水；潜水含水层水头下降，可引起二部分排水，重力排水（）和下部饱水部分弹性释水（但可忽略不计）。 （4）弹性释水和重力排水的不同：弹性释水是瞬时完成的（应力变化是瞬时完成）；重力排水是一个过程，该过程的长短与岩性有关。 一般教课书上指的给水度就是指重力排水结束时所测得的给水度值。1.1.4渗流1. 1.4.1渗流 渗流是一种假想水流。 假想水流应有以下特点：（1）假想水流的性质（如密度、粘滞性等）和真实地下水相同；（2）假

7、想水流充满含水层的整个空间；（3）假想水流运动时，在任意岩石体积内所受的阻力等于真实水流所受的阻力；（4）通过任断面的流量及任一点的压力或水头均和实际水流相同。渗流区或渗流场：假想水流所占据的空间。1.1.4.2 典型单元体 1.1.5渗流速度过水断面：垂直于渗流方向的一个岩石截面。 渗流速度：通过单位面积的渗流量。 v=Q/A 渗流速度与地下水的实际平均流速有如下关系： v=nu1.1.6地下水的水头和水头坡度 1.1.6. 1 地下水的水头式中：Z位置水头； P/承压水头； 二者之和为测压管水头。 u2/2g流速水头（很小忽略不计）。 我们所说的水位就是测压管水头，这是基准面取的是海平面。

8、gupZH22l某砾石含水层中，u = 1.65cm/sHHHpzgugupzHpp;2222测压水头总水头cmgu00014. 0980265. 1222 1.1.6.2 等水头面和水力坡度 等水头面等水头面：渗流场内水头值相同的各点连成的面。 反过来说，等水头面各点的水头值相同。 等水头线等水头线：等水头面与某一平面的交线。 水力坡度：大小等于梯度值，方向沿着等水头面的法线指向水头降低方向的矢量。 梯度的大小为： 矢量J在空间坐标系中的三个分量为： 水文地质学基础中，水力坡度定义为：沿渗流途径水头损失与相应渗透途径长度的比值。ndndHJzHJyHJxHJzyx;1.1.7地下水运动特征的

9、分类 1.1.7.1 按地下水运动要素（渗流量、渗流速度、压强、水头）将地下水分为稳定流和非稳定流。 稳定流稳定流：地下水运动要素不随时间变化。 非稳定流非稳定流：地下水运动要素随时间变化。 研究地下水的运动规律实际上是研究地下水运动研究地下水的运动规律实际上是研究地下水运动要素的时空变化规律。要素的时空变化规律。 1.1.7. 2 根据地下水的运动方向与空间坐标轴的关系分为一维运动、二维运动和三维运动。 地下水的一维运动地下水的一维运动：地下水的渗透速度只沿一坐标轴的方向有分速度，其余坐标轴方向的分速度均为零。 地下水的二维运动地下水的二维运动：地下水的渗透速度只沿二个坐标轴的方向有分速度，

10、仅在一个坐标轴方向的分速度均为零。 地下水的三维运动地下水的三维运动：地下水的渗透速度只沿空间三个坐标轴的分量均不等于零。 说明：地下水运动的维数与所选的坐标系有关。 潜水完整井抽水，选直角坐标系为三维运动，选柱坐标系为二维运动。 承压水完整井抽水，选直角坐标系为二维运动，选柱坐标系为一维运动。1.1.8地下水流态的判断 地下水的运动有层流和紊流。 1. 1.8.1多孔介质判断法：用Reynolds数 式中：v地下水的渗流速度； d含水层颗粒的平均粒径； 地下水的运动粘度。 计算Reynolds数小于临界Reynolds数时，为层流；大于时，为紊流。 临界Reynolds数一般取150300。vdRe 1.1.8.2 裂隙流判断法（指单个裂隙） 主要是确定临界水力坡度。 首先，由下式计算裂隙的相对粗糙度