第3章___地下水运动

1、NoImageNoImage铁路城镇边界河流图例公路湖泊州市徐房亭河河河牢徐运京杭大寨不万河龙湖运荆马河新河大龙口水库 云徐州市河桃园河套奎河河大孤山水库黄废闸河孤 山 村大 湖大 王 庄郑 庄三 孔 桥大 黄 山 乡大 黄 山 煤 矿庞 夏 洼大 蔡 丘大 王 庄大 岗 头仇 庄西 贺 村石 桥中 王 庄后 蟠 桃任 庄茅 村 乡茅 村龙 庄西 店 子杨 屯小 赵 庄屯 里草 帽 山季 山孟 家 沟万 寨大 朱 庄八 里 屯下 店东 镇 口陈 周 宅 子新 台 子阀 门 厂洞 山东 天 齐 庙沈 场新 庄九里山段 庄内 华诧 城马 楼陈 塘破 楼何 家丁 庄两 山 口高 家 营洞 山 口土

2、王 寺西 郭 庄原 铜 山 县 委徐 村三 官 庙太 山郭 庄大 里 沟邓 庄前 堡焦 山北 望 山新 庄腾 寨龟 山桃 园太 山 营 西 庄徐 州 电 视 台西 樵 村东 城 煤 矿李 屯小 孤 山阎 窝苏 山 头桃 园 煤 矿丁 楼闸 口东 王 庄两 半 庄夹 河 乡大 山 头韩 山望 城 岗前 周 沃八 里 屯卧 牛 山 煤 矿虎 山二 十 五 里 桥团 头 山拉 犁 山大 南 望史 庄大 北 望纪 庄汉 王 乡新 河 煤 矿周 棚田 巷赵 山 头新 王 门半 步 店白 头 山义 安 山地下水开采孔图例公 路村 镇边 界铁 路州市徐城子梁山内华宅城陈塘破楼东城煤矿马楼何家杨屯李屯新台子万

3、寨洞山龙庄陈周宅子小赵庄大黄山仇庄郑庄大王庄庞夏洼大蔡丘茅村乡茅村东镇口蔺山屯里草帽山季山任庄大岗头小孤山桃园煤矿丁搂两半庄夹河乡苏山头闸口田巷周棚半步店史庄东王庄韩山段庄云龙公园大头山桃园大北望八里屯新河煤矿赵山头纪庄白头山汉王乡大南望二十五里桥焦山新庄前堡圭山西樵村太山营西庄望城岗大黄山煤矿西贺村后蟠桃中王庄孟家沟石桥八里屯大朱庄沈场下淀西店子铜山县委西国庄郭庄北望山高家营洞山口丁庄两山口邓庄腾寨徐村土王寺大湖三孔桥孤山村徐州市 水力学研究水在水力学研究水在管管、渠渠（明流）（明流）流速快流速快 多孔介质，空隙细小，水流很缓慢多孔介质，空隙细小，水流很缓慢渗流渗流 从流态来看从流态来看地下

4、水多为层流（除岩溶管道外）地下水多为层流（除岩溶管道外） ， 很少紊很少紊流流 0tP0tV0tP0tV线状流线状流达西达西H.Darcy 是法国水力是法国水力学家，学家，1856年通过大量的年通过大量的室内实验得出的渗流定律室内实验得出的渗流定律. 实验条件：实验条件：试验装置图试验装置图 1）等径圆筒装入均匀砂样，）等径圆筒装入均匀砂样，断面为断面为 2）上（下各）置一个稳定的）上（下各）置一个稳定的溢水装置溢水装置稳定水流稳定水流 3）实验时上端进水，下端出）实验时上端进水，下端出水测出水量水测出水量Q示意流线示意流线 4）砂筒中安装了）砂筒中安装了2个测压管个测压管LhK Q LhK

5、Q 水力梯度 ILh通过变水头，多次实验得出：出水端的流量通过变水头，多次实验得出：出水端的流量Q与砂与砂柱面积柱面积 、测压管水头差、测压管水头差 h 之间的关系为：之间的关系为： 表达式（表达式（1）Q 渗透流量；渗透流量； 砂柱断面面积；砂柱断面面积； h 水头损失；水头损失； L 渗流途径；渗流途径； K渗透系数，渗透系数，m/d或或cm/s。 由水力学中水动力学基本原理：由水力学中水动力学基本原理：表达式（表达式（2） Q = K I LHHKIKv21KvLHH21v也称为单位面积上的流量也称为单位面积上的流量即比即比流量流量 与水力梯度是一次方正比关系与水力梯度是一次方正比关系故

6、达西定律又称为线性渗透定律故达西定律又称为线性渗透定律思考：曲线中思考：曲线中1 1与与2 2号样品，是什么式样？岩性特征如何？号样品，是什么式样？岩性特征如何？砂样砂样v I O 1 2 v = K I （3） Q = K .I. = v 过水断面与水力学中的水流过断面是否一致？否过水断面与水力学中的水流过断面是否一致？否 过水断面过水断面 是假想的断面是假想的断面 实际孔隙断面实际孔隙断面应为应为. n（孔隙度）（孔隙度） 而实际水流断面而实际水流断面 为. ne (有效孔隙度有效孔隙度) Q/ =v 比照水力学的实际流速比照水力学的实际流速 Q/= u 得出地下水渗透流速与平均实际流速的

7、关系：得出地下水渗透流速与平均实际流速的关系：v u ne 渗流速度渗流速度v：是假设水流通过整个岩层断面（骨架是假设水流通过整个岩层断面（骨架+空隙）时空隙）时所具有的虚拟的平均流速。所具有的虚拟的平均流速。 意义：研究水量时，只考虑水流通过的总量与平均流速，而意义：研究水量时，只考虑水流通过的总量与平均流速，而不去追踪实际水质点的运移轨迹不去追踪实际水质点的运移轨迹简化的研究简化的研究Qu过水断面（过水断面（）实际过断面（）实际过断面（）过水断面过水断面与实际过水断面与实际过水断面 LhLHLHHI2121定义定义 I：是沿渗流途径上的水头损失与相应的渗流长度之比是沿渗流途径上的水头损失与

8、相应的渗流长度之比. 水力学中水力坡度：单位距离上的水头损失水力学中水力坡度：单位距离上的水头损失物理涵义上来看物理涵义上来看I：代表着渗流过程中，机械能的损失率。：代表着渗流过程中，机械能的损失率。 在地下水渗流研究中任意点的水头表达式：在地下水渗流研究中任意点的水头表达式： 由于由于2/2g 很小很小,而被忽略而被忽略 因此，总水头因此，总水头 测压水头测压水头gvpZH22总水头测压水头速度水头总水头测压水头速度水头111pZH有些教科书中也称为水力传导率有些教科书中也称为水力传导率定义：水力梯度为定义：水力梯度为 I 1 时的渗透流速时的渗透流速 （vK.I） 渗透系数渗透系数具有速度

9、量纲具有速度量纲 由公式由公式v K. I 分析：分析： 当当I一定时，岩层的一定时，岩层的 K 愈大，则愈大，则 V 也愈大，也愈大， Q 也大。也大。 因此，渗透系数因此，渗透系数 K 是表征岩石透水性的定量指标。是表征岩石透水性的定量指标。IVd32v2IVdvee32*nnv2VdKe32n2VKK0tCdK03. 07 . 0210松散岩石渗透系数参考值松散岩石渗透系数参考值 渗流场渗流场：地下水流动（运动）的空间流网是描述渗流场地下水流动（运动）的空间流网是描述渗流场中地下水流动状况的有效工具中地下水流动状况的有效工具 流网：是由一系列流网：是由一系列等水头线等水头线与与流线流线组

10、成的网格，称流网。组成的网格，称流网。 流线：某时刻在渗流场中画出的一条空间曲线，该曲线流线：某时刻在渗流场中画出的一条空间曲线，该曲线上各个水质点的上各个水质点的流速方向流速方向都与这条曲线相切（某时刻各点都与这条曲线相切（某时刻各点流向的连线）（迹线：流体水质点在渗流场中某一时间段流向的连线）（迹线：流体水质点在渗流场中某一时间段内的运动轨迹）内的运动轨迹） 等水头线：在某时刻，渗流场中水头相等各点的连线等水头线：在某时刻，渗流场中水头相等各点的连线（水势场的分布）（水势场的分布）常见的二维流网图常见的二维流网图： 平面流网：潜水等水位线图，承压水等测压水位线平面流网：潜水等水位线图，承压

11、水等测压水位线图图 剖面流网：含水量厚度较大时，常需要刻画剖面的剖面流网：含水量厚度较大时，常需要刻画剖面的水流水流 流网特点：流网特点： 在各向同性介质中，流线与等水头线正交；在各向在各向同性介质中，流线与等水头线正交；在各向异性介质中，流线与等水头线斜交异性介质中，流线与等水头线斜交 是按一定规则绘制的，等水头线（等水头差绘制），是按一定规则绘制的，等水头线（等水头差绘制），流线（等流量宽，单宽流量相等）流线（等流量宽，单宽流量相等）定性流网的绘制定性流网的绘制（各向同性介质中）（各向同性介质中） 在许多实际工作中，绘制定性流网分析问题很重要在许多实际工作中，绘制定性流网分析问题很重要 精

12、确流网受许多条件（资料不足等）制约，很难办到精确流网受许多条件（资料不足等）制约，很难办到 思考：思考：绘制流网需要考虑渗流场的哪些条件？绘制流网需要考虑渗流场的哪些条件？ 绘制步骤（简要）：绘制步骤（简要）： 寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线）寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线） 分水线、源、汇的确定分水线、源、汇的确定 画出渗流场周边流线与条件画出渗流场周边流线与条件 中间内插中间内插 流量等单宽量流量控制流线根数流量等单宽量流量控制流线根数 确定等水头差间隔确定等水头差间隔已知边界已知边界 a湿周湿周 b隔水边界隔水边界 cd水位线水位线等水头线等水头线 、流线与各类边界的关系、流

13、线与各类边界的关系1）寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线）寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线） 2）分水线、源、汇的确定）分水线、源、汇的确定 3）画出渗流场周边流线与条件）画出渗流场周边流线与条件 4）确定等水头值，中间内插）确定等水头值，中间内插河间地块流网的绘制河间地块流网的绘制n 解释水文地质现象解释水文地质现象 n 判断地下水系统内部结构判断地下水系统内部结构 n 分析地下水的补给、排泄、径流特征分析地下水的补给、排泄、径流特征 n 计算渗流场任意点的水头、压强、水力坡度计算渗流场任意点的水头、压强、水力坡度、渗透流、渗透流速等速等 n 据流网选择垃圾填埋场位置等据流网选择垃圾填

14、埋场位置等 它反映了渗流场中地下水的流动状况，同时也是介质场它反映了渗流场中地下水的流动状况，同时也是介质场与势场的综合反映，提供这两方面的信息。与势场的综合反映，提供这两方面的信息。 可以确定任意点的水头值（可以确定任意点的水头值（H），并了解其变化规律），并了解其变化规律 图中图中A点水头？点水头？ HA与与HB的大小？的大小？ 确定水力梯度确定水力梯度 I 的大小，及其变化规律的大小，及其变化规律 图中图中A点的点的 I？ IA与与IB比较谁大？比较谁大？ 确定渗透流速确定渗透流速v的大小，及其变化规律的大小，及其变化规律 图中图中A点的点的 vA ？ vA与与 vB？ 渗流场内的流量分

15、布情况渗流场内的流量分布情况 (如果打井取水，布置何处？如果打井取水，布置何处？) 了解水质点的渗流途径及长短（当流线与迹线重合，流了解水质点的渗流途径及长短（当流线与迹线重合，流线近视为水质点的运移轨迹）线近视为水质点的运移轨迹） 等等等等。AB比较：比较： HA与与HB？ IA与与IB？ vA与与 vB？河间地块流网的应用河间地块流网的应用在图示条件下，在何处打井取水，井水不会受污染物的影响？在图示条件下，在何处打井取水，井水不会受污染物的影响？粘性土渗透流速粘性土渗透流速V与水力梯度与水力梯度I主要存在三种关系：主要存在三种关系：(1)VI关系为通过原点的直线，服从达西定律；关系为通过原

16、点的直线，服从达西定律；(2) VI曲线不通过原点，水力梯度小于某一值曲线不通过原点，水力梯度小于某一值I0时无渗时无渗透；大于透；大于I0时，起初为一向时，起初为一向I轴凸出的曲线，然后转为直线；轴凸出的曲线，然后转为直线；(3)VI曲线通过原点，曲线通过原点，I小时曲线向小时曲线向I轴凸出，轴凸出，I 大时为直大时为直线。线。ddd66/132岩土颗粒体积岩土颗粒表面积球形颗粒比表面积粘性土颗粒越大，有效孔隙直粘性土颗粒越大，有效孔隙直径径D0越大，起始水力坡度越大，起始水力坡度I0越越小，渗透系数小，渗透系数K值越大。值越大。)(021ILHHKvR2RR22aaPa半圆球状凸形弯液面产

17、生的附加表面压力半圆球状凸形弯液面产生的附加表面压力)11(21RRaPa两个玻璃圆球保持一定间隙，然后向此间隙滴水，两个玻璃圆球保持一定间隙，然后向此间隙滴水，可看到两个圆球接触处形成孔角毛细水，并立即可看到两个圆球接触处形成孔角毛细水，并立即贴紧。贴紧。 分离的圆球因滴水形成孔角毛细水而贴紧D4 aPa毛细压力水头，又称毛细压头毛细压力水头，又称毛细压头在毛细管中，任意点的水头值仍然在毛细管中，任意点的水头值仍然表示为：表示为： HA ZAhA HB ZBhB 在饱水带中（用水力学原理）：测量任一点的压力水在饱水带中（用水力学原理）：测量任一点的压力水头头用测压管（压力计）用测压管（压力计

18、） HAZAhA 在包气带中（测负压）：张力计在包气带中（测负压）：张力计前端装上多孔陶瓷头（捧）；插入土中；张力计管中充前端装上多孔陶瓷头（捧）；插入土中；张力计管中充满了水，在非饱和土中，空隙中的负压与张力计液面高度满了水，在非饱和土中，空隙中的负压与张力计液面高度平衡后，张力计形成的负压与所测点平衡后，张力计形成的负压与所测点B相等时，张力计上相等时，张力计上的的-hBc即为测点的负压即为测点的负压 例：例：HBZBhBcZB(-hBc)HB例：例：HBZBhBcZB(-hBc)HB （图示）（图示） 如果测得包气带中如果测得包气带中HBHC，水流运动方向为，水流运动方向为BC；在入；在

19、入渗水流中包气带中渗水流中包气带中HB HC，水流运动方向为，水流运动方向为CB。C。B。B水水陶土头陶土头土体土体hc在毛细压强的概念基础上，观察毛在毛细压强的概念基础上，观察毛 细管中水的运动细管中水的运动 1）插入水中初始：瞬时刻）插入水中初始：瞬时刻 HAZA0 0 HB？ HBZBpa g HBZB(-hc)-hc HC? ZC(-hc)0 2）最后：）最后：HA HC （管中水为不运动的静止液体）此时毛细管中的最大上升（管中水为不运动的静止液体）此时毛细管中的最大上升高度高度hc称为毛细上升高度，它在数值上等于该管所具有的称为毛细上升高度，它在数值上等于该管所具有的毛细压力水头值。

20、毛细压力水头值。B O ZBO 用达西定律分析：水由用达西定律分析：水由 BB 毛细水的运动毛细水的运动 VC I K A点水头点水头 HAZA0 0B点水头点水头: VC K I IC (hcZB-1) 假设假设K不变，不变，VC f (IC) c ch hB BZ Z) )c ch h( (B BZ ZB BH HB O ZBO VC K I IC (hcZB-1) 假设假设K不变，不变， 讨论上升速度讨论上升速度 VC，VC f (IC) ZB0时，毛细上升刚开始，时，毛细上升刚开始， hc/ZB I V 很大很大 ZB 逐渐增大时，逐渐增大时，I变小，上升速度变慢变小，上升速度变慢 ZBhc 时，时，hc /ZB1，I0 V0, 上升停止