地下水运动的基本规律

1、地下水运动的基本规律第1页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第2页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律4.0 几个概念渗流：地下水在岩石空隙中的运动称为渗流渗流场：发生渗流的区域称为渗流场层流运动：在岩层空隙中渗流时，水的质点做有秩序的，互不混杂的流动，称作层流运动 例如：在狭小空隙（如砂，砂土）中流动时，重力水受介质的吸引力较大，水的质点排列较有秩序，可以认为是层流运动。紊流运动：水的质点无秩序的、互相混杂的流动，称作紊流运动第3页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律第4页，

2、共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律第5页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律第6页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律稳定流：水在渗流场内运动，各个运动要素（水位、流速、流向等）不随时间改变时，称作稳定流4.0 几个概念第7页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律非稳定流：运动要素随时间变化的水流运动，称作非稳定流第8页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律4.

3、1 重力水运动的基本规律4.1.1 达西定律线性渗透定律达西试验示意图A第9页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律第10页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律 如图，上方不断滴水，使砂柱顶端经常保持一极薄的水层。已知渗透流量 Q 和过水断面面积，求渗透系数 K ，并在图上标明达西公式相应的项。 第11页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律第12页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律4.1.2 渗透流速（V

4、）砂柱的横断面积，包括砂颗粒所占据的面积及空隙所占据的面积扣除结合水所占据的范围以外的水流实际流过的空隙面积有效空隙度第13页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律重力水所占据的空间给水度结合水所占据的空间毛细水所占据的空间空间（孔隙度）有效孔隙度 对于粘性土，由于空隙细小，结合水所占比例大，所以有效孔隙度很小。 对于空隙大的岩层（例如溶穴发育的可溶岩，有宽大裂隙的裂隙岩层），第14页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律4.1.3 水力梯度（I）水力梯度（I）：沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度的比

5、值水流通过单位长度渗透途径为克服摩擦阻力所耗失的机械能克服摩擦阻力使水以一定速度流动的驱动力 补充液体（水）的粘滞性：液体具有易流动性，处于静止状态时不能承受剪切力而抵抗剪切变形，但在运动状态时，其内部会出现抵抗变形的特性。 液体在运动状态时抵抗剪切变形的性质称为液体的粘滞性。第15页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律 1686年，由牛顿提出并经后人验证的牛顿摩擦定律为：液体沿某一固体表面作层流运动，相邻液体层间的内摩擦力（或称切力）F 的大小与流速梯度 du/dy 和液层间接触面的面积 A 呈正比，同时与液体性质有关： 为比例常数，具有动力学

6、量纲，也称为动力粘滞系数（或动力粘度），其单位为Ns/m2或Pas，与液体的性质有关，是对液体粘滞性的度量。温度升高时液体的粘滞性降低，而气体的粘滞性则反而加大。第16页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律4.1.4 渗透系数（K）大风对田径比赛影响很大，田径比赛场地上风速超过限制，所创造出的成绩将不被承认。田径比赛规则上明文规定：距离200米和200米以下的径赛以及跳远、三级跳远等项目，凡顺风时平均风速超过每秒2米者，所创纪录不予承认。国际业余田径联合会的规则规定，在田径比赛中，有一部分项目要测定风速，主要有：100米、110米栏、200米、跳

7、远和三级跳远等项目。规则规定，当顺风风速超过2米/秒时，比赛成绩只能用于决定当场比赛名次，而不能作为比赛记录。第17页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律4.1.4 渗透系数（K）第18页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律4.1.4 渗透系数（K）渗透系数可定量说明岩石的渗透性能。渗透系数愈大，岩石的透水能力愈强。 水流在岩石空隙中运动，需要克服隙壁与水及水质点之间的摩擦阻力；所以：渗透系数不仅与岩石的空隙性质有关，还与水的某些物理性质有关。（水和石油） 设有粘滞性不同的两种液体在同一岩石中运动。

8、则粘滞性大的液体渗透系数就会小于粘滞性小的液体。 在研究卤水、热水的运动时，就要考虑液体粘滞性第19页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第三章 地下水的赋存推断含水层岩性或厚度的变化第20页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二含水层均质各向同性，隔水底板水平第四章 地下水运动的基本规律第21页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二含水层均质各向同性，隔水底板起伏，含水层厚度第四章 地下水运动的基本规律第22页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二隔水底板水平，局部渗透性能第四章 地下水运动的基本规律第23页，共68页

9、，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律4.1.5 地下水渗流的思考、总结1）地下渗流和实际的水流的比较普通水流的流向是从总水头高的地方流向总水头低的地方水流量的大小取决于水头差和水头损失普通水流在管道中运动取决于管道大小、形状及管壁的粗糙度渗流运动取决于多孔介质空隙大小、形状以及其连通性地下水水的流向也是从高水头流向低水头流量的大小也取决于水头差和水头损失第24页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律2）地下水运动研究宏观与微观第25页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二从微观角度研究地下水运

10、动的难度有两个方面： A）要获得微观角度每一个空间点的水流运动参数，首先必须获得空隙的几何参数（查明每一个空隙与固体颗粒之间的边界位置等） B）从微观角度来看地下水流在空间上是不连续的。固体颗粒部分是没有水流的，因此从微观角度地下水的运动参数在空间上是不连续的，有很多地方运动参数是零。 也就是说描述水流运动的物理量是非连续函数，因此基于连续函数的许多微积分方法无法应用。第四章 地下水运动的基本规律第26页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二用假想的水流来代替真实的水流，几个前提假设 A）假想水流充满整个多孔介质的连续体；所谓的整个多孔介质它包括空隙和固体部分。而不仅仅是空隙

11、了，主要处处有空隙，处处有水流。 B）假想水流（渗流）的阻力与实际水流在空隙中所受到的阻力相同；也就是说，我们假设在这个空隙中的有一点，这一点的假想的水流和实际的水流所受的阻力是相等的。 C）渗流场任意一点的水头H和流速矢量V等运动要素与实际水流在该点周围一个小范围内的平均值相等。第四章 地下水运动的基本规律第27页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律3）渗流的微观分析各种流速的比较第28页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律4.1.6 达西定律的适用范围 雷诺数是指流体流动时的惯性力Fe和和粘性力

12、F之比，用Re表示，即： 为流体密度；u 为流体流速； 为流体动力粘性系数；l 为过流断面有效长度。第29页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律4.1.6 达西定律的适用范围1Re10，层流，适用，地下水低速运动，粘滞力占优势；10Re100，层流，不适用，地下水流速增大，为过渡带，由粘滞力占优势的层流转变为以惯性力占优势的层流运动；Re100，紊流，不适用。 达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损失关系的规律，即渗流速度V与水力坡度I成线性关系只适用于层流范围。在水利工程中，绝大多数渗流，无论是发生于砂土中或一般的粘性土中，均属于层流范围，故

13、达西定律均可适用。但以下两种情况可认为超出达西定律适用范围。第30页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律4.1.6 达西定律的适用范围 一种情况是在纯砾以上的很粗的土中的渗流，且水力坡降较大时，流态已不再是层流而是紊流。这时，达西定律不再适用，渗流速度V与水力坡降I之间的关系不再保持直线而变为次线性的曲线关系，如图所示。 层流进入紊流的界限，即为达西定律适用的上限。 有的学者主张用临界流速Vcr来划分这一界限，并认为Vcr=0.30.5cm/s。 当VVcr后，达西定律可修改为：V=KIm（m1）。第31页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律4.1.6 达西定律的适用范围纯砾以上的很粗的土中V-I关系曲线粘性很强的致密粘土中V-I关系曲线第32页，共68页，2022年，5月20日，20点49分，星期二第四章 地下水运动的基本规律4.1.6 达西定律的适用范围 另一种情况是发生在粘性很强的致密粘土中。 如图所示。 实线表示试验曲线，它成超线性规律增长，且不通过原点。使用时，可将曲线简化为如图虚线所示的直线关系。截距I