演示文稿地下水动力学

（优选）地下水动力学第一章ppt讲解现在是1页\一共有53页\编辑于星期三§1.1渗流基本概念地下水在岩石空隙中的运动称为渗流(seepageflow/groundwaterflow)。发生渗流的区域称为渗流场。渗流场(flowfield)由固体骨架和岩石空隙中的水两部分组成。渗流只发生在岩石空隙中。现在是2页\一共有53页\编辑于星期三多孔介质概念与特性我们把孔隙岩层称为多孔介质(porousmedia).多孔介质特性:彼此连通的网络，几何形态及连通情况异常复杂，难以用精确的方法来描述。由固体骨架和孔隙组成，孔隙通道是不连续的。因此，无论是固体骨架，还是空隙空间，微观上讲都不是连续函数现在是3页\一共有53页\编辑于星期三普通水流与渗流共同点：1.总体流向取决于水头差

2.流量取决于水头差及沿程损耗区别：水在管道中运动取决于管道大小、形状及粗糙度；渗流运动取决于空隙大小、形状、连通性。现在是4页\一共有53页\编辑于星期三渗流特点通道是曲折的，质点运动轨迹弯曲；流速是缓慢的，多数为层流；水流仅在空隙中运动，在整个多孔介质中不连续；通常是非稳定的；通常为缓变流。现在是5页\一共有53页\编辑于星期三一、典型体元

(Representativeelementaryvolume)在水力学中引进质点的概念，把水看成连续介质，则可用连续函数描述运动要素。为了把渗流场概化为多孔介质连续体，用连续函数描述，引进典型体元的概念。什么是典型体元呢？现以孔隙度为例来讨论。现在是6页\一共有53页\编辑于星期三典型体元(REV)的提出P1P2现在是7页\一共有53页\编辑于星期三典型体元(REV)概念的引入若P点取颗粒中心且V只取小于颗粒体积时孔隙率n=0；若P点取孔隙中心且V只取小于孔隙体积时孔隙率n=1；当V取值由一个颗粒或一个孔隙逐渐放大时，n值会因随机划进的颗粒或孔隙体积而产生明显的波动，但随着V取值再增大，n值波动逐渐减小。当V取至某个体积时，孔隙率趋于某一平均值n，此时的V称为典型体元(REV)，记为V０若再增大V使其大于V０，则有可能将P点外围的非均质区也划进来平均，此时n值可能又产生明显的变化。

现在是8页\一共有53页\编辑于星期三典型体元的定义把V0称为典型体元。引进REV后就可以把多孔介质处理为连续体，这样多孔介质就处处有孔隙度了。REV究竟有多大？REV相对于单个孔隙是相当大的，但相对于渗流场又是非常小的。现在是9页\一共有53页\编辑于星期三理想渗流在REV的基础上，引入理想渗流的概念：地下水充满整个含水层或含水系统（包括空隙和固体骨架），渗流充满整个渗流场。理想渗流等效简化原则：理想渗流通过某断面的流量应等于通过该内孔隙面积的实际流量：质量等效。理想渗流通过某岩层所受到的阻力与实际渗流所受到的阻力相等：能量等效。现在是10页\一共有53页\编辑于星期三概化后的理想渗流现在是11页\一共有53页\编辑于星期三二、地下水实际流速、渗透流速地下水实际流速—质点流速在以P点为中心REV体积上的平均值称为地下水在P点的实际流速。渗透流速——假想渗流的速度，是假想的平均流速。实际流速在REV上的平均值。现在是12页\一共有53页\编辑于星期三渗透流速与实际流速关系现在是13页\一共有53页\编辑于星期三渗透流速与实际流速关系现在是14页\一共有53页\编辑于星期三三、水头与水力坡度某砾石含水层中，u=1.65cm/s现在是15页\一共有53页\编辑于星期三潜水含水层压强与水头图1－1－4a潜水含水层的压强与水头现在是16页\一共有53页\编辑于星期三承压含水层压强与水头图1－1－4b承压含水层的压强与水头现在是17页\一共有53页\编辑于星期三水力坡度大小等于dH/dn

，方向沿着等水头线的法线方向指向水头降低的方向的矢量定义为水力坡度，记为J。现在是18页\一共有53页\编辑于星期三§1.2渗流基本定律--达西定律一、达西定律法国水力学家H.Darcy通过大量稳定流实验得出：现在是19页\一共有53页\编辑于星期三二、达西实验条件稳定达西实验：得出渗透流速与水力坡度成正比即线性渗流定律，说明此时地下水的流动状态呈层流。实验条件：均匀介质，一维流动，稳定流，层流。是否适用：非均匀介质，二维或三维流动，非稳定流，层流条件？现在是20页\一共有53页\编辑于星期三非稳定流达西实验（实验一）：水自上部加入，用溢水管保持稳定水位，下部用管口出流，可通过它测定渗流量，用两根测压管来测量水头值。达西定理：实验结果：在非稳定流条件下，地下水运动仍满足线性渗流定律三、变水头达西实验现在是21页\一共有53页\编辑于星期三达西定律：积分有：显然t-lgH曲线应呈直线变水头达西实验原理现在是22页\一共有53页\编辑于星期三如实验得到得t-lgH曲线呈直线，则说明达西定律也适用于不稳定流条件。可据直线斜率m求取土样的渗透系数变水头达西实验求参现在是23页\一共有53页\编辑于星期三临界雷诺数Re（J.Bear)：临界渗透流速vc（巴甫洛夫斯基）：临界水力梯度Jc（罗米捷）：达西定律下限问题（J0)层流区过渡区紊流区达西定律适用条件现在是24页\一共有53页\编辑于星期三达西定律的上下限？达西定律的应用条件现在是25页\一共有53页\编辑于星期三1901年福希海默提出Re>10时：1912年克拉斯诺波里斯基提出紊流公式：非线性渗透定律现在是26页\一共有53页\编辑于星期三微分形式：四、达西定律的微分形式现在是27页\一共有53页\编辑于星期三五、渗透系数（hydraulicconductivity）是重要的水文地质参数，它表征在一般正常条件下对某种流体而言岩层的渗透能力(permeability)v=KJ；当J=1时，K=vK在数值上是当J=1时的渗透流速，量钢[L/T]；常用单位cm/s；m/d。渗透系数与哪些因素有关呢？现在是28页\一共有53页\编辑于星期三K=f(孔隙大小、多少、液体性质)岩层空隙性质（孔隙大小、多少）由流体的物理性质决定，与γ成正比，与μ成反比。流体的物理性质与所处的温度、压力有关。影响渗透系数大小的因素现在是29页\一共有53页\编辑于星期三渗透率k(intrinsicpermeability):比重；：动力粘滞性系数；渗透率k：反映介质几何特性，量纲[L2]；常用单位：cm2；石油地质中用达西:1达西=9.8697*10-9cm2.表征反映介质几何特性现在是30页\一共有53页\编辑于星期三渗透系数的表达式多孔介质（概化为等径的平行毛细管束）：现在是31页\一共有53页\编辑于星期三渗透系数的表达式裂隙介质（概化为走向和缝宽相同的平行板）现在是32页\一共有53页\编辑于星期三按运动要素(v,p,H)是否随时间变化，分：稳定流与非稳定流按地下水质点运动状态的混杂程度，分： 层流、紊流与过渡区流态按地下水有无自由表面，分为：承压流、无压流、承压—无压流按岩层透水性以及对地下水所起作用，分 隔水层、含水层、透水层（弱透水层）按渗流速度在空间上变化的特点，分 一维流、二维流、三维流（见下页）六、渗流分类现在是33页\一共有53页\编辑于星期三按渗流速度在空间上变化的特点，分

一维流、二维流、三维流

a.一维流：仅沿一个方向存在流速

b.二维流：沿两个方向存在分流速 分：平面二维流、剖面二维流）

c.三维流： 三个方向均存在分流速xyz渗流分类现在是34页\一共有53页\编辑于星期三三维流图示现在是35页\一共有53页\编辑于星期三岩层按渗透性分类按岩层渗透性随空间和方向变化特点，分

均质各向同性、均质各向异性、 非均质各向同性、非均质各向异性

几个概念： 各向同性、各向异性、均质、非均质现在是36页\一共有53页\编辑于星期三岩层按渗透性分类同一点各方向上渗透性相同的介质称为各向同性介质(isotropymedium)；同一点各方向上渗透性不同的介质称为各向异性介质(anisotropymedium)。均质(homogeneity)、非均质(inhomogeneity):指K于空间坐标的关系，即不同位置K是否相同；各向同性、各向异性:指同一点不同方向的K是否相同。现在是37页\一共有53页\编辑于星期三四种介质均质各向同性均质各向异性非均质各向同性非均质各向异性这两对概念可任意组合现在是38页\一共有53页\编辑于星期三四种介质在各向同性介质中K为标量；在各向异性介质中K为张量。思考题：就以上四种介质，分别举例说明自然界哪种岩层属于相应的介质类型。现在是39页\一共有53页\编辑于星期三小结上述分类标准不同，无从属关系，可以组合均质与非均质，各向同性与各向异性概念容易混淆各向同性K为标量，各向异性K为张量各向同性流场，J与v共线各向异性流场，J与v一般不共线现在是40页\一共有53页\编辑于星期三渗透系数的张量表示式达西定律的推广形式：各向同性介质各向异性介质§1.3各向异性介质中地下水流的达西定律现在是41页\一共有53页\编辑于星期三3.渗透系数张量的坐标轴转换渗透主轴方向与所选x,y,z方向一致时渗透主轴方向与所选x,y,z方向不一致时，须进行坐标转换以平面二维流问题为例：渗透系数张量的坐标轴转换现在是42页\一共有53页\编辑于星期三3.渗透系数张量的坐标轴转换渗透主轴方向与所选x,y,z方向不一致时，须进行坐标转换以平面二维流问题为例：设R为旋转矩阵渗透系数张量的坐标轴转换现在是43页\一共有53页\编辑于星期三定义：地下水在非均质岩层中运动，当水流通过渗透系数突变的分界面时，出现流线改变方向的现象折射定理几点讨论：(1)当K1≠K2，α1≠0,流线才会折射(2)当K1=K2，α1=α2(3)只有在0<α1<90，才会折射(4)在层界面上发生的流线折射并不改变地下水流总方向，总体流向仍受边界条件和源汇等控制。地下水通过非均质界面的折射现象现在是44页\一共有53页\编辑于星期三§1.4流网(flownets)一、定义渗流场中由一系列流线和等水头线（等势线）组成的网格称为流网。各向同性介质中流线与等水头线正交，流网为正交网格。因为各向同性介质中流速向量与水力坡度向量方向一致。各向异性介质中，流速向量与水力坡度向量方向不一致，因此流线与等水头线一般不正交。现在是45页\一共有53页\编辑于星期三二、各向同性介质中流网特征等水头线（面）与流线（面）正交；等水头线（面）与流线（面）不是两个独立问题，知道一方就可据正交原则推求另一方。正交网格中，每两条流线间的流量相等。现在是46页\一共有53页\编辑于星期三三、流网绘制：求解渗流场中运动要素的空间分布用数学方法求解运动方程：求解空间水头分布绘制等水头线；求解流函数绘制流线。物理模型模拟：水电比拟。现场测定（测定水头分布，绘制等水头线，再据正交原则绘制流线）信手流网：据流场边界性质和介质特性，半定量地绘制流网。现在是47页\一共有53页\编辑于星期三信手流网绘制原则：首先分析水文地质条件，搞清补给区、排泄区、或源汇项分布、边界条件等。先绘制肯定的流线和等水头线：隔水边界是流线，无入渗、无蒸发条件下潜水面是流线，湖泊、河流边界可看成等水头线，