地下水运动的基本规律.ppt

第四章 地下水运动的基本规律,4.0 几个概念,4.1 重力水运动的基本规律,4.1.1 达西定律线性渗透定律,4.1.2 渗透流速（V）,4.1.3 水力梯度（I）,4.1.4 渗透系数（K）,4.1.6 达西定律的适用范围,4.1.5 地下水渗流的思考、总结,4.3 流网,岩层透水特征分类,4.3.2 层状非均质介质中的流网,4.3.1 均匀各向同性介质中的流网（信手流网的绘制）,4.2 饱水粘性土中水（结合水）的运动规律,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,第四章 地下水运动的基本规律,第四章 地下水运动的基本规律,第四章 地下水运动的基本规律,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,第四章 地下水运动的基本规律,4.1 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,第四章 地下水运动的基本规律,？,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。,第四章 地下水运动的基本规律,第四章 地下水运动的基本规律,4.1.2 渗透流速（V）,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。,第四章 地下水运动的基本规律,4.1.4 渗透系数（K）,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。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,第三章 地下水的赋存,推断含水层岩性或厚度的变化,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,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,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,从微观角度研究地下水运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,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I0称为起始坡降。这时，达西定律可修改为：V=K（I-I0）。当坡降很小，II0时，没有渗流发生。II0，就是达西定律适用的下限。,第四章 地下水运动的基本规律,VI关系为通过原点的直线，服从达西定律,VI曲线不通过原点，水力梯度小于某一值I0时无渗透；大于I0时，起初为一向I轴凸出的曲线，然后转为直线,4.2 饱水粘性土中水（结合水）的运动规律,第四章 地下水运动的基本规律,VI曲线通过原点，I小时曲线向I轴凸出，I大时为直线。（以此种情况居多）说明：只要施加微小的水力梯度，结合水就会流动，但此时的V十分微小；随着I加大，曲线斜率（K）逐渐增大，然后趋于定值,较多的学者认为，粘性土（包括相当致密的粘土在内）中的渗透，通常仍然服从达西定律。例如，奥尔逊曾用高岭土作渗透试验，加压固结使高岭土孔隙度从58.8降到22.5，施加水力梯度I=0.240，结果得出V-I 关系为一通过原点的直线。他解释说，这是因为高岭土颗粒表面的结合水层厚度相当于2040 个水分子，仅占孔隙平均直径的2.53.5，所以对渗透影响不大；对于颗粒极其细小的粘土，尤其是膨润土，结合水则有可能占据全部或大部孔隙，从而呈现非达西渗透。,第四章 地下水运动的基本规律,结合水的运动规律：,曲线通过原点，说明只要施加微小的水力梯度，结合水就会流动，但此时的渗透流速 V 十分微小。随着 I 加大，曲线斜率（表征渗透系数 K）逐渐增大，然后趋于定值。,结合水：,非牛顿流体，性质介于固体与液体之间的异常液体，外力必须克服其抗剪强度才能流动。,第四章 地下水运动的基本规律,结合水的抗剪强度随着离颗粒表面距离的加大而降低；施加的水力梯度很小时，只有孔隙中心（距离颗粒较远）抗剪强度较小的那部分结合水发生运动；随着 I 增大，参与流动的结合水层厚度加大，即对水流动有效的孔隙断面扩大。因此，隐渗流阶段的 K 值是 I 的函数。,由于内层结合水的抗剪强度随着靠近颗粒表面而迅速增大，当 I 进一步增大时，参与流动的结合水的厚度没有明显扩大，此时，K 即趋于定值。,第四章 地下水运动的基本规律,4.3 流网准备知识,第四章 地下水运动的基本规律,4.3 流网准备知识,1元=100分=10分x10分=0.1元x0.1元=0.01元=1分,=100分=10分/个x10个=0.1元/个x10个=0.01元/个100个,第四章 地下水运动的基本规律,4.3 流网,第四章 地下水运动的基本规律,渗流场内可以作出一系列等水头面和流面。在渗流场的某一典型剖面或切面上，由一系列等水头线与流线组成的网格称为流网,流线是渗流场中某一瞬时的一条线，线上各水质点在此瞬时的流向均与此线相切。,迹线是渗流场中某一时间段内某一水质点的运动轨迹。,流线可看作水质点运动的摄影，迹线则是对水质点运动所拍的电影。在稳定流条件下，流线与迹线重合。,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,4.3 流网,第四章 地下水运动的基本规律,第四章 地下水运动的基本规律,岩层透水特征分类,1）均质与非均质,均质岩层：渗流场中所有点都具有相同参数的岩层,非均质岩层：渗流场中各点并不都具有相同参数的岩层，渗透系数 K=K（x，y，z），为坐标的函数。分为两类，即渐变的和突变的,2）各向同性与各向异性,各向同性岩层：渗流场中某一点的渗透系数不取决于方向，即不管渗流方向如何都具有相同渗透系数的岩层,各向异性岩层：渗流场中某一点的渗透系数取决于方向，渗透系数随渗流方向不同而不同的岩层,第四章 地下水运动的基本规律,岩层透水特征分类,3）各向同性与各向异性,均质 各向同性 岩土 均匀砂或砾石土,均质 各向异性 岩土 均质并发育垂直大孔隙的黄土层,非均质 各向同性 岩土 双层结构的土层,非均质 各向异性 岩土 裂隙、岩溶含水介质大多属于此类岩土,第四章 地下水运动的基本规律,第四章 地下水运动的基本规律,第四章 地下水运动的基本规律,4.3.1 均匀各向同性介质中的流网（信手流网的绘制）,定水头边界：地表水体的断面一般可看作等水头面。eg：河流的湿周（湿周：过流断面上流体与固体壁面接触的周界线，称为湿周。湿周是过水断面的重要水力要素之一，湿周越大水流阻力及水头损失也越大。）；湖泊的边界。,隔水边界：无水流通过，即通量为零（通量：单位时间单位面积物质的流通量或热流通量），而流线本身就是“零通量”边界。,1）等水头线、流线与各类边界的关系,第四章 地下水运动的基本规律,地下水面比较复杂，当无入渗补给及蒸发排泄，有侧向补给，做稳定流动时，地下水面是一条流线。,当有入渗补给时，它既不是流线，也不是等水头线。,注意：流线总是从“源”“汇”，据此可以判断流线方向；渗流场中具有一个以上补给点或排泄点时，首先要确定分流线，分流线是虚拟的隔水边界。,第四章 地下水运动的基本规律,2）绘制流网的途径,利用野外实地观测到渗流区各已知点的水位资料结合边界条件来绘制；可采用物理模拟或数值模拟方法获得水位资料；有时为了分析渗流区的水文地质条件，通常根据研究区已知的补给、排泄及边界特征来绘制。,第四章 地下水运动的基本规律,3）均匀各向同性介质流网的特征（信手流网应注意的问题）,流线与等势线互相正交；流线与等势线构成的各个网格的长宽比为常数，当长宽比为1时，网格为曲线正方形，这也是最常见的一种流网；相邻等势线之间的水头损失相等；各个流槽的渗流量相等。,流网中等势线越密的部位，水力梯度越大；流线越密的部位，流速越大。,第四章 地下水运动的基本规律,4）信手流网绘制例1,下图表示了一个下部为水平隔水底板的均质各向同性河间地块，有均匀稳定的入渗补给，两河排泄地下水，河水位相等且保持不变。,第四章 地下水运动的基本规律,第四章 地下水运动的基本规律,第四章 地下水运动的基本规律,由分水岭到河谷，流向从由上向下到接近水平再向上 在分水岭地带打井，井中水位随井深加大而降低，河谷地带井水位则随井深加大而抬升；由分水岭到河谷，流线愈来愈密集，流量增大，地下径流加强；由地表向深部，地下径流减弱；由分水岭出发的流线，渗透途径最长，平均水力梯度最小，地下水径流交替最弱，近流线末端河谷下方，地下水的矿化度最高。,从这张简单的流网图可以获得以下信息：,第四章 地下水运动的基本规律,4）信手流网绘制例2,第四章 地下水运动的基本规律,第四章 地下水运动的基本规律,4）信手流网绘制例2,第四章 地下水运动的基本规律,第四章 地下水运动的基本规律,1）已知某向斜盆地中，有一承压砂岩含水层，由大气降水补给，以泉群形式呈线状排泄，水位稳定。含水层等厚均质各向同性，平面上流线平行，其剖面如图所示。点A、B、C、D、E、F分别在同一铅直面上。A、C、E是沿隔水顶板流线上的三个点；B、D、F是沿隔水底板流线上的三个点。画出向斜盆地的流网图。,第四章 地下水运动的基本规律,2）已知山前倾斜平原中有一厚度很大的第四系潜水含水层，含水层为均质各向同性，被一条南北向延长的不完整河切割。右侧地下水向河流排泄，左侧河流补给地下水。无垂向入渗和蒸发，河流左岸有一口不完整井进行长时间抽水，并已趋向稳定。画出平面和剖面流网图，反映地下水与河、井之间的补、排关系。在平面及剖面图上指明地下水的分水点、分流线（面）（用不同颜色笔标注出来）。,第四章 地下水运动的基本规律,第四章 地下水运动的基本规律,1）当两层厚度相等，流线平行于层面流动时，两层中的等水头线间隔分布一致，K2层中流线密度为K1层的3倍。即更多的流量通过渗透性好的K1层运移,4.3.2 层状非均质介质中的流网,层状非均质：介质场内各岩层内部渗透性均为均质各向同性的，但不同层介质的渗透性不同。（非均质各向同性）,第四章 地下水运动的基本规律,第四章 地下水运动的基本规律,2）K1与K2两层长度相等，流线恰好垂直于层面，这时通过两层的流线数相等。K1层中等水头线的间隔数为K2层的3倍。即通过流量相等，渗透途径相同情况下，在渗透性差的K1层中消耗的机械能是K2层的3倍。,第四章 地下水运动的基本规律,第四章 地下水运动的基本规律,3）流线与岩层界线既不平行，也不垂直，而以一定角度斜交。这种情况下，当地下水流线通过具有不同渗透系数的两层边界时，必然像光线通过一种介质进入另一种一样，发生折射。,发生折射时，服从以下规律：,为了保持流量相等（Q1=Q2），流线进入渗透性好的K2层后将更加密集，等水头线的间隔加大（dl2dl1）。,第四章 地下水运动的基本规律,第四章 地下水运动的基本规律,4.3.3 强、弱透镜体,当含水层中存在弱渗透性透镜体时，流线将绕流。,第四章 地下水运动的基本规律,当含水层中存在强渗透性透镜体时，流线将向其汇聚。,