地下水的渗流运动.ppt

第十章第十章 地下水的渗流运动地下水的渗流运动10.1 10.1 渗流的基本概念渗流的基本概念 10.2 10.2 地下水运动的基本定律地下水运动的基本定律 110.1 10.1 渗流的基本概念渗流的基本概念一、渗流一、渗流 地下水在岩石空隙中的运动称为地下水在岩石空隙中的运动称为渗透渗透( (流流) )发生渗流的区域称为发生渗流的区域称为渗流场渗流场岩石具有被水透过的性质称为岩石具有被水透过的性质称为渗透性渗透性( (透水性透水性) )210.1 10.1 渗流的基本概念渗流的基本概念引入引入理想渗流的概念理想渗流的概念：地下水充满整个含水层（包括空隙：地下水充满整个含水层（包括空隙和固体骨架）和固体骨架） 理想渗流应具有以下性质：理想渗流应具有以下性质： Ø理想渗流通过任意断面的流量应等于真实水流通过同一理想渗流通过任意断面的流量应等于真实水流通过同一断面的实际流量断面的实际流量 Ø理想渗流在任意断面的压力或水头必须等于真实水流在理想渗流在任意断面的压力或水头必须等于真实水流在同一断面的压力或水头同一断面的压力或水头Ø理想渗流通过岩石所受到的阻力必须等于真实水流所受理想渗流通过岩石所受到的阻力必须等于真实水流所受到的阻力。

到的阻力3概化后的理想渗流概化后的理想渗流410.1 10.1 渗流的基本概念渗流的基本概念二、过水断面和渗透速度二、过水断面和渗透速度Ø 过水断面过水断面 指指含含水水层层中中水水与与渗渗流流流流向向垂垂直直的的的的断断面面，，包包括括骨骨架架和和空空隙隙在在内内的的断断面面可可以以是是平平面面，，也也可可是是曲曲面面，，其其大大小小可可随随渗渗流方向变化流方向变化 实际过水断面面积：实际过水断面面积：扣除结合水所占据的范围以外的空扣除结合水所占据的范围以外的空隙面积510.1 10.1 渗流的基本概念渗流的基本概念Ø渗透速度渗透速度 一一种种假假想想的的流流速速，，不不是是地地下下水水的的真真正正渗渗透透流流速速，，而而是是假假设设水水流流通通过过包包括括骨骨架架与与空空隙隙在在内内的的整整个个断断面面时时所所具具有有的的一一种种虚虚拟拟流速 渗透流速（渗透流速（V）） 实际流速实际流速（（u）） 两者的关系：两者的关系： ne有效孔隙度有效孔隙度，为重力水流动的空隙空间为重力水流动的空隙空间6渗透流速与实际流速关系渗透流速与实际流速关系710.1 10.1 渗流的基本概念渗流的基本概念三、水力坡度三、水力坡度 指指沿沿渗渗透透途途径径上上的的水水头头降降低低值值( (损损失失) )与与相相应应的的渗渗流流长长度度之之比。

比 物物理理含含义义：：代代表表渗渗流流过过程程中中，，单单位位渗渗透透途途径径上上机机械械能能的的损损失失 渗渗流流过过程程中中总总机机械械能能的的损损耗耗原原因因( (与与水水力力学学相相近近) )：：液液体体的的粘粘滞滞性性( (水水质质点点间间的的摩摩檫檫阻阻力力) )及及固固体体颗颗粒粒表表面面对对水水流流的的反反作作用用力力( (水与隙壁间的阻力水与隙壁间的阻力) )810.1 10.1 渗流的基本概念渗流的基本概念三、水力坡度三、水力坡度 总水头总水头 测压水头测压水头 速度水头速度水头机械能机械能 势能势能 动能动能伯努利定律：伯努利定律：由于由于u很小，速度水头可忽略，故图中很小，速度水头可忽略，故图中A、、B两点的水头差为两点的水头差为: :9由于水力坡度是变化的，故可用微分形式表示：由于水力坡度是变化的，故可用微分形式表示：正向为指向水头增高的方向正向为指向水头增高的方向1010.1 10.1 渗流的基本概念渗流的基本概念四、流线与流网四、流线与流网流流线线：：某某时时刻刻在在渗渗流流场场中中画画出出的的一一条条空空间间曲曲线线，，该该曲曲线线上各个水质点的流速方向都与这条曲线相切。

上各个水质点的流速方向都与这条曲线相切迹迹线线：：流流体体水水质质点点在在渗渗流流场场中中某某一一时时间间段段内内的的运运动动轨轨迹迹（稳定流条件下流线与迹线重合）稳定流条件下流线与迹线重合）等等水水头头面面：：渗渗流流场场中中水水头头值值相相等等的的各各点点连连接接起起来来在在空空间间上构成的面可以是平面或是曲面上构成的面可以是平面或是曲面等水头线：等水头线：平面上或剖面上水头相等的线平面上或剖面上水头相等的线1110.1 10.1 渗流的基本概念渗流的基本概念四、流线与流网四、流线与流网流流网网：：渗渗流流场场某某一一典典型型剖剖面面或或切切面面上上，，由由一一系系列列等等水水头头线线与与流线流线组成的正交网格剖面流网、平面流网）组成的正交网格剖面流网、平面流网）流流网网示示意意图图平行流网平行流网辐射流网辐射流网1210.1 10.1 渗流的基本概念渗流的基本概念四、流线与流网四、流线与流网 流网特点：流网特点：1.1. 流线与等水头线垂直（正交）；流线与等水头线垂直（正交）；2.2. 相相邻邻两两条条等等势势线线间间的的势势差差为为常常量量，，相相邻邻两两条条流流线线间的通量为常量；间的通量为常量；3. 3. 等等水水头头线线（（面面））与与流流线线（（面面））不不是是两两个个独独立立问问题题，，知道一方就可据正交原则推求另一方。

知道一方就可据正交原则推求另一方1310.1 10.1 渗流的基本概念渗流的基本概念五、地下水运动的分类五、地下水运动的分类 1. 1. 层流与湍（紊）流层流与湍（紊）流 层流：层流：水质点作有秩序、互不混杂的流动水质点作有秩序、互不混杂的流动 紊流：紊流：水质点作无秩序、互相混杂的流动水质点作无秩序、互相混杂的流动 地下水多为层流（除在宽大空隙中，如岩溶管道、宽大裂隙）地下水多为层流（除在宽大空隙中，如岩溶管道、宽大裂隙） 2. 2. 稳定流与非稳定流稳定流与非稳定流 稳定流：稳定流：水流运动要素（水位、流速、流向等）不随时间改变水流运动要素（水位、流速、流向等）不随时间改变 非稳定流：非稳定流：运动要素随时间改变的水流运动运动要素随时间改变的水流运动 地下水普遍呈非稳定流运动，稳定流是其特殊情况地下水普遍呈非稳定流运动，稳定流是其特殊情况1410.1 10.1 渗流的基本概念渗流的基本概念五、地下水运动的分类五、地下水运动的分类 3. 3. 缓变运动与急变运动缓变运动与急变运动 天然状态下，地下水多属缓变运动其天然状态下，地下水多属缓变运动。

其特征特征：： (1) (1)流线弯曲很小或曲率半径很大，近似于直线；流线弯曲很小或曲率半径很大，近似于直线； (2) (2)相邻流线间夹角很小或近于平行相邻流线间夹角很小或近于平行 这时，各过水断面可看成是一个平面，在同一过水断面上这时，各过水断面可看成是一个平面，在同一过水断面上各点的水头相等，因此，这种假设可将三维流简化为二维流，各点的水头相等，因此，这种假设可将三维流简化为二维流，从而解决复杂的三维流计算问题从而解决复杂的三维流计算问题 不具备上述条件的称为不具备上述条件的称为急变运动急变运动1510.2 10.2 地下水运动的基本定律地下水运动的基本定律一、达西定律一、达西定律—线性渗透定律线性渗透定律Ø实验条件：实验条件：（（1 1）等径圆筒装入均）等径圆筒装入均匀砂样，断面面积匀砂样，断面面积ω（（2 2）上游置一个稳定的溢水装置）上游置一个稳定的溢水装置————保持稳定水头保持稳定水头（（3 3）实验上端进水，下端出水）实验上端进水，下端出水————示示意流线意流线（（4 4）圆筒中上、下断安装测压管）圆筒中上、下断安装测压管————测定两个断面的水头，水头差为测定两个断面的水头，水头差为h；两；两断面相距断面相距L（（5 5）下端出口测定流量为）下端出口测定流量为Q。

断面断面1断面断面2QLhH2H1OO’ω1610.2 10.2 地下水运动的基本定律地下水运动的基本定律Ø 达西定律表达式：达西定律表达式： 水力学中：水力学中： 达西定律另一表达式：达西定律另一表达式： 渗透系数渗透系数K：：水力梯度为水力梯度为1 1时的渗透流速，具速度量纲时的渗透流速，具速度量纲 由由V=KI，，当当I一一定定时时，，岩岩层层的的K愈愈大大，，则则V越越大大，，Q也也越越大大因因此此，，渗渗透透系系数数是是表表征征岩岩石石透透水水性性的的指指标标K越越大大，，岩岩石石的透水能力越强的透水能力越强1710.2 10.2 地下水运动的基本定律地下水运动的基本定律Ø渗透系数影响因素：渗透系数影响因素：与流体物理性质（重度、粘滞与流体物理性质（重度、粘滞性等）及岩石性质（性等）及岩石性质（？？）有关Ø达西定律的微分形式：达西定律的微分形式：1810.2 10.2 地下水运动的基本定律地下水运动的基本定律Ø达西定律的适用范围：达西定律的适用范围： 地地下下水水必必须须保保持持层层流流运运动动才才符符合线性定律合线性定律 近近年年来来的的实实验验表表明明，，当当地地下下水水为为流流速速较较大大的的层层流流运运动动，，V-IV-I开开始始偏离一直线，不符合达西定律。

偏离一直线，不符合达西定律 雷雷诺诺数数（（ReRe））为为1-101-10的的层层流流才才符合达西定律符合达西定律 天天然然条条件件下下地地下下水水的的渗渗流流速速度度通通常常很很缓缓慢慢，，绝绝大大部部分分为为层层流流运运动动，，一一般般可可用用线线性性定定律律描描述述其其运运动规律1910.2 10.2 地下水运动的基本定律地下水运动的基本定律二、非线性渗透定律二、非线性渗透定律Ø 紊流：紊流： 哲才公式哲才公式Ø 混合流：混合流：介于层流与紊流之间的水流介于层流与紊流之间的水流 斯姆莱盖尔公式斯姆莱盖尔公式2010.3 10.3 地下水流向井的稳定流理论地下水流向井的稳定流理论一、取水构筑物的类型一、取水构筑物的类型Ø垂直取水构筑物垂直取水构筑物 构筑物的设置方向与地表相垂直构筑物的设置方向与地表相垂直 Ø水平取水构筑物水平取水构筑物 构筑物的设置方向与地表大体相平行构筑物的设置方向与地表大体相平行 21潜水井类型潜水井类型 承压水井类型承压水井类型 垂直取水构筑物垂直取水构筑物水平取水构筑物水平取水构筑物2210.3 10.3 地下水流向井的稳定流理论地下水流向井的稳定流理论二、地下水流向潜水完整井的稳定流二、地下水流向潜水完整井的稳定流 当当在在潜潜水水完完整整井井中中进进行行长长时时间间的的定定流流量量抽抽水水之之后后，，井井中中的的水水位位和和出出水水量量都都会会达达到到稳稳定定状状态态，，此此时时的的水水流流称称为为潜潜水水稳稳定定流流。

在在抽抽水水井井周周围围亦亦会会形形成成有有规规则则的的稳稳定定的的圆圆形形漏漏斗斗状状的的潜潜水水面面称称为为降降落落漏漏斗斗，，漏漏斗斗的的半半径径R称称为为影影响响半半径径，，井井中中的的水水面面下下降降值值 s 叫叫水水位位下下降降值值（（降降深深）），，从从井井中中抽抽出出的的水水量量称称单单井井出出水水量量 如图示如图示23潜潜水水完完整整井井流流示示意意图图公式推导假设条件公式推导假设条件1 1．．含含水水层层为为均均质质各各向向同同性，含水层的底板隔水；性，含水层的底板隔水；2 2．天然水力坡度为零．天然水力坡度为零3 3．．抽抽水水时时，，影影响响半半径径范范围围内内无无渗渗入入、、无无蒸蒸发发，，每每个个过过水水断断面面上上流流量量不不变变；；在在影影响响半半径径的的圆圆周周上为定水头边界；上为定水头边界；24潜水完整井稳定流方程推导潜水完整井稳定流方程推导 根据假定条件，抽水一定时间后：根据假定条件，抽水一定时间后： 平平面面上上：：地地下下水水呈呈径径向向向向井井流流动动，，等等水水位位线线为为同同心心圆状 剖剖面面上上：：在在井井附附近近，，I I 大大，，远远离离井井，，I I 减减小小。

等等势势线线在在井井附附近近密密集集将将等等水水头头线线视视为为铅铅垂垂面面，，因因而而渗渗流流断面视为圆柱形断面视为圆柱形25由于是径向流，这里我们采用极坐标，取向外为正由于是径向流，这里我们采用极坐标，取向外为正取隔水底板为基准面，则：取隔水底板为基准面，则：根据达西定律和假定条件：根据达西定律和假定条件： 取取Q抽水为正，而抽水为正，而 h 随随 r 的增大而增大，所以上述微的增大而增大，所以上述微分方程右端没有负号分方程右端没有负号潜水完整井稳定流方程推导潜水完整井稳定流方程推导26。