康-第一章 渗流基本理论.pdf

第一章渗流的基本理论第一章渗流的基本理论§1 渗流的基本概念§2 渗流基本定律§3 §1 渗流的基本概念§2 渗流基本定律§3 地下水在均质各向异性介质中的运动特征地下水在均质各向异性介质中的运动特征§4 §4 地下水在非均质各向同性介质中的运动特征地下水在非均质各向同性介质中的运动特征§5 描述地下水运动的数学模型及解算方法§5 描述地下水运动的数学模型及解算方法1.1.11.1.1渗透及渗流渗透及渗流 渗透：地下水受重力作用在岩石空隙中的运动称为渗透地下水受重力作用在岩石空隙中的运动称为渗透§1 渗流的基本概念§1 渗流的基本概念地下水在岩石孔隙中的运动（渗透）地下水在岩石孔隙中的运动（渗透）普通水流与渗透普通水流与渗透共同点：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、连通性渗透的特点渗透的特点?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；?通常为缓变流针对复杂的地下水渗透运动，提出两种研究方法： 一种是以研究微观运动为主，采用统计平均的方法来确定地下水运动的宏观规律性； 另一种是从宏观角度出发，采用试验及数学分析方法，对大量微观运动进行宏观研究，得出各种运动条件下地下水运动的基本规律。

根据第二种研究方法对实际的地下水流动进行概化研究，给出渗流模型针对复杂的地下水渗透运动，提出两种研究方法： 一种是以研究微观运动为主，采用统计平均的方法来确定地下水运动的宏观规律性； 另一种是从宏观角度出发，采用试验及数学分析方法，对大量微观运动进行宏观研究，得出各种运动条件下地下水运动的基本规律根据第二种研究方法对实际的地下水流动进行概化研究，给出渗流模型：即假象的地下水在岩石空隙中的运动模型即假象的地下水在岩石空隙中的运动模型 发生渗流的区域称为渗流场 渗流场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发生渗流的区域称为渗流场 渗流场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理想）渗流模型（理想）渗流模型?理想渗流的概念理想渗流的概念：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：理想渗流等效简化原则：?理想渗流通过某断面的流量应等于通过该断面内孔隙面积的实际流量：理想渗流通过某断面的流量应等于通过该断面内孔隙面积的实际流量：质量等效质量等效。

理想渗流通过某岩层所受到的阻力与实际水流所受到的阻力相等：理想渗流通过某岩层所受到的阻力与实际水流所受到的阻力相等：能量等效能量等效作用于任一面积上的渗流压力或压强等于作用于该面积上的实际水流的渗透压力或压强作用于任一面积上的渗流压力或压强等于作用于该面积上的实际水流的渗透压力或压强孔隙颗粒AB概化后的理想渗流概化后的理想渗流地下水实际流速地下水实际流速—质点流速质点流速在以P点为中心的微体积上的平均值称为地下水在P点的实际流速在以P点为中心的微体积上的平均值称为地下水在P点的实际流速渗透流速渗透流速——假想渗流的速度，是假想的平均流速假想渗流的速度，是假想的平均流速∫=vVvdVuVPv0'1)(0渗流速度：又称渗透速度、比流量，是渗流在过水断面上的平均流速它不代表任何真实水流的速度，只是一种假想速度它描述的是渗流具有的平均速度，是渗流场空间坐标的连续函数，是一个虚拟的矢量实际平均流速：是多孔介质中地下水通过空隙面积的平均速度；地下水流通过含水层过水断面的平均流速，其值等于流量除以过水断面上的空隙面积，量纲为L/T它描述地下水锋面在单位时间内运移的距离，是渗流场空间坐标的离散函数渗流速度：又称渗透速度、比流量，是渗流在过水断面上的平均流速。

它不代表任何真实水流的速度，只是一种假想速度它描述的是渗流具有的平均速度，是渗流场空间坐标的连续函数，是一个虚拟的矢量实际平均流速：是多孔介质中地下水通过空隙面积的平均速度；地下水流通过含水层过水断面的平均流速，其值等于流量除以过水断面上的空隙面积，量纲为L/T它描述地下水锋面在单位时间内运移的距离，是渗流场空间坐标的离散函数渗透流速与实际流速关系渗透流速与实际流速关系unvunAAuvQuAvAeevv=====1.1.2 渗流的运动要素 渗流的运动要素是指描述渗流场中渗流运动特征的物理量，如渗流速度、渗流量、渗流压强、水头、水力坡度等 它们是时间和空间的函数 （1）渗流量及渗流速度单位时间通过渗流的运动要素 渗流的运动要素是指描述渗流场中渗流运动特征的物理量，如渗流速度、渗流量、渗流压强、水头、水力坡度等 它们是时间和空间的函数 （1）渗流量及渗流速度单位时间通过过水断面过水断面的水量称为通过该断面的渗流量，简称流量，用Q表示 过水断面系含水层断面，既包括空隙也包括固体骨架 通过单位过水断面的流量称为渗流速度，即的水量称为通过该断面的渗流量，简称流量，用Q表示 过水断面系含水层断面，既包括空隙也包括固体骨架。

通过单位过水断面的流量称为渗流速度，即 v=Q/Av=Q/A渗流过流断面渗流过流断面（2）渗流压强、水头与水力坡度（2）渗流压强、水头与水力坡度 地下水水头地下水水头：渗流场中任意一点的总水头近似等于测压水头测压水头，即:通常称为渗流水头 在水力学中定义总水头总水头:式中右端三项分别称为位头位头、 压头压头和速头速头 总水头为测压管水头和流速 水头之和γPZH+=guPZH22 ++=γ2001Z2Z1wh12总水头线测压管水头线22V gα测压管水头为位置水头与压力水头之和，压力水头：含水层中某点的压力水头（h）指以水柱高度表示的该点水的压强，量纲为L，即：h =P/g ，式中P为该点水的压强；为水的容重 速度水头：在含水层中的某点水所具有的动能转变为势能时所达到的高度，量纲为L，即，式中u为地下水在该点流动的速度；g为重力加速度 由于在地下水中水流的运动速度很小，故速头可以忽略，所以h近似等于H，即:意义：渗流场中任意一点的水头实际上反映该点单位质量液体具有的总机械能，地下水在运动过程中不断克服阻力，消耗总机械能，因此沿地下水流程，水头线是一条降落曲线γPZHn+=gργ=guhv22 =gu 22gPZPZHHnργ+=+=≈潜水含水层压强与水头潜水含水层压强与水头潜水含水层的压强与水头潜水含水层的压强与水头承压含水层压强与水头承压含水层压强与水头承压含水层的压强与水头承压含水层的压强与水头水力坡度水力坡度[水力梯度] ：在渗流场中大小等于梯度值，方向沿等水头面的法线并指向水头下降方向的矢量，用J表示。

式中——法线方向单位矢量在空间直角坐标系中，其三个分量分别为：ndndHJv−=nvzHJyHJxHJzyx∂∂−=∂∂−=∂∂−=,,流线流线：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流：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流速方向速方向都与这条曲线相切（某时刻各点流向的连线）都与这条曲线相切（某时刻各点流向的连线） （区别于）迹线（区别于）迹线：流体水质点在渗流场中某一时间段内的运动轨迹流体水质点在渗流场中某一时间段内的运动轨迹 等水头面等水头面：渗流场中水头值相同的各点相互连接所形成的一个面可以是平面也可为曲面渗流场中水头值相同的各点相互连接所形成的一个面可以是平面也可为曲面 等水头线等水头线：等水头面与某一平面的交线 等水头面上任意一条线上的水头都相等等水头面（线）在渗流场中是连续的，不同大小的等水头面（线）不能相交等水头面与某一平面的交线 等水头面上任意一条线上的水头都相等等水头面（线）在渗流场中是连续的，不同大小的等水头面（线）不能相交3）流线与流网（3）流线与流网流网流网：是由一系列等水头线：是由一系列等水头线与流线与流线组成的网格，称流网。

流网是描述渗流场中地下水流动状况的有效工具组成的网格，称流网流网是描述渗流场中地下水流动状况的有效工具概念概念概念概念 二维流网图二维流网图： 平面流网：潜水等水位线图，承压水等测压水位线图 剖面流网：含水量厚度较大时，常需要刻画剖面的水流平面流网：潜水等水位线图，承压水等测压水位线图 剖面流网：含水量厚度较大时，常需要刻画剖面的水流 流网特点流网特点：： ①①在各向同性介质中，流线与等水头线在各向同性介质中，流线与等水头线正交正交；在各向异性介质中，流线与等水头线；在各向异性介质中，流线与等水头线斜交斜交 ②②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）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）地下水动力学课程组地下水动力学课程组各向同性介质中流网特征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）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。

正交网格中，每两条流线间的流量相等定性绘制流网定性绘制流网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?思考回答思考回答：：?边界条件？有哪几类？边界条件？有哪几类？?流线起点和终点？等水头线如何控制？流线起点和终点？等水头线如何控制？?等流量如何确定？等流量如何确定？?“源源” （发散流线处）（发散流线处）?“汇汇” （ 吸收流线处）（ 吸收流线处）?“地下分水线地下分水线”—divide line（分水或分流处为divide line（分水或分流处为“流线流线”））?绘制步骤（简要）绘制步骤（简要）：1）寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线）2）分水线、源、汇的确定3）画出渗流场周边流线与条件4）中间内插流量等单宽量流量控制流线根数确定等水头差间隔：1）寻找已知边界（湿周，隔水边界，水位线）2）分水线、源、汇的确定3）画出渗流场周边流线与条件4）中间内插流量等单宽量流量控制流线根数确定等水头差间隔?参见河间地块流网图参见河间地块流网图等水头线 、流线与各类边界的关系等水头线 、流线与各类边界的关系已知边界已知边界a—湿周湿周b—隔水边界隔水边界c\d—水位线水位线河间地块流网的绘制河间地块流网的绘制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，中间内插流网图的应用流网图的应用 它反映了渗流场中地下水的它反映了渗流场中地下水的流动流动状况，同时也是状况，同时也是介质场介质场与与势场势场的综合反映。

提供这两方面的信息：的综合反映提供这两方面的信息：1、可以确定任意点的水头值（H），并了解其变化规律1、可以确定任意点的水头值（H），并了解其变化规律图中A点水头？H图中A点水头？HAA与H与HBB的大小？的大小？2、确定水力梯度J 的大小，及其变化规律2、确定水力梯度J 的大小，及其变化规律图中A点的J？J图中A点的J？JAA与J与JBB比较谁大？比较谁大？3、确定渗透流速V的大小，及其变化规律3、确定渗透流速V的大小，及其变化规律图中A点的V图中A点的VAA？V？VAA与 V与 VBB？？4、渗流场内的流量分布情况4、渗流场内的流量分布情况（如果要打井取水，井布置在何处为什么？）（如。