地下水的运动.pptx
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1、第一节 重力水的运动第1页/共62页一、概念一、概念 1.1.渗透与渗流渗透与渗流 渗透渗透地下水在岩石中的运动。地下水在岩石中的运动。渗流渗流假想岩石的空间全被水流充满的水流。假想岩石的空间全被水流充满的水流。第2页/共62页第3页/共62页第4页/共62页第5页/共62页2.层流和紊流 水力学研究水在管、渠(明流)流速快 多孔介质,空隙细小,水流很缓慢渗流 从流态来看地下水多为层流(除岩溶管道外),很少紊流 第6页/共62页对于孔隙岩土层用巴甫洛夫斯基公式:vc=Rc(0.75n+0.23)v/d10 vc临界渗透流速;Rc临界雷诺数,对于同类结构的岩土层,其值相同,一般取79;n岩土层的
2、孔隙度;v粘滞运动系数;d10土的有效直径。当vvc时,地下水呈紊流状态。对于裂隙岩层,临界水力坡度Ic:Ic=0.00252(1-0.96a0.4)(1+6a1.5)/b b裂隙宽度,cm;a裂隙相对粗糙度,a=e/b;e裂隙绝对粗糙度。第7页/共62页3.稳定流和非稳定流稳定流和非稳定流稳定流:p=f1(x,y,z);v=f2(x,y,z)非稳定流:p=f1(x,y,z,t);v=f2(x,y,z,t)运动要素运动要素:流速、流量、压强、水头流速、流量、压强、水头第8页/共62页4.地下水运动的空间变化类型承压含水层的单向运动线状流(一维流运动)第9页/共62页4.地下水运动的空间变化类型
3、平面流平面流(二维流)(二维流)(二维流)(二维流)若固定平面是水平面时,该平面称为平面的平面流;若固定平面是一铅垂面时,则称为剖面的平面流第10页/共62页空间流(三维流)4.地下水运动的空间变化类型地下水运动的空间变化类型第11页/共62页达西H.Darcy 是法国水力学家,1856年通过大量的室内实验得出的渗流定律.实验条件:试验装置图 1)等径圆筒装入均匀砂样,断面为 2)上(下各)置一个稳定的溢水装置稳定水流 3)实验时上端进水,下端出水测出水量Q示意流线 4)砂筒中安装了2个测压管二、线性渗流定律二、线性渗流定律第12页/共62页通过变水头,多次实验得出:出水端的流量Q与砂柱面积、
4、测压管水头差 h 之间的关系为:表达式(1)Q 渗透流量;砂柱断面面积;h 水头损失;L 渗流途径;K渗透系数,m/d或cm/s。由水力学中水动力学基本原理:表达式(2)Q=K I 二、线性渗流定律二、线性渗流定律第13页/共62页达西公式的另一种表达式达西公式的另一种表达式 由由QQ=v v 得得v=KI=-KdH/dlv=KI=-KdH/dl达西定律的实质:实际上是能量守恒与能量转换定律在渗流中的表现形式。因为 二、线性渗流定律二、线性渗流定律v也称为单位面积上的流量即比流量 与水力梯度是一次方正比关系故达西定律又称为线性渗透定律第14页/共62页思考:曲线中1 1与2 2号样品,是什么式
5、样?岩性特征如何?砂样vI O12v=K I (3)1.1.渗流速度渗流速度v v第15页/共62页Q=K.I.=v 过水断面与水力学中的水流过断面是否一致?否 过水断面 是假想的断面 实际孔隙断面应为.n(孔隙度)而实际水流断面 为.ne(有效孔隙度)Q/=v 比照水力学的实际流速 Q/=u 得出地下水渗透流速与平均实际流速的关系:v u ne 渗流速度v:是假设水流通过整个岩层断面(骨架+空隙)时所具有的虚拟的平均流速。意义:研究水量时,只考虑水流通过的总量与平均流速,而不去追踪实际水质点的运移轨迹简化的研究参见过水断面比较图1.1.渗流速度渗流速度v v第16页/共62页过水断面()实际
6、过断面()过水断面与实际过水断面 1.1.渗流速度渗流速度v v第17页/共62页2、水力坡度、水力坡度I定义 I:是沿渗流途径上的水头损失与相应的渗流长度之比.水力学中水力坡度:单位距离上的水头损失物理涵义上来看I:代表着渗流过程中,机械能的损失率。在地下水渗流研究中任意点的水头表达式:由于2/2g 很小,而被忽略 因此,总水头 测压水头总水头测压水头速度水头第18页/共62页有些教科书中也称为水力传导率定义:水力梯度为 I 1 时的渗透流速(vK.I)渗透系数具有速度量纲 由公式v K.I 分析:当I一定时,岩层的 K 愈大,则 V 也愈大,Q 也大。因此,渗透系数 K 是表征岩石透水性的
7、定量指标。3、渗透系数、渗透系数K参见VI关系图第19页/共62页3、渗透系数、渗透系数K层流条件下,圆管中(图A)过水断面的平均流速为:d圆管的直径;水的重率;V水的粘滞系数;I水力坡度。把多孔介质的孔隙理想化成由一系列细小的圆管状孔隙所组成(图B),孔隙度保持不变,渗透速度可写成:第20页/共62页3、渗透系数、渗透系数K与达西定律比较,可得:用内在渗透率K0表示单纯岩石的渗透性能:计算渗透系数的经验公式:哈赞公式计算渗透系数的经验公式:哈赞公式d d1010颗粒的有效直径,颗粒的有效直径,mmmm,即颗粒的累积含量等于,即颗粒的累积含量等于l0l0的颗粒直径。的颗粒直径。公式适用于粒径公
8、式适用于粒径0.10.10.3mm0.3mm的砂,不均匀系数的砂,不均匀系数d d1010/d/d606055的情况。的情况。第21页/共62页松散岩石名称松散岩石名称松散岩石名称松散岩石名称渗透系数渗透系数渗透系数渗透系数 (m/d)(m/d)松散岩石名称松散岩石名称松散岩石名称松散岩石名称渗透系数渗透系数渗透系数渗透系数(m/d)(m/d)亚粘土亚粘土亚粘土亚粘土0.001-0.100.001-0.10中中中中 砂砂砂砂5-205-20亚砂土亚砂土亚砂土亚砂土0.10-0.500.10-0.50粗粗粗粗 砂砂砂砂20-5020-50粉粉粉粉 砂砂砂砂0.50-1.00.50-1.0砾砾砾砾
9、 石石石石50-15050-150细细细细 砂砂砂砂1.0-5.01.0-5.0卵卵卵卵 石石石石100-500100-500松散岩石渗透系数参考值3、渗透系数、渗透系数K第22页/共62页3、渗透系数、渗透系数K按岩层透水性能不同,分类:(一)按岩层渗透系数大小不同 透水层 强透水层 弱透水层 隔水层(二)按渗透系数随空间位置变化程度不同 均质含水层 非均质含水层(三)按渗透系数是否随渗流方向改变 各向同性含水层 各向异性含水层第23页/共62页4.达西定律适用范围达西定律适用范围雷诺数雷诺数Re=vd/V Re=vd/V Re10 Re100 Re100 紊流紊流第24页/共62页5.达西
10、定律应用达西定律应用由由I=-dh/dsI=-dh/ds 得某断面单宽流量得某断面单宽流量q=KIh=-Khdh/dsq=KIh=-Khdh/ds 即(即(q/Kq/K)ds=-hdhds=-hdh经积分变换得经积分变换得q/k(Sq/k(S2 2-S-S1 1)=(h)=(h1 12 2-h-h2 22 2)/2)/2令令S S2 2-S-S1 1=L,=L,得得q=K(hq=K(h1 12 2-h-h2 22 2)/2L)/2L =K(h =K(h1 1+h+h2 2)/2*(h)/2*(h1 1-h-h2 2)/L)/L令令m m=(h=(h1 1+h+h2 2)/2)/2;I I=(h
11、=(h1 1-h-h2 2)/L)/L 则则q=Kq=Kmm*I I如该断面渗流宽度为如该断面渗流宽度为B B,则整个断面上渗流量,则整个断面上渗流量 Q=KB(hQ=KB(h1 1+h+h2 2)/2*(h)/2*(h1 1-h-h2 2)/L)/L第25页/共62页三、非线性渗透定律三、非线性渗透定律哲才定律(紊流运动)Q=kwIQ=kwI1/21/2V=kIV=kI1/21/2混合流定律Q=kwIQ=kwI1/m1/mV=kIV=kI1/m1/m式中式中mm为流态指数,为流态指数,1m21m2时为混合流定律时为混合流定律 m=1m=1时,时,V=kIV=kI为达西定律为达西定律 m=2m
12、=2时,时,V=kIV=kI1/21/2为哲才定律为哲才定律第26页/共62页 渗流场:地下水流动(运动)的空间流网是描述渗流场中地下水流动状况的有效工具 流网:是由一系列等水头线与流线组成的网格,称流网。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速方向都与这条曲线相切(某时刻各点流向的连线)(迹线:流体水质点在渗流场中某一时间段内的运动轨迹)等水头线:在某时刻,渗流场中水头相等各点的连线(水势场的分布)四、流网四、流网第27页/共62页常见的二维流网图: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 流网特点:在各向同性
13、介质中,流线与等水头线正交;在各向异性介质中,流线与等水头线斜交 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)四、流网四、流网第28页/共62页定性流网的绘制(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 精确流网受许多条件(资料不足等)制约,很难办到 思考:绘制流网需要考虑渗流场的哪些条件?绘制步骤(简要):寻找已知边界(湿周,隔水边界,水位线)分水线、源、汇的确定 画出渗流场周边流线与条件 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边界性质图参见河间地块流网四、流网四、流网第29页/共62页定性流网绘制定性流网绘制定性流网绘
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