地下水在岩石空隙中的运动称为渗流课件

水文地质学水文地质学 第五讲第五讲 地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律 *2 OUTLINE 与地下水运动有关的几个基本概念 重力水运动的基本规律 Darcy试验与Darcy定律 渗透、渗透速度及渗透系数的概念 流网 流网的基本概念与绘制原则 流网的用途 饱和粘性土中水的运动规律 本章的核心问题 地下水是如何运动的？ 你想象一下，是怎样一个状况？ 如何去认识地下水的运动？ 如何刻画地下水的运动？ 在实际工程应用中，如何运用地下水运动的 规律？ *4 几个基本概念 地下水在岩石空隙中的运动称为渗流，或者渗透。渗 流比地表水的运动缓慢得多。 层流与紊流： 在岩石空隙中渗流时，水的质点作有序的、互不混杂的流动 ，称作层流运动。 在岩石空隙中渗流时，水的质点无序地、互相混杂的流动， 称作紊流运动。 稳定流与非稳定流： 水在渗流场中运动时，各个运动要素（水位、流速、流向等 ）不随时间而改变的渗流，称作稳定流； 运动要素随时间而变化的渗流称作非稳定流。 *5 重力水运动的基本规律 1856年法国水力学家达 西通过大量的试验，总 结得出重力水运动的线 性渗透规律。 达西试验： 在装有砂的圆筒中进行； 圆筒上下各设置一个测压 管； 采取溢流措施来控制常水 头； 达西定律试验 *7 达西定律重力水运动的基本规律 根据大量的试验，得到如下关系式： 上式即为达西公式，等式两边除以面积，得另一个表达式： 达西定律可表述为：地下水的渗透流速与水力梯度的一 次方成正比。故又称作线性渗透定律。 *8 达西定律要素分析：渗透流速（v） 达西公式中的过水断面是指砂柱的 横断面积，其中包括颗粒所占面积和 空隙所占面积；而水流通过的实际断 面是扣除结合水所占面积的空隙面积 。二者有如下关系： 上式中的有效空隙度是指重力水流动的空 隙体积（不包括结合水所占体积）与岩石 体积（包括空隙体积）之比，因此小于岩 石的空隙度，但大于给水度。特别是对粘 性土尤其如此。 渗透流速 v 不是真实流速，而是假设水流通过岩石整个断面时所具有的 虚拟流速。与真实流速u有如下关系： *9 达西定律要素分析：水力梯度（i） 水力梯度（i）定义为沿渗透途径水头损失与相应渗透 途径长度的比值。强调水头损失（水头差）与渗透途 径（长度）的相对应。 水头梯度可以理解为水流通过单位长度渗透途径为克 服阻力而消耗的机械能；也可从另一角度，理解为克 服阻力使水能以一定速度流动的驱动力。 为什么会有水头损失？ A:地下水在岩石空隙中运动时，必须克服水与隙壁之 间，以及流动快慢不一的水质点之间的摩擦力，从而消 耗机械能，造成水头（能量）损失。 *10 达西定律要素分析：渗透系数（K） 渗透系数可以定量地描述岩石的渗透性能，渗透系数 越大，则岩石的透水能力越强。从达西公式可知，水 力梯度为无因次的，因此渗透系数可以定义为水力梯 度等于1时的渗透流速。 渗透系数与渗透的液体有关吗？ 地下水运动时，须克服水与隙壁之间及水质点之间的摩 擦力，因此渗透系数不仅与岩石空隙性质有关，而且与 渗透的液体某些性质，如黏度有关。 一般情况下，水的物理性质变化不大，在研究地下水时 ，把渗透系数看作单纯是说明岩石渗透性能的参数。 *11 达西定律并不适用于所有层流运动的地下水。而是指适 用于雷诺数小于 110 之间某一数值的层流运动，当超 过此范围，渗透流速 v 与水力梯度 i 之间不再是线性关 系。 值得庆幸的是，绝大多数情况下地下水运动都非常缓慢 ，都服从达西定律。 达西定律是水文地质定量计算的基础，也是定性分析各 种水文地质过程的依据。需要深刻理解，灵活运用。 达西定律要素分析：渗透系数（K） Darcy定律的应用 软土的排水固结问题 软土，正如其名称所示，是工程力学性能很弱（差） 的土，包括饱和粘土和饱和粉质粘土（液性指数大于 1.0，孔隙比大于1.0）。 软土作为建筑物或构筑物的地基，其承载力低，变形 大，因此必须事先进行加固或处理（地基处理）。 软土地基加固的最常用方法，就是排水固结法，包括 荷载系统和排水系统两部分 。这是地基处理中最具有 理论和技术含量的方法。 其核心除了土力学中土的强度理论外，就是深刻理解 软土的渗透特性和渗透规律。这就是土力学中的固结 理论。 *12 Vertical Consolidation Drains (wick drains) 基坑降水 *15 流 网 几个问题： 水头是什么？ 等水头线怎么来的？ 能否在渗流场中作出等水头面？ 流线与迹线 流线是渗流场中某一时刻的一条线，线上各水质点在此时刻 的瞬时流向均与此线相切。因此没有水质点穿过流面（线） 。 迹线是渗流场中某一时间段内某一水质点的运动轨迹。 在稳定流条件下流线与迹线重合。 流网：在渗流场的某一典型剖面上，由一系列等水头 线与流线相交组成的网格称为流网。 *16 均质各向同性介质中的流网 均质与非均质介质： 均质介质：在空间中任何位置，介质的性质都相同的介质（ 往往相对应某一个物理量）。 非均质介质：在空间中至少可选出两个位置，介质的性质或 某一特定性质不相同的介质。 各向同性与各向异性介质： 各向同性介质：指介质的物理量不具有方向性，在各个方向 上均相同（往往相对应某一个物理量） 。 各向异性介质：指介质的物理量或某一特定物理量至少在两 个方向上不相等。 均质各向同性介质，这里即指其中的渗流在任何位置 和沿任何方向受到的阻力都是相同的。 *17 均质各向同性介质中的流网（2） 地下水必定是沿水头变化最大的方向流动，即垂直于等水位线的 方向。则流线与等水位线垂直，流网为正交网格。 作流网的方法： 根据边界条件绘制易于确定的等水头线和流线 。图4-3。 定水头边界，如地表水体的断面一般可以看作是等水头线 隔水边界为零通量的面，因此平行隔水边界可绘出流线 地下水面边界，当无降水补给、蒸发排泄，而有侧向补给作稳定渗流时 ，可看作流线？！。而有垂直补给或排泄时，既非流线，亦非等水位线 。 流线总是由补给区指向排泄区，依此确定流线的趋势；当渗流场中 不止一个补给区或排泄区时，首先应确定分流线。 再根据流线与等水位线正交的原则，在已知流线和等水位线基础上 ，插补其余的部分。 *18 均质各向同性介质中的流网（3） 如果规定相邻两条流线之间的流量相等，则流线的疏 密可表征渗流的强弱。越密，径流越强。等水头线的 疏密代表水力梯度的大小。 以河间地块流网图，图4-4： 说明示意流网的绘制方法 。 说明流网在实际工作中的应用。 *19 层状非均质介质中的流网 层状非均质介质是指每 一层介质是均质各向同 性的，但不同层的渗透 性不同的介质。 图4-5a：上下两层组成 的层状非均质介质中的 流网； 图4-5b：前后两层组成 的层状非均质介质中的 流网。 图4-6：流线与岩层界面既不垂直，也不平行。则流线穿越界面时服 从折射定律： *20 例子一，图4-7 。 例子二，含水层中存在强/弱透水性的透镜体的情况，图4-8。 *21 *22 饱和软粘土中水的运动规律 根据目前已有的试验结果，粘性土渗透流速与水力梯度之间 有如下三种关系： 通过原点的直线，服从达西定律； 不通过原点，只有水力梯度大于某一值后才开始渗流，开始阶 段为向I轴凸出的曲线，然后转为直线 通过原点，I 较小时为向 I 轴凸出的曲线，I 大时变为直线。 在实际实验中，也可能得到其他类型的试验曲线。 *23 饱和软粘土中水的运动规律 对于图4-9c的解释（张忠胤）： K 趋于定值前的渗流称为隐渗流；之后的渗流为 显渗流。 由于结合水的抗剪强度随着离颗粒表面的距离的 增大而降低，因此当施加的水力梯度较小时，只 有孔隙中心抗剪强度小的那部分结合水发生运动 ；随着I的增大，参与渗流运动的结合水厚度加大 ，即水流动的有效孔隙面积扩大，隐渗流阶段的 K 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，参与运动的结合 水厚度将不再有明显扩大。此时，K 趋于定值。 *24 复习思考题 牢记达西定律及达西定律表达式 掌握渗透流速、水力梯度、渗透系数的涵义 流线、流网的概念，掌握流网绘制的基本步骤，了解 边界条件在流网绘制中的意义和应用。