五 地下水运动的基本规律PPT课件

.,1,第五章地下水运动的基本规律,.,2,5.1重力水运动的基本规律5.2达西定律的应用5.3流网5.4饱水粘土中水的运动规律,.,3,渗流地下水在岩石空隙中的运动称为渗流（渗透，地下径流）。渗流场发生渗流的区域。层流运动水的质点作有秩序的、互不混杂的流动。紊流运动水的质点无秩序的、互相混杂的流动。稳定流各个运动要素（水位、流速、流向等）不随时间改变的水流运动。非稳定流运动要素随时间变化的水流运动。渗流场中任意点的流速变化只与空间坐标一个方向有关的渗流，称为一维流，与空间坐标的两个和三个方向有关的，分别称为二维或三维流。,基本术语,.,4,51重力水运动的基本规律,1达西定律（DarcysLaw）1856年达西通过实验得到达西定律。实验在砂柱中进行（P33：图51），根据实验结果（流量）：,式中：Q渗透流量；过水断面（包括砂砾和孔隙）；h水头损失hH1H2（水头差）（H1断面1处的测压水位，H2断面2处的测压水位）；L渗透途径；(上下游过水断面的距离)I水力梯度（I=h/L，水头差除以渗透途径）；K渗透系数。,（5-1）,.,5,.,6,由水力学：（52）即(对地下水也适用)达西定律也可以另一种形式表达（流速）：（53）式中：V渗透流速，m/d，cm/s；K渗透系数，m/d，cm/s；I水力梯度，无量纲（比值）。具体到实际问题：,.,7,计算流量：（单位一般为：m3/d，L/s）（54）,.,8,微分形式：（55）式中：负号表示水流方向与水力梯度方向相反，水流方向（坐标方向）：由水位高低；而水力梯度方向：由等水位线低高。在三维空间中（向量形式）：,或，式中：K为渗透系数张量；,.,9,若用标量表示，的三个分量分别为：,.,10,.,11,2渗透流速（V）（seepagevelocity，Darcyvelocity）渗透流速水流通过整个过水断面（包括砂砾和孔隙）的流速。,水流实际流过的面积（扣除结合水）实际过水断面：=ne（nen）有效孔隙度（ne）为重力水流动的孔隙体积（不包括结合水占据的空间）与岩石体积之比。（对重力水的运动有效）,.,12,关于有效孔隙度ne：1）nen；2）一般重力释水时，空隙中有结合水、毛细水，所以ne；3）对于粘性土，空隙细小、结合水所占的比例大，所以ne很小，尽管n很大；4）对于空隙大的岩层（如大的溶隙、裂隙），nen。由于不是实际过水断面，V不是真实流速（假设水流通过骨架与空隙在内的流速），虚拟流速渗透流速。,.,13,实际过水断面面积为（孔隙面积），则渗透流速V与实际流速u之间的关系为：（）（因ne为v）（45）也即渗透流速V是一个虚拟的流速。在国际学术刊物上：V（q）水流通量（waterfluxdensity），或达西流速（Darcyvelocity）；u（v）孔隙流速（porewatervelocity）。,.,14,3水力梯度（I）（hydraulicgradient）水力梯度沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度的比值。式中：水头差（水头损失），或能量损失；L渗透途径长度。水在岩石空隙中运动需要克服2个阻力：,.,15,4渗透系数（coefficientofpermeability，hydraulicconductivity）渗透系数水力梯度等于1时的渗透流速。关系：1）I为定值时，K大，V大；K小，V小（VKI）；2）V为定值时，K大，I小等水位线疏；K小，I大等水位线密。渗透系数可定量说明岩石的渗透性：K大渗透性强；K小渗透性弱。,一般，松散岩石，岩石颗粒愈粗，渗透系数K愈大。测定：a室内土柱试验（达西试验）；b野外抽水试验。,.,16,表5-1松散岩石渗透系数参考值,.,17,5适用范围达西定律：VKI，V与I的一次方成正比线性渗透定律。适用于层流：Re110（详见地下水动力学）。绝大多数地下水的运动都服从达西定律。达西定律（小结）：1）水文地质定量计算的基础；2）定性分析水文地质问题的依据；3）深入掌握其实质，灵活运用。,.,18,雷诺数（Reynoldsnumber）一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，以Re表示，Re=vr/，其中v、分别为流体的流速、密度与黏性系数，r为一特征线度。例如流体流过圆形管道，则r为管道半径。利用雷诺数可区分流体的流动是层流或紊流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。本次使用其变形公式：如下,v-水的运动速率；d-平均粒径；-运动粘滞系数。Re200为紊流。Re为10-100时，虽为层流，但达西定律不适用。,.,19,例1.在平均粒径d=0.0005m的粗粉土层中，水温15时，运动粘滞系数=0.1m2/d，取Re=1，求渗透流速？,解：Re=1确定为层流则得v=200m/d,实际上，地下水的运动很平缓，假设K=100m/d(实际中很大的一个值)，I=1/500(较大的值)，则V=KI=0.2m/d，由此看出地下水流速很慢。也即VI