地下水运动PPT课件

1、2022/7/261地下水运动的基本概念及基本规律第1页/共34页2022/7/262一、基本概念1.静止液体的位置高度、测压管高度、测压管水头结论：静止液体中各点的测压管水头为一常数，其数值等于液面到基准面的距离。基准面位置高度位置高度测压管高度测压管高度测压管水头第2页/共34页2022/7/2632.渗流与渗流场渗流是一种假想水流。即假想地下水不但充满于含水层空隙空间，也充满于岩石颗粒所占据的空间。渗流场发生渗流的区域。实际含水层有空隙也有骨架真实水流假定整个含水层全部是空隙假想水流（渗流）第3页/共34页2022/7/264渗流与真实水流的相同之处（假设）：渗流的性质（密度、粘滞性等）

2、与真实水流相同充满于含水层整个空间（包括空隙空间及岩石颗粒所占据的空间）渗流运动时，在任意岩石体积内所受到的阻力等于真实水流所受到的阻力渗流通过任一断面时的流量及任一点的压力或水头和实际水流相同第4页/共34页2022/7/265渗流与真实水流的区别：渗流充满于整个含水层的空间，包括空隙和岩石颗粒所占据的全部空间；真实水流只存在于空隙中。同一过水断面处的两种水流速度不等。两种水流的运动轨迹、方向不同。渗流的方向代表了实际水流的总体流向。假想水流占据的空间区域称为渗流区或渗流场。渗流场包括空隙和岩石颗粒所占据的全部空间。第5页/共34页2022/7/266渗流的研究意义：引入渗流概念，可以把实际

3、上并不处处连续的水流作为连续的水流来研究，以便利用水力学和流体力学的成果。研究时，既可避开研究个别空隙中液体质点运动的困难，又和实际水流相同，可满足实际需要。第6页/共34页2022/7/2673.渗透流速与实际流速在渗流场中，垂直于渗流方向的岩石断面，称为过水断面。该断面是整个岩石截面，既包括空隙面积，也包括岩石颗粒所占据的面积。当渗流平行流动时，过水断面是平面，弯曲流动时，则为曲面。第7页/共34页2022/7/268单位时间内通过过水断面的水体积称为渗透流量，又称渗流量，简称流量，通常以Q表示，单位一般为m3/d。单位过水断面的渗流量称为渗流速度，又称渗透流速，即：渗流速度代表渗流在过水

4、断面上的平均流速，不代表任何真实水流的流速，只是一种假想速度。假设整个过水断面都被水充满时，地下水就以这个速度流动。第8页/共34页2022/7/269实际上，地下水只在空隙中流动，水的运动方向和速度都可能不同。地下水在空隙中的平均速度称为实际平均流速，简称实际流速，即：第9页/共34页2022/7/2610渗流速度与实际流速之间的关系：当空隙分布均匀时，渗流过水断面面积大于实际过水断面积，它们存在以下关系：由于含水层的空隙度n，故渗流速度v永远小于实际流速u。第10页/共34页2022/7/26114.地下水的水头和水力坡度地下水是运动的，因此具有动能。在含水层中任取一点A，围绕该点取一微小

5、液块，其体积为dV，质量为dV。水流速为u时，液块的动能为dVu2/2，则A点处单位重量液体的动能为u2/2g。单位重量液体的动能称流速水头，具有长度量纲。第11页/共34页2022/7/2612位置势能A点的位置高度为Z，则对于基准面而言，点A处的液块具有位置势能（即重力势能）。单位重量液体的位置势能称为位置水头。压力势能如果一口井打到A点，只在井底开口，则水将在压力作用下沿井管上升到一定高度，说明点A处具有压力势能。单位重量液体的压力势能称为压力水头或压强水头或承压水头。00A位置势能压力势能Z第12页/共34页2022/7/2613单位重量液体的总机械能之和称为总水头，常用H表示。即：总

6、水头=动能+势能总水头=流速水头+位置水头+压力水头由于天然状态下地下水运动很缓慢，流速水头（即单位液体的动能）很小，可以忽略不计（如当v =1cm/s=864m/d，流速水头约为0.0005cm）。因此，可以认为：总水头=位置水头+压力水头（即测压管水头）。总水头常简称水头。第13页/共34页2022/7/2614地下水具有粘滞性，在运动过程中能量不断被消耗，反映在水头沿流程（流动方向）不断降低。因此，渗流场中各点的水头并不都是相等的。通常将渗流场中水头值相同的各点连成一个面，称为等水头面。等水头面与某一平面（水平面或铅直面）的交线称为等水头线。等水头面（线）在渗流场中是连续的，不同数值的等

7、水头面（线）不会相交。第14页/共34页2022/7/2615单位重量液体沿单位长度流程上的机械能损失称为水头损失。总水头线的坡度也称水力坡度。渗流是连续水流，则研究其运动时可将其视为连续函数。第15页/共34页2022/7/2616地下水运动要素：渗流量Q，渗流速度v，水头H.等。这些要素都是空间坐标x、y、z和时间t的连续函数。如：渗流场中各点水头一般不相等，可表示为H=H(x,y,z,t)第16页/共34页2022/7/26175.稳定流与非稳定流稳定运动（稳定流）地下水所有基本要素的大小和方向不随时间变化。如：H=H(x,y,z)，v=v(x,y,z)非稳定运动（非稳定流）地下水所有基

8、本要素的大小和方向都随时间变化。如：H=H(x,y,z,t)，v=v(x,y,z,t)第17页/共34页2022/7/26186.层流与紊流层流与紊流可由雷诺实验验证（雷诺数Re10时为层流）。第18页/共34页2022/7/26197.一维流、二维流、三维流一维流（线状流）单向运动二维流（平面流）平面运动三维流（立体流）空间运动第19页/共34页2022/7/2620注意：地下水运动的维数，与所选取的坐标系有关。例如，在轴对称条件下，若选用直角坐标系，潜水向完整抽水井的运动是三维运动，但在柱坐标系下，则变为二维运动。第20页/共34页2022/7/2621二、地下水运动的基本规律（基本定律）

9、1.达西定律描述饱和含水层地下水运动的基本规律。是法国水力学家达西（H.Darcy）通过实验得出。第21页/共34页2022/7/2622达西实验装置：第22页/共34页2022/7/2623实验结论：渗流量（Q）与水位差（h1-h2）、过水断面（）成正比，与渗透途径长度（L）成反比：上式即达西定律。含义：地下水的渗透速度与水力坡度（水头梯度）的一次方称正比，因而达西定律也称线性渗透定律(直线渗透定律，层流运动定律)。第23页/共34页2022/7/2624达西定律 （ ）中：渗透流速v：是水质点的渗流速度。水力坡度I：水流通过单位长度为克服摩擦阻力所损耗的机械能。机械能消耗于渗透途径上，因此

10、求算I时，水头差必须与相应的渗透途径相对应。渗透系数K：当水力坡度为I=1时，则K=v，即渗透系数为水力坡度等于1时的渗透流速。第24页/共34页2022/7/2625渗透系数是表示岩石透水性能的重要参数，K值大小一方面取决于介质性质（粒度成分、排列等），另一方面与流体性质有关。当水力坡度为定值时，渗透系数愈大，渗透流速就愈大。渗透流速为一定值时，渗透系数愈大，水力坡度愈小。由此可见，渗透系数可定量说明岩石的渗透性能。渗透系数愈大，岩石的透水能力愈强。第25页/共34页2022/7/2626根据K值大小，可将岩石分为以下几类：强透水岩石(层)：K10m/d (粗砂、砾，岩溶发育岩层)透水岩石(

11、层)：K=10-1m/d (砂，裂隙发育岩层)微透水岩石(层)：K=1-0.01m/d (亚砂土,裂隙弱发育岩石)透水极弱岩石(层)：K=0.01-0.001m/d(亚粘土、粘土）不透水岩石(层)：K0.001m/d (致密坚硬岩石，粘土、泥岩）只有透水岩层才有可能成为含水层。第26页/共34页2022/7/2627松散岩层渗透系数（经验值）：第27页/共34页2022/7/2628岩层透水特征分类（1）均质与非均质均质岩层：渗流场中所有点都具有相同参数的岩层。 KA=KB=KC=.非均质岩层：渗流场中所有点不都具有相同参数的岩层，渗透系数K=K(x,y,z)，为坐标的函数。 KA=KB KC

12、 .第28页/共34页2022/7/2629（2）各向同性与各向异性各向同性岩层：渗流场中某一点的渗透系数不取决于方向，即不管渗流方向如何都具有相同渗透系数的岩层。Kx=Ky=Kz各向异性岩层：渗流场中某一点的渗透系数取决于方向，渗透系数随渗流方向不同而不同的岩层。KxKy=Kz第29页/共34页2022/7/2630一般情况下，砂土中的渗透速度很小，其渗流可以看作是一种水流流线互相平行的流动层流，渗流运动规律符合达西定律，渗透速度v与水力梯度i的关系可在v-i坐标系中呈直线。当水力梯度较大时，流速增大，渗流将过渡为不规则的相互混杂的流动形式紊流,这时v-i关系呈非线性变化, 达西定律不再适用。第30页/共34页2022/7/26312.非线性渗透定律当地下水流速较快，呈紊流态时，符合非线性渗透定律，即：式中m为地下水流态指数，m=1-2。当m=1时，地下水渗流速度较小，呈层流态，符合达西公式；当m=2时，地下水渗流速度较大，呈紊流态，符合哲才（Chezy）公式；当1m2时，呈混合流态，符合斯姆列盖尔