水文地质学之地下水运动的基本规律(简明)

水文地质质学第五讲地下水运运动的基基本规律律2022/10/272OUTLINE与地下水运动动有关的几个个基本概念重力水运动的的基本规律Darcy试验与Darcy定律渗透、渗透速速度及渗透系系数的概念流网流网的基本概概念与绘制原原则流网的用途饱和粘性土中中水的运动规规律本章的核心问问题地下水是如何何运动的？你想象一下，，是怎样一个个状况？如何去认识地地下水的运动动？如何刻画地下下水的运动？？在实际工程应应用中，如何何运用地下水水运动的规律律？2022/10/274几个基本概念念地下水在岩石石空隙中的运运动称为渗流，或者渗透。。渗流比地表表水的运动缓缓慢得多。层流与紊流：：在岩石空隙中中渗流时，水水的质点作有有序的、互不不混杂的流动动，称作层流运动。在岩石空隙中中渗流时，水水的质点无序序地、互相混混杂的流动，，称作紊流运动。稳定流与非稳稳定流：水在渗流场中中运动时，各各个运动要素素（水位、流流速、流向等等）不随时间间而改变的渗渗流，称作稳定流；运动要素随时时间而变化的的渗流称作非稳定流。2022/10/275重力水运动的的基本规律1856年法国水力学学家达西通过过大量的试验验，总结得出出重力水运动动的线性渗透透规律。达西试验：在装有砂的圆圆筒中进行；；圆筒上下各设设置一个测压压管；采取溢流措施施来控制常水水头；达西定律试验验2022/10/277达西定律——重力水运动的的基本规律根据大量的试试验，得到如如下关系式：：上式即为达西西公式，等式式两边除以面面积，得另一一个表达式：：达西定律可表表述为：地下水的渗透透流速与水力力梯度的一次次方成正比。。故又称作线性性渗透定律。。2022/10/278达西定律要素素分析：渗透流速（v）达西公式中的的过水断面ω是指砂柱的横横断面积，其其中包括颗粒粒所占面积和和空隙所占面面积；而水流流通过的实际际断面是扣除除结合水所占占面积的空隙隙面积ω’。二者有如下下关系：上式中的有效效空隙度是指指重力水流动动的空隙体积积（不包括结结合水所占体体积）与岩石石体积（包括括空隙体积））之比，因此此小于岩石的的空隙度，但但大于给水度度。特别是对对粘性土尤其其如此。渗透透流流速速v不是是真真实实流流速速，，而而是是假假设设水水流流通通过过岩岩石石整整个个断断面面时时所所具具有有的的虚虚拟拟流流速速。与与真真实实流流速速u有如如下下关关系系：：2022/10/279达西西定定律律要要素素分分析析：：水力力梯梯度度（（i）水力力梯梯度度（（i）定定义义为为沿沿渗渗透透途途径径水水头头损损失失与与相相应应渗渗透透途途径径长长度度的的比比值值。。强强调调水水头头损损失失（（水水头头差差））与与渗渗透透途途径径（（长长度度））的的相相对对应应。。水头头梯梯度度可可以以理理解解为为水水流流通通过过单单位位长长度度渗渗透透途途径径为为克克服服阻阻力力而而消消耗耗的的机机械械能能；；也也可可从从另另一一角角度度，，理理解解为为克克服服阻阻力力使使水水能能以以一一定定速速度度流流动动的的驱驱动动力力。。为什什么么会会有有水水头头损损失失？？A:地下下水水在在岩岩石石空空隙隙中中运运动动时时，，必必须须克克服服水水与与隙隙壁壁之之间间，，以以及及流流动动快快慢慢不不一一的的水水质质点点之之间间的的摩摩擦擦力力，，从从而而消消耗耗机机械械能能，，造造成成水水头头（（能能量量））损损失失。。2022/10/2710达西西定定律律要要素素分分析析：：渗透透系系数数（（K）渗透透系系数数可可以以定定量量地地描描述述岩岩石石的的渗渗透透性性能能，，渗渗透透系系数数越越大大，，则则岩岩石石的的透透水水能能力力越越强强。。从从达达西西公公式式可可知知，，水水力力梯梯度度为为无无因因次次的的，，因因此此渗渗透透系系数数可可以以定定义义为为水水力力梯梯度度等等于于1时的的渗渗透透流流速速。。渗透透系系数数与与渗渗透透的的液液体体有有关关吗吗？？地下下水水运运动动时时，，须须克克服服水水与与隙隙壁壁之之间间及及水水质质点点之之间间的的摩摩擦擦力力，，因因此此渗渗透透系系数数不不仅仅与与岩岩石石空空隙隙性性质质有有关关，，而而且且与与渗渗透透的的液液体体某某些些性性质质，，如如黏黏度度有有关关。。一般般情情况况下下，，水水的的物物理理性性质质变变化化不不大大，，在在研研究究地地下下水水时时，，把把渗渗透透系系数数看看作作单单纯纯是是说说明明岩岩石石渗渗透透性性能能的的参参数数。。2022/10/2711达西西定定律律并并值得庆幸的是，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。达西西定定律律要要素素分分析析：：渗透透系系数数（（K）Darcy定律律的的应应用用软土土的的排排水水固软土土，，正正如如其其名名称称所所示示，，是是工工程程力力学学性性能能很很弱弱（（差差））的的土土，，包包括括饱饱和和粘粘土土和和饱饱和和粉粉质质粘粘土土（（液液性性指指数数大大于于1.0，孔孔隙隙比比大大于于1.0）。。软土土作作为为建建筑筑物物或或构构筑筑物物的的地地基基，，其其承承载载力力低低，，变变形形大大，，因因此此必必须须事事先先进进行行加加固固或或处处理理（（地地基基处处理理））。。软土土地地基基加加固固的的最最常常用用方方法法，，就就是是排排水水固固结结法法，，包包括括荷荷载载系系统统和和排排水水系系统统两两部部分分。。这这是是地地基基处处理理中中最最具具有有理理论论和和技技术术含含量量的的方方法法。。其核心心除了了土力力学中中土的的强度度理论论外，，就是是深刻刻理解解软土土的渗渗透特特性和和渗透透规律律。这这就是是土力力学中中的固固结理理论。。2022/10/2712VerticalConsolidationDrains(wickdrains)基坑降降水2022/10/2715流网网几个问问题：：水头是是什么么？等水头头线怎怎么来来的？？能否在在渗流流场中中作出出等水水头面面？流线与与迹线线流线是是渗流流场中中某一一时刻刻的一一条线线，线线上各各水质质点在在此时时刻的的瞬时时流向向均与与此线线相切切。因此没没有水水质点点穿过过流面面（线线）。迹线是是渗流流场中中某一一时间间段内内某一一水质质点的的运动动轨迹迹。在稳定定流条条件下下流线线与迹迹线重重合。。流网：：在渗渗流场场的某某一典典型剖剖面上上，由由一系系列等等水头头线与与流线线相交交组成成的网网格称称为流流网。。2022/10/2716均质各各向同同性介介质中中的流流网均质与与非均均质介介质：均质介介质：在空空间中中任何何位置置，介介质的的性质质都相相同的的介质质（往往往相相对应应某一一个物物理量量）。。非均质质介质质：在空空间中中至少少可选选出两两个位位置，，介质质的性性质或或某一一特定定性质质不相相同的的介质质。各向同同性与与各向向异性性介质质各向同性介质：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。2022/10/2717均质各各向同同性介介质中中的流流网（2）地下水水必定定是沿沿水头头变化化最大大的方方向流流动，，即垂垂直于于等水水位线线的方方向。。则流流线与与等水水位线线垂直直，流流网为为正交交网格格。作流网网的方方法：：根据边边界条条件绘绘制易易于确确定的的等水水头线线和流流线。。图图4-3。定水头头边界界，如如地表表水体体的断断面一一般可可以看看作是是等水水头线线隔水边边界为为零通通量的的面，，因此此平行行隔水水边界界可绘绘出流流线地下水水面边边界，，当无无降水水补给给、蒸蒸发排排泄，，而有有侧向向补给给作稳稳定渗渗流时时，可可看作作流线线？！！。而而有垂垂直补补给或或排泄泄时，，既非非流线线，亦亦非等等水位位线。。流线总总是由由补给给区指指向排排泄区区，依依此确确定流流线的的趋势势；当当渗流流场中中不止止一个个补给给区或或排泄泄区时时，首首先应应确定定分流流线。。再根据据流线线与等等水位位线正正交的的原则则，在在已知知流线线和等等水位位线基基础上上，插插补其其余的的部分分。2022/10/2718均质各各向同同性介介质中中的流流网（3）如果规规定相相邻两两条流流线之之间的的流量量相等等，则则流线线的疏疏密可可表征征渗流流的强强弱。。越密密，径径流越越强。。等以河间地块流网图，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。2022/10/2719层状非非均质质介质质中的的流网网层状非非均质质介质质是指指每一一层介介质是是均质质各向向同性性的，，但不不同层层的渗渗透性性不同同的介介质。。图4-5a：上下两两层组成成的层状状非均质质介质中中的流网网；图4-5b：前后两两层组成成的层状状非均质质介质中中的流网网。图4-6：流线与与岩层界界面既不不垂直，，也不平平行。则则流线穿穿越界面面时服从从折射定定律：2022/10/2720例子一，，图4-7。例子二，，含水层层中存在在强/弱透水性性的透镜镜体的情情况，图图4-8。2022/10/27212022/10/2722饱和软粘粘土中水水的运动动规律根据目前前已有的的试验结结果，粘粘性土渗渗透流速速与水力力梯度之之间有如如下三种种关系：：通过原点点的直不通过原点，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。2022/10/2723饱和软粘粘土中水水的运动动规律对于图4-9c的解释（（张忠胤胤）：K趋于定值值前的渗渗流称为为隐渗流流；之后后的渗流流为显渗渗流。由于结合合水的抗抗