渗流的基本定律(达西定律).ppt

1、第一章：地下水运动的基本概念，重要知识点：渗流、地下水颗粒在典型体素中的实际速度(REV)、孔隙平均速度、达西速度及其关系、达西定律的基本公式、微分公式、扩展公式和应用条件、渗透系数及其影响因素、渗流分类、均质、非均质、各向同性和各向异性差异、流动网络图、1.1渗流的基本概念、岩石中的地下水、渗流发生的区域称为渗流场。流场由固体骨架和岩石间隙中的水组成。渗流仅发生在岩石孔隙中。多孔介质的概念和特征，我们称之为多孔岩层多孔介质。多孔介质的特征是：的互连网络，其几何形状和连通性极其复杂，难以用精确的方法描述。它由固体骨架和孔隙组成，孔道是不连续的。因此，无论它是一个坚实的骨架还是一个空洞的空间，它

2、都不是微观层面上的连续函数。普通水流和渗流有一个共同点：1 .总体流向取决于水头差；2.流速取决于水头差和沿途损失之间的差异：管道中水的运动取决于管道的尺寸、形状和粗糙度；渗流运动取决于孔隙的大小、形状和连通性。渗流特性，通道是曲折的，而粒子轨迹是弯曲的；流速较慢，大部分为层流；水流仅在间隙中移动，在整个多孔介质中是不连续的。通常不稳定；通常是缓慢变化的流量。1.典型基本体积。水力学中引入了粒子的概念。如果把水看作连续介质，运动的元素可以用连续函数来描述。为了将渗流场推广到多孔介质的连续体，引入了典型体素的概念。什么是典型的体素？现在以孔隙度为例进行讨论。典型体素的定义，而V0称为典型体素。在

3、引入REV之后，多孔介质可以被视为一个连续体，因此多孔介质在任何地方都具有多孔性。REV有多大？相对于单个孔隙而言，REV相当大，但相对于渗流场而言，REV非常小。广义理想渗流；2.以磷点为中心的REV体积中的实际地下水流速、渗流速度和颗粒流速的平均值称为磷点的实际地下水流速。假设的渗透速度是假设的平均流速。转速上实际流量的平均值，渗流速度与实际速度的关系；3.潜水含水层的水头和水力梯度、压力和水头；图114a，潜水含水层的压力和水头；图114b，承压含水层的压力和水头；水力梯度；I，沿渗流路径的水头损失与相应渗流路径长度之比。当水在间隙中流动时，必须克服水与间隙壁和不同流速的水质点之间的摩擦

4、阻力(这种摩擦阻力随着地下水流速的增加而增加)，从而消耗机械能并造成水头损失。因此，水力梯度可以理解为每单位长度通过渗透路径的水流克服摩擦阻力所消耗的机械能。从另一个角度来看，水力梯度也可以理解为驱动力，即克服摩擦阻力并使水以一定速度流动的力。由于机械能在渗流路径中被消耗，在计算水力梯度I. 1-2达西定律(渗流的基本定律)时，水头差必须对应于相应的渗流路径。1856年，法国水利学家达西通过大量实验得出了线性渗流定律。根据实验结果，得到以下关系式：式中：q渗流(出口处的流量，即通过砂柱各段的流量)；水的横截面(相当于实验中砂柱的横截面积)；水头损失(h=H1H 2，即上游和下游部分之间的水头差

5、)；l渗透路线(上游和下游水横截面之间的距离)；一、水力梯度(相当于高/低，即水头差除以渗流路径)；k渗透系数。这是达西的公式。2.达西的实验条件和稳定达西的实验：得出渗流速度与水力梯度成正比，即线定律实验条件：均匀介质，一维流动，稳定流，层流。是否适用：非均匀介质、二维或三维流动、非定常流动和层流？3。变水头达西实验，非恒定流达西实验(实验1):从上部加水，溢流管用于维持稳定水位，下部用于流出，通过它可以测量渗透量，水头值可以用两个测压管测量。达西定律：实验结果：在非恒定流条件下，地下水运动仍然满足线性渗流定律，达西定律适用。1.临界雷诺数Re (J. Bear):2。临界渗流速度vc (P

6、avlovsky):3。临界水力梯度Jc (Romidge):4。达西定律的下限(J0 1。当福克海默在1901年提出Re10时：2。1912年，克拉斯诺波里斯提出湍流公式，4。达西定律的微分形式，微分形式：渗透系数k，这可以从达西定律V=KI看出。水力梯度I是无量纲的，因此渗透系数k的维数与渗透速度v相同。通常，单位为米/天或厘米/秒.假设I=1，那么V=K k。也就是说，渗透系数是当水力梯度等于1时的渗透速度。当水力梯度不变时，渗透系数越大。渗透速度越大；当渗透速度一定时，渗透系数越大，水力梯度越小。因此，渗透系数可以定量解释岩石的渗透性。渗透系数越大，岩石的渗透性越强。影响渗透系数K=f

7、(孔隙大小和数量、液体性质)和岩石孔隙性质(孔隙大小和数量)的因素由流体的物理性质决定，这些物理性质与成正比，与成反比。渗透率，渗透系数表达式，多孔介质(广义为等直径平行毛细管束):6。渗流分类，1。根据运动元素(v、p、H)是否随时间变化，将其分为稳定流和不稳定流。根据地下水颗粒运动状态的混合程度，将其分为层流、湍流和过渡带流型，并根据地下水是否有自由面来划分。根据岩层的渗透性及其对地下水的影响，可分为隔水层、含水层和透水层(弱透水层)。根据渗流速度的空间变化特征，可分为一维流动、二维流动和三维流动(见下页)。a .一维流动：速度只存在于一个方向，b .二维流动：部分速度存在于两个方向，包括

8、平面二维流动和二维流动。根据岩石渗透率随空间和方向变化的特点，可分为均质各向同性、均质各向异性、非均质各向同性和非均质各向异性：各向同性、各向异性、均质和非均质性。岩层按渗透性分类，岩层按渗透性分类。在同一点上所有方向上具有相同渗透率的介质称为各向同性介质。在同一点上各向渗透率不同的介质称为各向异性介质。同质性和非同质性):指的是k和空间坐标之间的关系，即k在不同位置是否相同；各向同性和各向异性：指的是同一点不同方向上的k是否相同。综上所述，以上分类标准不同，因此不存在隶属关系。同质和异质可以结合。各向同性和各向异性的概念很容易混淆。各向同性K为标量，各向异性K为张量各向同性流场，J和V为共线各向异性流场，J和V一般共线，1.3各向异性介质中地下水流动的达西定律，渗透系数的张量表达式，达西定律的推广形式：渗透系数张量的坐标轴变换。3.渗透系数张量的坐标变换，当渗透率主轴方向与选定的x、y、z方向一致时，应进行坐标变换，当渗透率主轴方向与选定的x、y、z方向不一致时。设R为旋