水文地質(zhì)學之地下水運動的基本規(guī)律(簡明)

水文地質(zhì)質(zhì)學第五講地下水運運動的基基本規(guī)律律2022/10/272OUTLINE與地下水運動動有關(guān)的幾個個基本概念重力水運動的的基本規(guī)律Darcy試驗與Darcy定律滲透、滲透速速度及滲透系系數(shù)的概念流網(wǎng)流網(wǎng)的基本概概念與繪制原原則流網(wǎng)的用途飽和粘性土中中水的運動規(guī)規(guī)律本章的核心問問題地下水是如何何運動的？你想象一下，，是怎樣一個個狀況？如何去認識地地下水的運動動？如何刻畫地下下水的運動？？在實際工程應(yīng)應(yīng)用中，如何何運用地下水水運動的規(guī)律律？2022/10/274幾個基本概念念地下水在巖石石空隙中的運運動稱為滲流，或者滲透。。滲流比地表表水的運動緩緩慢得多。層流與紊流：：在巖石空隙中中滲流時，水水的質(zhì)點作有有序的、互不不混雜的流動動，稱作層流運動。在巖石空隙中中滲流時，水水的質(zhì)點無序序地、互相混混雜的流動，，稱作紊流運動。穩(wěn)定流與非穩(wěn)穩(wěn)定流：水在滲流場中中運動時，各各個運動要素素（水位、流流速、流向等等）不隨時間間而改變的滲滲流，稱作穩(wěn)定流；運動要素隨時時間而變化的的滲流稱作非穩(wěn)定流。2022/10/275重力水運動的的基本規(guī)律1856年法國水力學學家達西通過過大量的試驗驗，總結(jié)得出出重力水運動動的線性滲透透規(guī)律。達西試驗：在裝有砂的圓圓筒中進行；；圓筒上下各設(shè)設(shè)置一個測壓壓管；采取溢流措施施來控制常水水頭；達西定律試驗驗2022/10/277達西定律——重力水運動的的基本規(guī)律根據(jù)大量的試試驗，得到如如下關(guān)系式：：上式即為達西西公式，等式式兩邊除以面面積，得另一一個表達式：：達西定律可表表述為：地下水的滲透透流速與水力力梯度的一次次方成正比。。故又稱作線性性滲透定律。。2022/10/278達西定律要素素分析：滲透流速（v）達西公式中的的過水斷面ω是指砂柱的橫橫斷面積，其其中包括顆粒粒所占面積和和空隙所占面面積；而水流流通過的實際際斷面是扣除除結(jié)合水所占占面積的空隙隙面積ω’。二者有如下下關(guān)系：上式中的有效效空隙度是指指重力水流動動的空隙體積積（不包括結(jié)結(jié)合水所占體體積）與巖石石體積（包括括空隙體積））之比，因此此小于巖石的的空隙度，但但大于給水度度。特別是對對粘性土尤其其如此。滲透透流流速速v不是是真真實實流流速速，，而而是是假假設(shè)設(shè)水水流流通通過過巖巖石石整整個個斷斷面面時時所所具具有有的的虛虛擬擬流流速速。與與真真實實流流速速u有如如下下關(guān)關(guān)系系：：2022/10/279達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）定定義義為為沿沿滲滲透透途途徑徑水水頭頭損損失失與與相相應(yīng)應(yīng)滲滲透透途途徑徑長長度度的的比比值值。。強強調(diào)調(diào)水水頭頭損損失失（（水水頭頭差差））與與滲滲透透途途徑徑（（長長度度））的的相相對對應(yīng)應(yīng)。。水頭頭梯梯度度可可以以理理解解為為水水流流通通過過單單位位長長度度滲滲透透途途徑徑為為克克服服阻阻力力而而消消耗耗的的機機械械能能；；也也可可從從另另一一角角度度，，理理解解為為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動動的的驅(qū)驅(qū)動動力力。。為什什么么會會有有水水頭頭損損失失？？A:地下下水水在在巖巖石石空空隙隙中中運運動動時時，，必必須須克克服服水水與與隙隙壁壁之之間間，，以以及及流流動動快快慢慢不不一一的的水水質(zhì)質(zhì)點點之之間間的的摩摩擦擦力力，，從從而而消消耗耗機機械械能能，，造造成成水水頭頭（（能能量量））損損失失。。2022/10/2710達西西定定律律要要素素分分析析：：滲透透系系數(shù)數(shù)（（K）滲透透系系數(shù)數(shù)可可以以定定量量地地描描述述巖巖石石的的滲滲透透性性能能，，滲滲透透系系數(shù)數(shù)越越大大，，則則巖巖石石的的透透水水能能力力越越強強。。從從達達西西公公式式可可知知，，水水力力梯梯度度為為無無因因次次的的，，因因此此滲滲透透系系數(shù)數(shù)可可以以定定義義為為水水力力梯梯度度等等于于1時的的滲滲透透流流速速。。滲透透系系數(shù)數(shù)與與滲滲透透的的液液體體有有關(guān)關(guān)嗎嗎？？地下下水水運運動動時時，，須須克克服服水水與與隙隙壁壁之之間間及及水水質(zhì)質(zhì)點點之之間間的的摩摩擦擦力力，，因因此此滲滲透透系系數(shù)數(shù)不不僅僅與與巖巖石石空空隙隙性性質(zhì)質(zhì)有有關(guān)關(guān)，，而而且且與與滲滲透透的的液液體體某某些些性性質(zhì)質(zhì)，，如如黏黏度度有有關(guān)關(guān)。。一般般情情況況下下，，水水的的物物理理性性質(zhì)質(zhì)變變化化不不大大，，在在研研究究地地下下水水時時，，把把滲滲透透系系數(shù)數(shù)看看作作單單純純是是說說明明巖巖石石滲滲透透性性能能的的參參數(shù)數(shù)。。2022/10/2711達西西定定律律并并值得慶幸的是，絕大多數(shù)情況下地下水運動都非常緩慢，都服從達西定律。達西定律是水文地質(zhì)定量計算的基礎(chǔ)，也是定性分析各種水文地質(zhì)過程的依據(jù)。需要深刻理解，靈活運用。達西西定定律律要要素素分分析析：：滲透透系系數(shù)數(shù)（（K）Darcy定律律的的應(yīng)應(yīng)用用軟土土的的排排水水固軟土土，，正正如如其其名名稱稱所所示示，，是是工工程程力力學學性性能能很很弱弱（（差差））的的土土，，包包括括飽飽和和粘粘土土和和飽飽和和粉粉質(zhì)質(zhì)粘粘土土（（液液性性指指數(shù)數(shù)大大于于1.0，孔孔隙隙比比大大于于1.0）。。軟土土作作為為建建筑筑物物或或構(gòu)構(gòu)筑筑物物的的地地基基，，其其承承載載力力低低，，變變形形大大，，因因此此必必須須事事先先進進行行加加固固或或處處理理（（地地基基處處理理））。。軟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結(jié)結(jié)法法，，包包括括荷荷載載系系統(tǒng)統(tǒng)和和排排水水系系統(tǒng)統(tǒng)兩兩部部分分。。這這是是地地基基處處理理中中最最具具有有理理論論和和技技術(shù)術(shù)含含量量的的方方法法。。其核心心除了了土力力學中中土的的強度度理論論外，，就是是深刻刻理解解軟土土的滲滲透特特性和和滲透透規(guī)律律。這這就是是土力力學中中的固固結(jié)理理論。。2022/10/2712VerticalConsolidationDrains(wickdrains)基坑降降水2022/10/2715流網(wǎng)網(wǎng)幾個問問題：：水頭是是什么么？等水頭頭線怎怎么來來的？？能否在在滲流流場中中作出出等水水頭面面？流線與與跡線線流線是是滲流流場中中某一一時刻刻的一一條線線，線線上各各水質(zhì)質(zhì)點在在此時時刻的的瞬時時流向向均與與此線線相切切。因此沒沒有水水質(zhì)點點穿過過流面面（線線）。跡線是是滲流流場中中某一一時間間段內(nèi)內(nèi)某一一水質(zhì)質(zhì)點的的運動動軌跡跡。在穩(wěn)定定流條條件下下流線線與跡跡線重重合。。流網(wǎng)：：在滲滲流場場的某某一典典型剖剖面上上，由由一系系列等等水頭頭線與與流線線相交交組成成的網(wǎng)網(wǎng)格稱稱為流流網(wǎng)。。2022/10/2716均質(zhì)各各向同同性介介質(zhì)中中的流流網(wǎng)均質(zhì)與與非均均質(zhì)介介質(zhì)：均質(zhì)介介質(zhì)：在空空間中中任何何位置置，介介質(zhì)的的性質(zhì)質(zhì)都相相同的的介質(zhì)質(zhì)（往往往相相對應(yīng)應(yīng)某一一個物物理量量）。。非均質(zhì)質(zhì)介質(zhì)質(zhì)：在空空間中中至少少可選選出兩兩個位位置，，介質(zhì)質(zhì)的性性質(zhì)或或某一一特定定性質(zhì)質(zhì)不相相同的的介質(zhì)質(zhì)。各向同同性與與各向向異性性介質(zhì)質(zhì)各向同性介質(zhì)：指介質(zhì)的物理量不具有方向性，在各個方向上均相同（往往相對應(yīng)某一個物理量）。各向異性介質(zhì)：指介質(zhì)的物理量或某一特定物理量至少在兩個方向上不相等。均質(zhì)各向同性介質(zhì)，這里即指其中的滲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均質(zhì)各各向同同性介介質(zhì)中中的流流網(wǎng)（2）地下水水必定定是沿沿水頭頭變化化最大大的方方向流流動，，即垂垂直于于等水水位線線的方方向。。則流流線與與等水水位線線垂直直，流流網(wǎng)為為正交交網(wǎng)格格。作流網(wǎng)網(wǎng)的方方法：：根據(jù)邊邊界條條件繪繪制易易于確確定的的等水水頭線線和流流線。。圖圖4-3。定水頭頭邊界界，如如地表表水體體的斷斷面一一般可可以看看作是是等水水頭線線隔水邊邊界為為零通通量的的面，，因此此平行行隔水水邊界界可繪繪出流流線地下水水面邊邊界，，當無無降水水補給給、蒸蒸發(fā)排排泄，，而有有側(cè)向向補給給作穩(wěn)穩(wěn)定滲滲流時時，可可看作作流線線？??！。而而有垂垂直補補給或或排泄泄時，，既非非流線線，亦亦非等等水位位線。。流線總總是由由補給給區(qū)指指向排排泄區(qū)區(qū)，依依此確確定流流線的的趨勢勢；當當滲流流場中中不止止一個個補給給區(qū)或或排泄泄區(qū)時時，首首先應(yīng)應(yīng)確定定分流流線。。再根據(jù)據(jù)流線線與等等水位位線正正交的的原則則，在在已知知流線線和等等水位位線基基礎(chǔ)上上，插插補其其余的的部分分。2022/10/2718均質(zhì)各各向同同性介介質(zhì)中中的流流網(wǎng)（3）如果規(guī)規(guī)定相相鄰兩兩條流流線之之間的的流量量相等等，則則流線線的疏疏密可可表征征滲流流的強強弱。。越密密，徑徑流越越強。。等以河間地塊流網(wǎng)圖，圖4-4：說明示意流網(wǎng)的繪制方法。說明流網(wǎng)在實際工作中的應(yīng)用。2022/10/2719層狀非非均質(zhì)質(zhì)介質(zhì)質(zhì)中的的流網(wǎng)網(wǎng)層狀非非均質(zhì)質(zhì)介質(zhì)質(zhì)是指指每一一層介介質(zhì)是是均質(zhì)質(zhì)各向向同性性的，，但不不同層層的滲滲透性性不同同的介介質(zhì)。。圖4-5a：上下兩兩層組成成的層狀狀非均質(zhì)質(zhì)介質(zhì)中中的流網(wǎng)網(wǎng)；圖4-5b：前后兩兩層組成成的層狀狀非均質(zhì)質(zhì)介質(zhì)中中的流網(wǎng)網(wǎng)。圖4-6：流線與與巖層界界面既不不垂直，，也不平平行。則則流線穿穿越界面面時服從從折射定定律：2022/10/2720例子一，，圖4-7。例子二，，含水層層中存在在強/弱透水性性的透鏡鏡體的情情況，圖圖4-8。2022/10/27212022/10/2722飽和軟粘粘土中水水的運動動規(guī)律根據(jù)目前前已有的的試驗結(jié)結(jié)果，粘粘性土滲滲透流速速與水力力梯度之之間有如如下三種種關(guān)系：：通過原點點的直不通過原點，只有水力梯度大于某一值后才開始滲流，開始階段為向I軸凸出的曲線，然后轉(zhuǎn)為直線通過原點，I較小時為向I軸凸出的曲線，I大時變?yōu)橹本€。在實際實驗中，也可能得到其他類型的試驗曲線。2022/10/2723飽和軟粘粘土中水水的運動動規(guī)律對于圖4-9c的解釋（（張忠胤胤）：K趨于定值值前的滲滲流稱為為隱滲流流；之后后的滲流流為顯滲滲流。由于結(jié)合合水的抗抗