水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ) 第4章 地下水的運動

FundamentalsofHydrogeoloy

水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)

第4章地下水的運動

ThemovementofG.W中國地質(zhì)大學(xué)水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)組佛鳴一鼎提供，更多地大資料qq:605734043內(nèi)部資料及歷年真題本章內(nèi)容

4.1達西定律4.2達西定律討論

4.3流網(wǎng)實習(xí)實驗達西實驗與應(yīng)用第4章地下水的運動滲流——地下水在巖石空隙中的運動稱為滲流地下水滲流—遵循水力學(xué)基本原理（復(fù)習(xí)）差異—水力學(xué)研究水在管、渠（明流）——流速快多孔介質(zhì)，空隙細小，水流很緩慢——滲流從流態(tài)來看—地下水多為層流（除巖溶管道外）很少紊流滲流場—發(fā)生滲流的區(qū)域(地下水運動的空間)本章討論側(cè)重穩(wěn)定流——不討論非穩(wěn)定流4.1達西定律（Darcy’slaw）達西定律—線性滲透定律（linearlaw）

H.Darcy—法國水力學(xué)家，1856年（以實驗為基礎(chǔ)研究時期）通過大量的室內(nèi)實驗得出的實驗條件：裝置圖—P36，圖4-1

1）等徑圓筒裝入均勻砂樣（uniformsand），斷面為ω

2）上（下各）置一個穩(wěn)定的溢水裝置——保持穩(wěn)定水流

3）實驗時上端進水，下端出水——示意流線

4）砂筒中安裝了2個測壓管

5）下端測出水量（outflow）—Q4.1.1達西試驗裝置4.1.2達西定律（Darcy’slaw）通過變水頭，多次實驗得出：出水端的流量Q與砂柱、測壓管水頭之間的關(guān)系為：（1）Q——滲流量；ω——砂柱斷面面積；h

——水頭損失（m）；L——滲流途徑；K——與試樣有關(guān)的比例常數(shù)。由水力學(xué)中水動力學(xué)基本原理：（2）Q=KIω滲透流速根據(jù)水力學(xué)流速與流量的關(guān)系對上式轉(zhuǎn)化：

Q=ω·V與（2）式比較

V=K·I

（3）稱為滲透流速（seepagevelocity\Darcyvelocity\specificdischarge）上式為單位面積上的流量稱比流量達西定律中由此看出：滲透流速與水力梯度是一次方成正比故達西定律又稱為線性滲透定律4.1.2達西定律（Darcy’slaw）（續(xù)1）V—I關(guān)系圖轉(zhuǎn)下頁4.1.2達西定律（Darcy’slaw）（續(xù)2）砂樣VIO12V=K·I——（3）V——I曲線

Q=KωI=ωV過水斷面與水力學(xué)中的水流過斷面是否一致？否過水斷面——ω，假想的斷面實際孔隙斷面——ωn孔隙度實際水流斷面——ωn有效孔隙度

Q/ω=V

比照水力學(xué)，實際流速Q(mào)/ω’=u關(guān)系：地下水滲透流速V=une

滲透流速V：是假設(shè)水流通過整個巖層斷面（骨架+空隙）時所具有的虛擬的平均流速。意義：研究水量時，只考慮水流通過的總量與平均流速，而不去追蹤實際水質(zhì)點的運移軌跡——簡化的研究4.2達西定律討論

4.2.1滲透流速（V）與過水斷面（ω）

過水斷面比較4.2.1滲透流速（V）與過水斷面（ω）（續(xù)）過水斷面（ω）實際過斷面（ω’）過水斷面ω與實際過水斷面ω’4.2.2水力梯度水力梯度（I）（hydraulicgradient）水力學(xué)中水力坡度（J）:單位距離上的水頭損失是沿滲流途徑上的水頭損失與相應(yīng)的滲流長度之比物理涵義上來看I：代表著滲流過程中，機械能的損失率，由水力學(xué)中水頭的概念加以分析：在地下水滲流研究中任意點的水頭表達式總水頭測壓水頭速度水頭機械能勢能動能.水力梯度（I）在達西實驗中：4.2.2水力梯度（續(xù)1）其原因是u2/2g很小而忽略在地下水滲流研究中常：總水頭測壓水頭

(這是習(xí)慣用法)我們?nèi)匀挥谩鱄=H1-H2

代表該程L1—2

上的總水頭損失，I—則為總能量損失率滲流過程中總機械能的損耗原因（與水力學(xué)相近）流體的粘滯性引起的——內(nèi)摩擦阻力（分子間）固體顆粒表面對水流的反作用力4.2.2水力梯度（續(xù)2）水力梯度（I）從達西公式:V=KI來看：當I增大時，V也愈大；即流速V愈大，單位滲流途徑上損失的能量也愈大;反過來，水力梯度I愈大時，驅(qū)動水流運動與速度也愈大注意：水頭損失一定要與滲流途徑相對應(yīng)滲透系數(shù)K（coefficientofpermeability）在有些教科書中也稱為水力傳導(dǎo)率（hydraulicconductivity）定義：水力梯度為I=1時的滲透流速（V=KI）具有速度量綱L2T-1

由公式V=KI分析當I一定時，巖層的K

愈大，則V

也愈大，Q

大因此，滲透系數(shù)

K

是表征巖石透水性的定量指標4.2.3滲透系數(shù)V—I關(guān)系圖滲透系數(shù)K影響因素：——以松散巖石,等徑孔隙為例來分析γ——水的重率；μ——動力粘滯系數(shù)從公式即得出：

K與巖石性質(zhì)有關(guān)K∝（d02，ne）與流體物理性質(zhì)有關(guān)K∝（γ/μ）表4-1列出常見巖石滲透系數(shù)的參考值4.2.3滲透系數(shù)（續(xù)）4.2.4達西定律的適用范圍（自學(xué)P38中間一段）雷諾數(shù)數(shù)介于1~10之間松散巖石名稱滲透系數(shù)(m/d)松散巖石名稱滲透系數(shù)(m/d)亞粘土0.001-0.10中砂5-20亞砂土0.10-0.50粗砂20-50粉砂0.50-1.0礫石50-150細砂1.0-5.0卵石100-5004.2.4達西定律的適用范圍（續(xù)）松散巖石滲透系數(shù)參考值（表4-1）4.3流網(wǎng)（Flownet）

4.3.1基本概念（concept）滲流場：地下水流動（運動）的空間流網(wǎng)是描述滲流場中地下水流動狀況的有效工具流網(wǎng)：是由一系列等水頭線（equipotentiallines）與流線（flowlines）組成的網(wǎng)格，稱流網(wǎng)（flownet）流線：某時刻在滲流場中畫出的一條空間曲線，該曲線上各個水質(zhì)點的流速方向都與這條曲線相切（某時刻各點流向的連線）（跡線：流體水質(zhì)點在滲流場中某一時間段內(nèi)的運動軌跡——traceline）等水頭線：在某時刻，滲流場中水頭相等各點的連線（水勢場的分布）4.3.1基本概念（續(xù)）基本概念二維流網(wǎng)圖：平面流網(wǎng)：潛水等水位線圖，承壓水等測壓水位線圖剖面流網(wǎng)：含水量厚度較大時，常需要刻畫剖面的水流流網(wǎng)特點：①在各向同性介質(zhì)中，流線與等水頭線正交；在各向異性介質(zhì)中，流線與等水頭線斜交②是按一定規(guī)則繪制的，等水頭線（等水頭差繪制），流線（等流量寬，單寬流量相等）4.3.2定性流網(wǎng)繪制定性流網(wǎng)的繪制（各向同性介質(zhì)中）在許多實際工作中，繪制定性流網(wǎng)分析問題很重要精確流網(wǎng)受許多條件（資料不足等）制約，很難辦到思考回答：邊界條件？有哪幾類？流線起點和終點？等水頭線如何控制？等流量如何確定？“源”—resource（發(fā)散流線處）“匯”—sink（吸收流線處）“地下分水線”—divideline（分水或分流處為“流線”）繪制步驟（簡要）：1）尋找已知邊界（濕周，隔水邊界，水位線）2）分水線、源、匯的確定3）畫出滲流場周邊流線與條件4）中間內(nèi)插流量等單寬量流量控制流線根數(shù)確定等水頭差間隔參見河間地塊流網(wǎng)圖P40，圖4-44.3.2定性流網(wǎng)繪制（續(xù)1）邊界性質(zhì)圖河間地塊流網(wǎng)4.3.2定性流網(wǎng)繪制（續(xù)2）已知邊界a—濕周b—隔水邊界c\d—水位線等水頭線、流線與各類邊界的關(guān)系4.3.2定性流網(wǎng)繪制（續(xù)3）1）尋找已知邊界（濕周，隔水邊界，水位線）2）分水線、源、匯的確定3）畫出滲流場周邊流線與條件4）確定等水頭值，中間內(nèi)插河間地塊流網(wǎng)的繪制4.3.3流網(wǎng)的意義解釋水文地質(zhì)現(xiàn)象判斷地下水系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析地下水的補給、排泄、徑流特征

計算滲流場任意點的水頭、壓強、水力坡度、滲透流速等據(jù)流網(wǎng)選擇垃圾填埋場位置等4.3.4流網(wǎng)的應(yīng)用流網(wǎng)的應(yīng)用思考題流網(wǎng)圖的應(yīng)用它反映了滲流場中地下水的流動狀況，同時也是介質(zhì)場與勢場的綜合反映。提供這兩方面的信息：

1、可以確定任意點的水頭值（H），并了解其變化規(guī)律圖中A點水頭？HA與HB的大?。?/p>

2、確定水力梯度I的大小，及其變化規(guī)律圖中A點的I？IA與IB比較誰大？

3、確定滲透流速V的大小，及其變化規(guī)律圖中A點的VA？VA與VB？

4、滲流場內(nèi)的流量分布情況（如果要打井取水，井布置在何處為什么？）

5、水質(zhì)點的滲流途徑及長