水文地质学基础中国地质大学（武汉）4 渗流基本定律.ppt

第四章地下水运动的基本定律
基本概念
地下水运动的特点
地下水运动的研究方法
地下水运动的基本规律
流网
小结
《水力学》
《地下水动力学》
基本概念
地下水在岩石空隙中的运动称为渗流(seepage flow/ groundwater flow)。发生渗流的区域称为渗流场。
渗流场(flow field)由固体骨架和岩石空隙中的水两部分组成。渗流只发生在岩石空隙中。
由于受到介质的阻滞,地下水的流动远较地表水的流动缓慢。
描述渗流特征的物理量,称为地下水运动的运动要素。水位,渗透流速,过水断面,流量,等。
流线:渗流场中某一瞬时由所有流体质点组成的一条线,并且线上各流体质点在此瞬时的流向均与此线相切。
地下水流线示意图
特点:
流线不能相交;流线不能是一条折线,它是一条光滑的曲线或直线。
基本概念
地下水迹线示意图
迹线:渗流场中某一时段内某一质点的运动轨迹。
迹线的特点:
对于每一个水质点都有一个运动轨迹,所以迹线是一簇曲线,而迹线只随质点不同而异,与时间无关。
基本概念
流线和迹线都是流场中的一簇曲线,都与流体的运动有关,但各自代表了不同的概念:
流线反映的是某时刻流体的流速向量,迹线是反映流体中某一质点不同时间走过的轨迹;因此流线可看作水质点运动的摄影,迹线则可看作对水质点运动所拍摄的电影。
过水断面与流量
垂直于所有流线的横截面,称为过水断面(渗流断面)。
过水断面
1
2
3
单位时间内通过渗流断面的地下水体积称为渗透流量。
层流:在岩石空隙中渗流时,水的质点作有秩序、平行而互不混杂的流动。
层流示意图
紊流:在岩石空隙中渗流时,水的质点作无秩序、互相混杂、互相碰撞的流动。
水作紊流运动时,水流所受到的阻力比层流状态大,消耗的能量较多。
紊流示意图
Re:雷诺数,是一个无因次量;
υ:断面上水的平均流速,L/T ;
ν:运动粘滞系数,L2/T,表征水粘性的强弱;
d:水力半径。
层流与紊流流态判别: 水流的雷诺数
从层流转化为紊流时的临界雷诺数,称为上临界雷诺数;从紊流转化为层流时的临界雷诺数,称为下临界雷诺数。
实验表明下临界雷诺数比较稳定,因此采用下临界雷诺数(Rek)作为层流和紊流的判别标准:
Re<Rek,水流状态为层流;
Re>Rek,水流状态为紊流。
稳定流:在渗流场内,水质点经过它所占据的空间各点时的运动要素不随时间而变化的水流运动。也就是说,在渗流场内,任何一个空间点上,无论哪一个水质点通过时,其运动要素都是不变的,运动要素与时间无关,而仅是空间坐标的函数。
非稳定流:在渗流场内,水质点的运动要素随时间而变化的水流运动。非稳定流中,水质点的运动要素不仅是空间坐标的函数,而且也是时间的函数。
稳定流条件下,流体的流线与迹线重合!
稳定流与非稳定流
严格说来,自然界中的地下水都属于非稳定流,但是,但为了便于分析和运算,也可以将某些运动要素变化微小的渗流,近似地看作稳定流。