地下水在岩石空隙中的运动称为渗流.ppt

水文地质学
第五讲
地下水运动的基本规律
2018/8/15
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OUTLINE
与地下水运动有关的几个基本概念
重力水运动的基本规律
Darcy试验与Darcy定律
渗透、渗透速度及渗透系数的概念
流网
流网的基本概念与绘制原则
流网的用途
饱和粘性土中水的运动规律
本章的核心问题
地下水是如何运动的?
你想象一下,是怎样一个状况?
如何去认识地下水的运动?
如何刻画地下水的运动?
在实际工程应用中,如何运用地下水运动的规律?
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几个基本概念
地下水在岩石空隙中的运动称为渗流,或者渗透。渗流比地表水的运动缓慢得多。
层流与紊流:
在岩石空隙中渗流时,水的质点作有序的、互不混杂的流动,称作层流运动。
在岩石空隙中渗流时,水的质点无序地、互相混杂的流动,称作紊流运动。
稳定流与非稳定流:
水在渗流场中运动时,各个运动要素(水位、流速、流向等)不随时间而改变的渗流,称作稳定流;
运动要素随时间而变化的渗流称作非稳定流。
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重力水运动的基本规律
1856年法国水力学家达西通过大量的试验,总结得出重力水运动的线性渗透规律。
达西试验:
在装有砂的圆筒中进行;
圆筒上下各设置一个测压管;
采取溢流措施来控制常水头;
达西定律试验
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达西定律——重力水运动的基本规律
根据大量的试验,得到如下关系式:
上式即为达西公式,等式两边除以面积,得另一个表达式:
达西定律可表述为:地下水的渗透流速与水力梯度的一次方成正比。故又称作线性渗透定律。
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达西定律要素分析:渗透流速(v)
达西公式中的过水断面ω是指砂柱的横断面积,其中包括颗粒所占面积和空隙所占面积;而水流通过的实际断面是扣除结合水所占面积的空隙面积ω’。二者有如下关系:
上式中的有效空隙度是指重力水流动的空隙体积(不包括结合水所占体积)与岩石体积(包括空隙体积)之比,因此小于岩石的空隙度,但大于给水度。特别是对粘性土尤其如此。
渗透流速 v 不是真实流速,而是假设水流通过岩石整个断面时所具有的虚拟流速。与真实流速u有如下关系:
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达西定律要素分析:水力梯度(i)
水力梯度(i)定义为沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度的比值。强调水头损失(水头差)与渗透途径(长度)的相对应。
水头梯度可以理解为水流通过单位长度渗透途径为克服阻力而消耗的机械能;也可从另一角度,理解为克服阻力使水能以一定速度流动的驱动力。
为什么会有水头损失?
A:地下水在岩石空隙中运动时,必须克服水与隙壁之间,以及流动快慢不一的水质点之间的摩擦力,从而消耗机械能,造成水头(能量)损失。
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达西定律要素分析:渗透系数(K)
渗透系数可以定量地描述岩石的渗透性能,渗透系数越大,则岩石的透水能力越强。从达西公式可知,水力梯度为无因次的,因此渗透系数可以定义为水力梯度等于1时的渗透流速。
渗透系数与渗透的液体有关吗?
地下水运动时,须克服水与隙壁之间及水质点之间的摩擦力,因此渗透系数不仅与岩石空隙性质有关,而且与渗透的液体某些性质,如黏度有关。
一般情况下,水的物理性质变化不大,在研究地下水时,把渗透系数看作单纯是说明岩石渗透性能的参数。