礦井防治水基本理論理與方法1.doc

礦井防治水基本理論與方法專業(yè)人員培訓(xùn)教材地質(zhì)測(cè)量處組織編制目錄緒言第一章 地下水與礦井水的基本知識(shí)第一節(jié) 參與自然界水循環(huán)的地下水 第二節(jié) 含水層與隔水層第三節(jié) 地下水的分類及其特征第四節(jié) 地下水化學(xué)成份及其形成第二章 地下水滲流理論與礦坑涌水量計(jì)算方法第一節(jié) 地下水滲流理論第二節(jié) 井筒涌水量計(jì)算方法第三節(jié) 灰?guī)r突水量計(jì)算方法第四節(jié) “四含”涌水量計(jì)算方法第五節(jié) 采區(qū)涌水量計(jì)算方法第六節(jié) 放水試驗(yàn)中的參數(shù)計(jì)算方法第七節(jié) 老塘水積水量預(yù)測(cè)方法第三章 礦井水害類型及其防治方法 第一節(jié) 礦井充水條件的分類 第二節(jié) 沖積層水害及其防治方法第三節(jié) 灰?guī)r水害及其防治方法 第四節(jié) 其它水害防治方法 緒 言水文地質(zhì)學(xué)研究的對(duì)象:是研究地下水的科學(xué),研究地下水的形成、運(yùn)動(dòng)、分布規(guī)律；研究合理開發(fā)利用地下水資源，有效地消除地下水的危害。礦井防治水工作的主要任務(wù)：查明礦井水文地質(zhì)條件，預(yù)測(cè)各類水害，提前采取預(yù)防和治理措施，避免水害事故的發(fā)生，為礦井生產(chǎn)建設(shè)服務(wù)。為提高礦區(qū)防治水工作人員專業(yè)技術(shù)水平，滿足礦井防治水工作對(duì)專業(yè)技術(shù)人員的要求，我們組織編寫了這篇培訓(xùn)教材，供專業(yè)人員培訓(xùn)班使用。本教材共分三個(gè)部分。第一部分地下水與礦井水的基礎(chǔ)知識(shí)，主要是介紹水文地質(zhì)學(xué)基本概念，是其他專業(yè)人員從事防治水工作的基礎(chǔ)知識(shí)。第二部分地下水滲流理論與礦坑涌水量計(jì)算方法，從實(shí)用角度介紹了地下水動(dòng)力學(xué)基本理論、計(jì)算原理和解題方法，可以幫助學(xué)員提高解決實(shí)際問題的能力。第三部分礦井水害類型及其防治方法，主要是專門水文地質(zhì)學(xué)方面的內(nèi)容，在礦床水文地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)上，對(duì)礦區(qū)常見的水害類型、危害程度、防治方法、安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容進(jìn)論述。本教材編寫過程中，得到各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和礦區(qū)廣大水文地質(zhì)工作者的大力支持，在此表示感謝！限于編者的水平有限，難免有疏漏、錯(cuò)誤之處，敬請(qǐng)批評(píng)指正。第一章 地下水與礦井水的基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié) 參與自然界水循環(huán)的地下水 一、自然界的水循環(huán)地球上的水以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)存在于大氣圈、水圈和巖石圈。各相應(yīng)圈層中的水，分別稱為大氣水、地表水和地下水。它們之間有著密切的聯(lián)系，通過水循環(huán)相互轉(zhuǎn)化和遷移：大循環(huán)：從海洋蒸發(fā)的水分凝結(jié)降落到陸地，再通過徑流形式返回到海洋。小循環(huán)：從海洋（或陸地）蒸發(fā)的水分再降落到海洋（或陸地）。自然界中的水在循環(huán)過程中保持均衡。年均衡量為：自然界水均衡情況 礦井地質(zhì)工作手冊(cè)區(qū)域面積（Km2）水均衡要素水的體積水層厚度mm海洋降水、蒸發(fā)、河流流入量4121034481033610311401200100陸地外流區(qū)降水、蒸發(fā)、河流流入量99.310363.010336.3103860540310陸地內(nèi)流區(qū)降水、蒸發(fā)、7.71037.7103240240整個(gè)地球降水或蒸發(fā)518.61031017二、中國(guó)水循環(huán)狀況中國(guó)全境幾乎均屬于季風(fēng)氣候，有明顯的旱季與雨季之分。東南乃至華北、東北內(nèi)陸某些地區(qū)，受太平洋副熱帶高壓影響，四至八月份為雨季。而云南到西藏一帶，受印度洋季風(fēng)的影響，六至九月為雨季。中國(guó)水資源（或稱循環(huán)量）在時(shí)間分配上相當(dāng)不均勻。由于絕大部分地區(qū)全年的降水量集中在短時(shí)間內(nèi)降落，造成地表徑流激增甚至出現(xiàn)洪害。而大部分時(shí)間降水量很少，造成河流斷流。同時(shí)，由于太陽(yáng)黑子爆發(fā)，太陽(yáng)幅射能增大，以12至13年為周期出現(xiàn)豐水年（或枯水年）。中國(guó)水資源在空間分配上也極不均勻。東南沿海降水量最高可達(dá)2000至3000mm，向西北內(nèi)陸地區(qū)逐漸減少，直到接近于零。長(zhǎng)江流域降水充沛，水循環(huán)量較大。華北和東北一些地區(qū)雖然降水量不少，但干旱季節(jié)長(zhǎng)，普遍缺水。西北地區(qū)降水量小，屬于干旱、半干旱地區(qū)。地下水的補(bǔ)給水源歸根結(jié)底是來自大氣降水，所以，一般來講降水量大的地區(qū)，地下水較為豐富，礦井水害也表現(xiàn)得較為嚴(yán)重。三、水文學(xué)中的幾個(gè)基本概念1、濕度空氣的濕度是指空氣中水的含量。絕對(duì)濕度（e）：某一時(shí)刻空氣中水的含量。表示方法有二：一是一立方米空氣中水汽的克數(shù)（g/m3）；二是水汽的張力即水銀柱的高度（mm）或是水汽的壓力（毫巴相當(dāng)于0.75mm水銀柱的壓力）。水汽達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的含量稱為飽和含量（E）。它是一個(gè)隨空氣溫度、壓力變化而改變的參數(shù)。相對(duì)濕度（e1）：空氣中實(shí)際存在的水汽含量（e）與同溫度、同體積空氣內(nèi)水汽達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的含量（E）之比。以百分?jǐn)?shù)表示：飽和差（d）：一定溫度下空氣中水汽的飽和含量與實(shí)際含量之差：說明：空氣中的飽和水汽含量隨溫度的升高而增加。當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí)，水汽可以凝結(jié)形成降水。空氣是水汽達(dá)到飽和時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)。當(dāng)溫度降低到低于露點(diǎn)時(shí)，則剩余的水汽亦能凝結(jié)形成降水?？諝庵袧穸鹊拇笮?duì)土壤、砂層中的地下水的蒸發(fā)影響很大。濕度大，蒸發(fā)小，有得于地下水的形成和聚集。反之亦然。2、降水降水是指由大氣中的水汽凝結(jié)降落到地表的過程。降水的形式：低層降水：低層水汽在地面物體表面或植被表面凝結(jié)形成的降水。如霧、露、霜等。一般對(duì)地下水的形成意義不大，但在干旱沙漠地區(qū)是主要的補(bǔ)給水源。高層降水：高空水汽遇冷凝結(jié)降落在地表的降水。如雨、雪、雹等。以雨雪對(duì)地下水的形成意義最大。降雨表征要素：雨量：表示在一定地點(diǎn)，一定時(shí)間內(nèi)降雨的厚度。雨時(shí)：表示降雨的持續(xù)時(shí)間。雨率：表示降雨的強(qiáng)度，即單位時(shí)間的降雨量。降雨等級(jí)：小雨：能使地面潮濕，但不泥濘，雨量110mm/天。中雨：雨降到屋面有淅淅聲，洼地有積水，雨量1025mm/天。大雨：降雨如傾盆，落地四濺，雨量2550mm/天。暴雨：降雨比大雨還猛，能造成山洪，雨量50100mm/天。大暴雨：降雨比暴雨還猛，或時(shí)間長(zhǎng)，能造成洪澇災(zāi)害，雨量100200mm/天。特大暴雨：造成嚴(yán)重洪澇災(zāi)害，雨量200mm/天。3、蒸發(fā)蒸發(fā)是指在太陽(yáng)能作用下，水由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程。蒸發(fā)包括陸面蒸發(fā)、水面蒸發(fā)和葉面蒸發(fā)。蒸發(fā)度：氣象站用蒸發(fā)皿測(cè)得的蒸發(fā)量。它不能代表一個(gè)地區(qū)的蒸發(fā)量，只能表示一個(gè)地區(qū)的蒸發(fā)強(qiáng)度。蒸發(fā)量：指一個(gè)地區(qū)的實(shí)際總蒸發(fā)量。它由陸面、水面和葉面蒸發(fā)量組成。一般采用近似公式計(jì)算。4、水文因素水文因素是指反映地表水流特征的因素。河系：某一干流和其全部支流組成的一個(gè)獨(dú)立的水道系統(tǒng)。稱為河系或水系。流域：某河系全部匯水面積稱為該河系的流域。支流匯水面積稱為支流的流域。分水嶺：相鄰河系之間（或相鄰支流之間）流域的分界線稱為分水嶺。徑流：指匯集到流域出口的全部水流。它等于這個(gè)流域內(nèi)的降水量與蒸發(fā)量之差。其要素為：流量（Q）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過河流斷面的水量 （m3/s）徑流總量（W）：一定時(shí)間(年)內(nèi)流過河流斷面的總量 (m3)徑流率（徑流模數(shù)M）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)、單位流域面積上流出的水量 (l/s.Km2)徑流高度（h） 徑流率與徑流高度是同一概念，只是單位不同。其換算公式為：某一時(shí)期（年）內(nèi)的流域徑流總量，均勻分布于整個(gè)流域面積上的水層厚度 （mm）徑流系數(shù)（）某時(shí)期內(nèi)的徑流高度與同一時(shí)期的降水量之比 （%）第二節(jié) 含水層與隔水層一、巖層的水文地質(zhì)特征1、巖石中的空隙地下水存在于巖石中的空隙中。地球的地殼約35Km，上部十幾公里特別是一、二公里，空隙分布較為普遍，就象飽含水的“海綿”。巖石中的空隙不僅是儲(chǔ)水空間，也是地下水運(yùn)移的通道。空隙分為三類：、孔隙：膠結(jié)不好的松散層顆粒之間不可能完全靠緊，必然存在空間。這些空間相互連通，呈小孔狀，稱為孔隙?？紫洞笮『蛿?shù)量取決于顆粒的大小、形狀、分選程度、排列方式、膠結(jié)程度和充填物的性質(zhì)等因素。儲(chǔ)存空間為孔隙的地下水，稱為孔隙水?？紫抖龋╪）：孔隙比（）：、裂隙：堅(jiān)硬巖層在構(gòu)造應(yīng)力的擠壓、拉伸、剪切作用下，形成大小和密度不等的裂縫，稱之為裂隙（構(gòu)造裂隙）。儲(chǔ)存空間為裂隙的地下水，稱為裂隙水。線裂隙率（Ktl）：面裂隙率（Ktf）：、溶隙：易溶巖石，如鹽巖、石膏、石灰?guī)r、白云巖等，在地下水的溶蝕下，形成散布、網(wǎng)狀或管狀的溶穴，統(tǒng)稱為溶隙。儲(chǔ)存空間為溶隙的地下水，稱為巖溶水。巖溶率（Kkv）：2、水在巖層中存在的形式巖石空隙中存在著各種形式的地下水。有吸著水（強(qiáng)結(jié)合水）、薄膜水（弱結(jié)合水）、毛細(xì)水（半自由水）和重力水（自由水）。、吸著水：由分子和靜電引力緊密吸附于巖石顆粒（裂隙）表面的水分子薄膜，是結(jié)合水的內(nèi)層，也稱為強(qiáng)結(jié)合水。它不受重力影響，不傳遞靜水壓力，不溶解鹽類，不為植物吸收，-78C不凍結(jié)，105C轉(zhuǎn)為水汽。、薄膜水：為結(jié)合水的外層，引力減弱，稱為弱結(jié)合水。它亦不受重力影響，不傳遞靜水壓力。、毛細(xì)水：由水的表面張力形成的毛細(xì)支撐面充滿于巖石毛細(xì)空隙中的水。它受重力作用，能為植物吸收，但不能形成地下水流，稱為半自由水。、重力水：指飽和于巖石空隙中，在重力作用下可以自由流動(dòng)的水。它能傳遞靜力壓力，是水文地質(zhì)研究的主要對(duì)象。另外，巖層中的水有時(shí)以固態(tài)、氣態(tài)等形式存在。3、巖石的水理性質(zhì)及其表示方法容水性：巖石能容納一定水量的性質(zhì)。 持水性：在重力作用下仍能保持一定水量的性能。給水性：飽水巖石在重力作用下自由流出一定水量的性質(zhì)。 貯水性（釋水性）：承壓含層當(dāng)水位上升（或下降）時(shí)，引起彈性貯存（或釋放）一定水量的性能。貯水系數(shù)（u*）承壓含水層水位變化一個(gè)單位時(shí)，單位含水層面積中貯存或釋放的水的體積。透水性：巖石中重力水通過的性能。滲透系數(shù)（K）相當(dāng)于水力坡度（j）為1（45）時(shí)，水在巖石中滲透的速度（V）。滲透是一種假想的、水流不僅通過空隙而且通過顆粒的流動(dòng)狀態(tài)。滲透速度與水的實(shí)際流速存在很大的差異。導(dǎo)水性：巖石傳導(dǎo)不的性能。導(dǎo)水系數(shù)（T）相當(dāng)于單位水力坡度下，單位寬度含水層的導(dǎo)水速度。即（M為含水層厚度）。導(dǎo)壓性：巖石傳遞水壓的性能。導(dǎo)壓系數(shù)（a）表示水壓從一點(diǎn)傳到另一點(diǎn)的速率，或表示在承壓含水層中抽水，不同時(shí)間降落漏斗擴(kuò)展的速度。二、含水層與隔水層含水層與隔水層是一個(gè)相對(duì)的概念。人們把能夠透過并給出一定水量的巖層叫含水層。把不能透過和給出一定水量的巖層叫隔水層。從礦井防治水的角度，推薦含、隔水層的劃分標(biāo)準(zhǔn)：含水性泥砂含量%單位涌水量l/s.m滲透系數(shù)m/d礦井突水量M3/h極強(qiáng)極少1050600強(qiáng)150.01K+Na+，暫時(shí)硬度等于重碳酸根離子含量。當(dāng)有負(fù)硬度存在時(shí)，則： 總硬度=暫時(shí)硬度 負(fù)硬度=總硬度-總堿度。第二章 地下水滲流理論與礦坑涌水量計(jì)算方法第一節(jié) 地下水滲流理論一、滲流的基本概念地下水存在于巖石的孔隙、裂隙或溶穴中，并在其中運(yùn)動(dòng)。地下水動(dòng)力學(xué)中，把含有地下水的巖石稱為介質(zhì)（多孔介質(zhì)、裂隙介質(zhì)或巖容介質(zhì)），地下水在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)稱為滲透。1、滲透水流地下水在介質(zhì)中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜。在地下水動(dòng)力學(xué)中，人們不去研究個(gè)別液體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，而是研究介質(zhì)中液體的平均運(yùn)動(dòng)。所謂滲透水流（滲流），是一種效果上與真實(shí)地下水流完全相同的假想的水流：用液體充滿整個(gè)含水層（包括巖石中空隙所占的空間和固體所占的空間）的假想水流來代替只在介質(zhì)空隙空間中運(yùn)動(dòng)的真實(shí)水流；通過任一斷面上的流量與真實(shí)水流通過同一斷面的流量相等；在某一斷面上的壓力或水頭與真實(shí)水流的壓力或水頭相等；在介質(zhì)內(nèi)所受到的阻力與真實(shí)水流所受的阻力相等。滿足上述條件的假想水流稱為滲透水流，簡(jiǎn)稱滲流。2、滲透速度垂直于滲流方向的巖石截面稱為過水?dāng)嗝?。?shí)際水流只在過水?dāng)嗝娴目障兜拿娣e中流過，而滲流則通過整個(gè)過水?dāng)嗝?。滲流在整個(gè)過水?dāng)嗝嫔系钠骄魉俜Q為滲透速度（滲流速度）。（）滲透速度與真實(shí)流速差異巨大。3、測(cè)壓高度和測(cè)壓水頭含水層中某一點(diǎn)到水面的距離稱為測(cè)壓高度（h）。含水層底板（基準(zhǔn)面）到水面的距離稱為測(cè)壓水頭（H 圖2-1-1）。在靜水條件下，水面為一平面，含水層中各點(diǎn)的測(cè)壓高度雖然不同，但測(cè)壓水頭卻處處相等。在地下水流動(dòng)的情況下，沿流線方向發(fā)生水頭損失，滲流場(chǎng)中的測(cè)壓水頭發(fā)生變化。把水頭值相等的各點(diǎn)連成的空間面稱為等水頭面。等水頭面在平面上或剖面上表現(xiàn)為一根水頭相等的線，稱為等水頭線。平面上或剖面上的等水頭線與流線，組成正交網(wǎng)格，稱為流網(wǎng)。4、水力坡度流線是一條假想的曲線。在滲流場(chǎng)中，這根曲線上的每一個(gè)液流質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)刻的滲透速度矢量都和這根曲線相切。流線與質(zhì)點(diǎn)的軌跡不一定相同。只有在穩(wěn)定流條件下，某一點(diǎn)的流線和同一點(diǎn)的軌跡才相互重合。地下水在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿流線方向產(chǎn)生水頭損失。如果沿流線方向任意取一個(gè)剖面，就可以得到一條水頭降落的曲線，稱為降落曲線（對(duì)于潛水要稱為浸潤(rùn)曲線）。曲線的坡度稱為水力坡度（J）。(見圖2-1-2)（）5、液體的兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)層流和紊流液體的流束不混雜的流動(dòng)稱為層流運(yùn)動(dòng)。液體的流束混亂而無序的運(yùn)動(dòng)稱為紊流運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)表明，液體的層流和紊流主要與流速有關(guān)。人們把由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯牧魉俜Q為臨界速度。不同介質(zhì)中，液體的臨界速度相差很大。孔隙、裂隙介質(zhì)中，臨界速度很大，絕大多數(shù)為層流運(yùn)動(dòng)。但在巖溶介質(zhì)中，尤其在管道巖溶介質(zhì)中，臨界速度小，往往發(fā)生紊流運(yùn)動(dòng)。6、地下水運(yùn)動(dòng)特征分類：穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流根據(jù)地下水運(yùn)動(dòng)要素（流速、流量、水頭、流線）隨時(shí)間變化和程度，分為穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流。運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間發(fā)生變化的滲流稱為穩(wěn)定流。而運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間發(fā)生變化的稱為非穩(wěn)定流。線性流、平面流和空間流根據(jù)運(yùn)動(dòng)要素在空間上的表現(xiàn)形式，分為：線性流（一維流）：所有流線與一個(gè)固定的直線平行(圖2-1-3a)。平面流（二維流）：所有流線不平行于一條固定直線，但平行于一個(gè)固定平面?？煞譃槠拭娑S流和平面二維流(圖2-1-3b、c)?？臻g流（三維流）：所有流線既不平行于一條固定直線，又不平行于一個(gè)固定平面(圖2-1-3d)。漸變流和急變流在非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)中，把流線曲率半徑很大，近于一條直線，同時(shí)，流線之間夾角很小，近于平行的滲流狀態(tài)稱為漸變流。否則，稱為急變流。 二、達(dá)西定律1、線性滲透定律1852年至1855年，法國(guó)水力學(xué)家達(dá)西（Darcy）通過大量試驗(yàn)，得到線性滲透基本定律達(dá)西定律。在滲流場(chǎng)（層流）中，同一介質(zhì)液體的滲透速度v 只與水力坡度J成正比。不同介質(zhì)的比例系數(shù)滲透系數(shù)K不同。滲透系數(shù)K是表示巖層透水性的指標(biāo)。它是有關(guān)含水層的重要水文地質(zhì)參數(shù)之一。當(dāng)水力坡度為1時(shí)，滲透系數(shù)在數(shù)值上等于滲透速度。即滲透系數(shù)相當(dāng)于水力坡度為1 時(shí)的滲透速度。因?yàn)樗ζ露葻o量綱，滲透系數(shù)的量綱與速度的量綱相同，常用m/d表示。滲透系數(shù)主要取決于巖層的性質(zhì)，如粒度成份、顆粒排列、充填狀況、裂隙性質(zhì)和發(fā)育程度等因素。但是，它與滲透液體的性質(zhì)（容重、粘滯性）存在一定關(guān)系。對(duì)于水是一種滲透系數(shù)，而石油又是另一種滲透系數(shù)。有人進(jìn)行了專門研究，絕大多數(shù)地下水的運(yùn)動(dòng)都是層流運(yùn)動(dòng)，符合達(dá)西定律。當(dāng)層流向紊流過渡和紊流條件下，達(dá)西定律就不適用了。有人討論過達(dá)西定律適用下限問題，指出存在一個(gè)起始水力坡度，當(dāng)實(shí)際水力坡度小于起始水力坡度時(shí)，水流就不流動(dòng)了。2、非線性滲流定律在紊流條件下，地下水滲透服從哲才（A.Chezy）公式：在地下水滲流運(yùn)動(dòng)中，不符合達(dá)西定律的場(chǎng)合比較少見的。3、達(dá)西定律的簡(jiǎn)單應(yīng)用例：計(jì)算地下水天然流量。均質(zhì)各向同性潛水含層上、下游水頭分別為h1、h2，滲透系數(shù)為K，上下游距離為L(zhǎng)，計(jì)算單寬含水層天然流量(圖2-1-4)。 解：設(shè)含層厚度為h，則單寬含水層過水面積f=1h=h式中q、K為常數(shù)，h、l為變量。分離變量，得： 由上游過水?dāng)嗝娴较掠芜^水?dāng)嗝娣e分： 則： 即單寬含水層天然流量，與兩個(gè)過水?dāng)嗝嬷g含水層平均厚度、平均水力坡度成正比。利用達(dá)西定律，可以推導(dǎo)出一系列關(guān)于含水層計(jì)算的公式。在以后的礦井涌水量計(jì)算方法中，我們還將利用達(dá)爾西定律。第二節(jié) 井筒涌水量計(jì)算方法一、集水建筑物的類型用來揭露地下水的人工建筑，叫做集水建筑物。水平集水建筑物：排水渠、集水廊道、排水巷道等垂直集水建筑物：鉆孔、水井、豎井等，統(tǒng)稱為井。按所揭露含水層性質(zhì)，分為潛水井、承壓水井、承壓無壓水井等。按揭露含水層厚度，分為完整井（揭露含水層整個(gè)厚度，并且在全部含水層厚度上進(jìn)水）、非完整井（只揭露分部含水層或只有部分含水層進(jìn)水）。按工作方式，分為抽水井、注水井、放水（疏干）井。二、井流理論解決的問題1、對(duì)于供水來講，解決井的出水量問題；2、對(duì)于疏干來講，解決井的排水量問題。不管供水還是疏干，都要考察井流影響范圍內(nèi)各點(diǎn)的水位降深、設(shè)計(jì)井的數(shù)量、排列方式。3、水文勘察階段，利用抽水、注水、流量測(cè)井、脈沖干擾試驗(yàn)，求取水文地質(zhì)參數(shù)。三、裘布衣井流條件裘布衣在推導(dǎo)井流公式時(shí)，對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化。在使用井流公式時(shí)，一定要根據(jù)不同的模型，選用不同的公式。裘布衣公式的模型是：1、完整井；2、層流；3、靜水位是水平的，隔水層是水平的，即含水層是等厚的；4、含水層是均質(zhì)各向同性的；5、含水層是無限的。指抽水影響沒達(dá)到邊界。6、水位降相對(duì)含水層厚度來講很小。這樣，就可以看作為平面二維流，垂直方向沒有分速度。實(shí)際的過水?dāng)嗝媸且粋€(gè)圍繞井軸的圓柱面，在平面上都是同心圓，運(yùn)動(dòng)要素只隨以井軸為圓心的半徑而變化。這種水流稱為徑向流。7、穩(wěn)定流。承認(rèn)抽水初期相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是非穩(wěn)定流，認(rèn)為這時(shí)出水量一方面來自側(cè)向補(bǔ)給，另一方面來自降落漏斗靜儲(chǔ)量的釋放。但抽水一定時(shí)期后，降落漏斗邊界和形狀固定下來，此時(shí)的出水量全部來自側(cè)向補(bǔ)給，在影響半徑以內(nèi)，任一過水?dāng)嗝嫔系牧髁慷枷嗟龋业扔诔樗?。?yīng)該說明，這種簡(jiǎn)化與實(shí)際情況之間存在很大出入。但是，當(dāng)抽水相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)近似穩(wěn)定流的情況。用裘布衣公式計(jì)算的出水量接近實(shí)際出水量。四、裘布衣公式的推導(dǎo)（一）、以承壓完整井為例，計(jì)算模型和各符號(hào)意義見圖2-2-1。根據(jù)達(dá)西定律，有對(duì)上式兩邊積分，分為三種情況：1、沒有觀測(cè)孔（裘布衣公式）沒有觀測(cè)孔情況下的邊界條件是：在x 趨向井邊r處，y=h，在x趨向影響邊界R處，y=H。2、有一個(gè)觀測(cè)孔（蒂姆公式）：有一個(gè)觀測(cè)孔的邊界條件是：在x趨向井邊r處，y=h，在觀測(cè)孔x1處，y=y1。3、有兩個(gè)觀測(cè)孔（蒂姆公式）有兩個(gè)觀測(cè)孔的邊界條件是：在x趨向內(nèi)觀測(cè)孔x1處，y=y1，在x趨向外觀測(cè)孔x2處，y=y2。（二）、以潛水完事井為例，計(jì)算模型和各符號(hào)意義見圖2-2-2。根據(jù)達(dá)西定律，有對(duì)上式兩邊積分，分為三種情況：1、沒有觀測(cè)孔（裘布衣公式）沒有觀測(cè)孔情況下的邊界條件是：在x 趨向井邊r處，y=h，在x趨向影響邊界R處，y=H。2、有一個(gè)觀測(cè)孔（蒂姆公式）：有一個(gè)觀測(cè)孔的邊界條件是：在x趨向井邊r處，y=h，在觀測(cè)孔x1處，y=y1。3、有兩個(gè)觀測(cè)孔（蒂姆公式）有兩個(gè)觀測(cè)孔的邊界條件是：在x趨向內(nèi)觀測(cè)孔x1處，y=y1，在x趨向外觀測(cè)孔x2處，y=y2。在地下水動(dòng)力學(xué)計(jì)算中，有觀測(cè)孔時(shí)的計(jì)算精度，遠(yuǎn)比沒有觀測(cè)孔時(shí)來得精確。這是因?yàn)?，有觀測(cè)孔時(shí)，更接近實(shí)際流場(chǎng)情況。故，在重要水文地質(zhì)條件勘探中，常采用“群孔”試驗(yàn)，而不采用單孔試驗(yàn)。在水文地質(zhì)試驗(yàn)中，應(yīng)盡量滿足“穩(wěn)定流”條件。勘探規(guī)范規(guī)定，抽水試驗(yàn)必須滿足水位穩(wěn)定8小時(shí)以上。合格工程必須有一個(gè)落程。優(yōu)質(zhì)工程，必須有三個(gè)落程。五、承壓無壓完整井公式在礦井涌水量計(jì)算中，常常遇到承壓無壓井流模型。它實(shí)質(zhì)上是降深較大，遠(yuǎn)處屬于承壓水流狀態(tài)，近處屬于潛水流狀態(tài)（見圖2-2-3）。對(duì)于潛水段，有：對(duì)于承壓水段，有：分別由（1）、（2）式解出。從而得出承壓無壓公式：裘布衣各種公式參見礦井地質(zhì)手冊(cè)（下冊(cè)）。六、井流勢(shì)函數(shù)引進(jìn)井流勢(shì)函數(shù)的概念，目的是推導(dǎo)統(tǒng)一的井流公式，以便學(xué)員進(jìn)一步掌握井流理論，隨時(shí)根據(jù)不同水文地質(zhì)條件，創(chuàng)建相應(yīng)的井流計(jì)算公式。1、符號(hào)說明：H0靜水頭。Hw抽水井水位，即動(dòng)水位。r任一斷面距抽水井距離。rw抽水井半徑。2、井流勢(shì)函數(shù)表達(dá)式對(duì)于承壓水井，有對(duì)于潛水，有從而得到統(tǒng)一的井流勢(shì)函數(shù)方程：r一定，就是一個(gè)定值。當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，。說明勢(shì)函數(shù)是無意義的。在有限范圍內(nèi)（rR），勢(shì)函數(shù)在各點(diǎn)上有意義。3、井流勢(shì)函數(shù)的應(yīng)用設(shè)影響邊界上的井流勢(shì)函數(shù)為：設(shè)井壁上的井流勢(shì)函數(shù)為：兩處的勢(shì)函數(shù)差為：這就是一個(gè)統(tǒng)一的井流公式表達(dá)式。對(duì)于承壓水、潛水完整都適用，只是勢(shì)函數(shù)不同。承壓水勢(shì)函數(shù)為：潛水勢(shì)函數(shù)為：將不同類型的勢(shì)函數(shù)代入統(tǒng)一公式，就可以得到不同的井流公式。結(jié)論：采用井流勢(shì)函數(shù)，可以把繁多的公式寫成統(tǒng)一的公式形式。這樣，對(duì)今后研究新的動(dòng)力學(xué)問題帶來極大方便，可以采用勢(shì)疊加原理，處理復(fù)雜的地下水模型問題。七、層狀非均質(zhì)含水層中井流計(jì)算集水建筑物揭露多個(gè)含水層，不同含水層的滲透系數(shù)不同。這在礦井涌水時(shí)計(jì)算是很常見的類型。分兩種情形：1、漏斗面未越過巖層界面時(shí)(小降深)：Q=Q1+Q2+Q3.這是一個(gè)簡(jiǎn)單情形，分別計(jì)算各個(gè)含水層涌水量，然后相加。但要注意，各個(gè)含水層的滲透系數(shù)不同，含水層厚度不同。對(duì)于承壓水井（圖2-2-4），有對(duì)于潛水井，有（二層結(jié)構(gòu)圖2-2-5）2、漏斗面越過巖層時(shí)（大降深）：、吉林斯基（函數(shù)）法通過半徑為r厚度為的圓環(huán)外側(cè)上的流量。引用吉林斯基函數(shù) 分離變量，求積分，得：由邊界條件：注：z1、z2、 z3是各含水層中點(diǎn)到隔水層底板(基準(zhǔn)面)的距離。式中的h代表以隔水層底板為基準(zhǔn)面的各斷面上的水頭。結(jié)論：利用吉林斯基勢(shì)函數(shù)，把層狀非均質(zhì)含水層井流公式(包括潛水、承壓水)，轉(zhuǎn)化成與均質(zhì)含水層井流公式相同的模式。但在具體計(jì)算時(shí)，要代入相應(yīng)的勢(shì)函數(shù)：非均質(zhì)巖層水井勢(shì)函數(shù)為：、兩次加權(quán)平均法（近似法）主要思路是對(duì)滲透系數(shù)Ki進(jìn)行兩次加權(quán)平均，用平均滲透系數(shù)Km代替非均質(zhì)巖層的K，視為均質(zhì)巖層。第一次：計(jì)算影響邊界上的加權(quán)平均滲透系數(shù)：計(jì)算井壁上的加權(quán)平均滲透系數(shù)：第二次：計(jì)算總的加權(quán)平均滲透系數(shù)：八、邊界井計(jì)算方法、概述裘布衣井流公式只適用于無界含水層。但在實(shí)際工作中，往往會(huì)遇到有界含水層。凡邊界對(duì)井有直接影響的含水層，都稱為有界含水層。1、邊界井的類型：、直線邊界井：對(duì)工作井產(chǎn)生直接影響的只有一條直線邊界。又稱半無限含水層。、正交邊界井：對(duì)工作井產(chǎn)生直接影響的有兩條正交邊界。又稱象限含水層。、斜交邊界井：對(duì)工作井產(chǎn)生直接影響的是兩條斜交邊界。又稱扇形含水層。、平行邊界井：對(duì)工作井產(chǎn)生直接影響的是兩條平行邊界。又稱條帶含水層。、箱邊界井：