地下水運動課件

2022/12/231地下水運動的

基本概念及基本規(guī)律第1頁/共34頁2022/12/171地下水運動的

基本概念及基本規(guī)律第1頁2022/12/232一、基本概念1.靜止液體的位置高度、測壓管高度、測壓管水頭結論：靜止液體中各點的測壓管水頭為一常數，其數值等于液面到基準面的距離?；鶞拭嫖恢酶叨任恢酶叨葴y壓管高度測壓管高度測壓管水頭第2頁/共34頁2022/12/172一、基本概念基準面位置高度位置高度測壓2022/12/2332.滲流與滲流場滲流——是一種假想水流。即假想地下水不但充滿于含水層空隙空間，也充滿于巖石顆粒所占據的空間。滲流場——發(fā)生滲流的區(qū)域。實際含水層有空隙也有骨架真實水流假定整個含水層全部是空隙假想水流（滲流）第3頁/共34頁2022/12/1732.滲流與滲流場實際含水層真實水流假定2022/12/234滲流與真實水流的相同之處（假設）：滲流的性質（密度、粘滯性等）與真實水流相同充滿于含水層整個空間（包括空隙空間及巖石顆粒所占據的空間）滲流運動時，在任意巖石體積內所受到的阻力等于真實水流所受到的阻力滲流通過任一斷面時的流量及任一點的壓力或水頭和實際水流相同第4頁/共34頁2022/12/174滲流與真實水流的相同之處（假設）：第42022/12/235滲流與真實水流的區(qū)別：滲流充滿于整個含水層的空間，包括空隙和巖石顆粒所占據的全部空間；真實水流只存在于空隙中。同一過水斷面處的兩種水流速度不等。兩種水流的運動軌跡、方向不同。滲流的方向代表了實際水流的總體流向。假想水流占據的空間區(qū)域稱為滲流區(qū)或滲流場。滲流場包括空隙和巖石顆粒所占據的全部空間。第5頁/共34頁2022/12/175滲流與真實水流的區(qū)別：第5頁/共34頁2022/12/236滲流的研究意義：引入滲流概念，可以把實際上并不處處連續(xù)的水流作為連續(xù)的水流來研究，以便利用水力學和流體力學的成果。研究時，既可避開研究個別空隙中液體質點運動的困難，又和實際水流相同，可滿足實際需要。第6頁/共34頁2022/12/176滲流的研究意義：第6頁/共34頁2022/12/2373.滲透流速與實際流速在滲流場中，垂直于滲流方向的巖石斷面，稱為過水斷面。該斷面是整個巖石截面，既包括空隙面積，也包括巖石顆粒所占據的面積。當滲流平行流動時，過水斷面是平面，彎曲流動時，則為曲面。第7頁/共34頁2022/12/1773.滲透流速與實際流速第7頁/共34頁2022/12/238單位時間內通過過水斷面的水體積稱為滲透流量，又稱滲流量，簡稱流量，通常以Q表示，單位一般為m3/d。單位過水斷面的滲流量稱為滲流速度，又稱滲透流速，即：滲流速度代表滲流在過水斷面上的平均流速，不代表任何真實水流的流速，只是一種假想速度。假設整個過水斷面都被水充滿時，地下水就以這個速度流動。第8頁/共34頁2022/12/178單位時間內通過過水斷面的水體積稱為滲透2022/12/239實際上，地下水只在空隙中流動，水的運動方向和速度都可能不同。地下水在空隙中的平均速度稱為實際平均流速，簡稱實際流速，即：第9頁/共34頁2022/12/179實際上，地下水只在空隙中流動，水的運動2022/12/2310滲流速度與實際流速之間的關系：當空隙分布均勻時，滲流過水斷面面積大于實際過水斷面積，它們存在以下關系：由于含水層的空隙度n＜１，故滲流速度v永遠小于實際流速u。第10頁/共34頁2022/12/1710滲流速度與實際流速之間的關系：第102022/12/23114.地下水的水頭和水力坡度地下水是運動的，因此具有動能。在含水層中任取一點A，圍繞該點取一微小液塊，其體積為dV，質量為ρdV。水流速為u時，液塊的動能為ρdVu2/2，則A點處單位重量液體的動能為u2/2g。單位重量液體的動能稱流速水頭，具有長度量綱。第11頁/共34頁2022/12/17114.地下水的水頭和水力坡度第11頁/2022/12/2312位置勢能——A點的位置高度為Z，則對于基準面而言，點A處的液塊具有位置勢能（即重力勢能）。單位重量液體的位置勢能稱為位置水頭。壓力勢能——如果一口井打到A點，只在井底開口，則水將在壓力作用下沿井管上升到一定高度，說明點A處具有壓力勢能。單位重量液體的壓力勢能稱為壓力水頭或壓強水頭或承壓水頭。00'A位置勢能壓力勢能Z第12頁/共34頁2022/12/1712位置勢能——A點的位置高度為Z，則對2022/12/2313單位重量液體的總機械能之和稱為總水頭，常用H表示。即：總水頭=動能+勢能總水頭=流速水頭+位置水頭+壓力水頭由于天然狀態(tài)下地下水運動很緩慢，流速水頭（即單位液體的動能）很小，可以忽略不計（如當v=1cm/s=864m/d，流速水頭約為0.0005cm）。因此，可以認為：總水頭=位置水頭+壓力水頭（即測壓管水頭）?？偹^常簡稱水頭。第13頁/共34頁2022/12/1713單位重量液體的總機械能之和稱為總水頭2022/12/2314地下水具有粘滯性，在運動過程中能量不斷被消耗，反映在水頭沿流程（流動方向）不斷降低。因此，滲流場中各點的水頭并不都是相等的。通常將滲流場中水頭值相同的各點連成一個面，稱為等水頭面。等水頭面與某一平面（水平面或鉛直面）的交線稱為等水頭線。等水頭面（線）在滲流場中是連續(xù)的，不同數值的等水頭面（線）不會相交。第14頁/共34頁2022/12/1714地下水具有粘滯性，在運動過程中能量不2022/12/2315單位重量液體沿單位長度流程上的機械能損失稱為水頭損失。總水頭線的坡度也稱水力坡度。滲流是連續(xù)水流，則研究其運動時可將其視為連續(xù)函數。第15頁/共34頁2022/12/1715單位重量液體沿單位長度流程上的機械能2022/12/2316地下水運動要素：滲流量Q，滲流速度v，水頭H......等。這些要素都是空間坐標x、y、z和時間t的連續(xù)函數。如：滲流場中各點水頭一般不相等，可表示為H=H(x,y,z,t)第16頁/共34頁2022/12/1716地下水運動要素：第16頁/共34頁2022/12/23175.穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流穩(wěn)定運動（穩(wěn)定流）——地下水所有基本要素的大小和方向不隨時間變化。如：H=H(x,y,z)，v=v(x,y,z)非穩(wěn)定運動（非穩(wěn)定流）——地下水所有基本要素的大小和方向都隨時間變化。如：H=H(x,y,z,t)，v=v(x,y,z,t)第17頁/共34頁2022/12/17175.穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流第17頁/共342022/12/23186.層流與紊流層流與紊流可由雷諾實驗驗證（雷諾數Re＜10時為層流）。第18頁/共34頁2022/12/17186.層流與紊流第18頁/共34頁2022/12/23197.一維流、二維流、三維流一維流（線狀流）——單向運動二維流（平面流）——平面運動三維流（立體流）——空間運動第19頁/共34頁2022/12/17197.一維流、二維流、三維流第19頁/2022/12/2320注意：地下水運動的維數，與所選取的坐標系有關。例如，在軸對稱條件下，若選用直角坐標系，潛水向完整抽水井的運動是三維運動，但在柱坐標系下，則變?yōu)槎S運動。第20頁/共34頁2022/12/1720注意：地下水運動的維數，與所選取的坐2022/12/2321二、地下水運動的基本規(guī)律（基本定律）1.達西定律描述飽和含水層地下水運動的基本規(guī)律。是法國水力學家達西（H.Darcy）通過實驗得出。第21頁/共34頁2022/12/1721二、地下水運動的基本規(guī)律（基本定律）2022/12/2322達西實驗裝置：第22頁/共34頁2022/12/1722達西實驗裝置：第22頁/共34頁2022/12/2323實驗結論：滲流量（Q）與水位差（h1-h2）、過水斷面（ω）成正比，與滲透途徑長度（L）成反比：上式即達西定律。含義：地下水的滲透速度與水力坡度（水頭梯度）的一次方稱正比，因而達西定律也稱線性滲透定律(直線滲透定律，層流運動定律)。第23頁/共34頁2022/12/1723實驗結論：第23頁/共34頁2022/12/2324達西定律（）中：滲透流速v：是水質點的滲流速度。水力坡度I：水流通過單位長度為克服摩擦阻力所損耗的機械能。機械能消耗于滲透途徑上，因此求算I時，水頭差必須與相應的滲透途徑相對應。滲透系數K：當水力坡度為I=1時，則K=v，即滲透系數為水力坡度等于1時的滲透流速。第24頁/共34頁2022/12/1724達西定律（2022/12/2325滲透系數是表示巖石透水性能的重要參數，K值大小一方面取決于介質性質（粒度成分、排列等），另一方面與流體性質有關。當水力坡度為定值時，滲透系數愈大，滲透流速就愈大。滲透流速為一定值時，滲透系數愈大，水力坡度愈小。由此可見，滲透系數可定量說明巖石的滲透性能。滲透系數愈大，巖石的透水能力愈強。第25頁/共34頁2022/12/1725滲透系數是表示巖石透水性能的重要參數2022/12/2326根據K值大小，可將巖石分為以下幾類：強透水巖石(層)：K＞10m/d(粗砂、礫，巖溶發(fā)育巖層)透水巖石(層)：K=10-1m/d(砂，裂隙發(fā)育巖層)微透水巖石(層)：K=1-0.01m/d(亞砂土,裂隙弱發(fā)育巖石)透水極弱巖石(層)：K=0.01-0.001m/d(亞粘土、粘土）不透水巖石(層)：K＜0.001m/d(致密堅硬巖石，粘土、泥巖）只有透水巖層才有可能成為含水層。第26頁/共34頁2022/12/1726根據K值大小，可將巖石分為以下幾類：2022/12/2327松散巖層滲透系數（經驗值）：第27頁/共34頁2022/12/1727松散巖層滲透系數（經驗值）：第27頁2022/12/2328巖層透水特征分類（1）均質與非均質均質巖層：滲流場中所有點都具有相同參數的巖層。

KA=KB=KC=......非均質巖層：滲流場中所有點不都具有相同參數的巖層，滲透系數K=K(x,y,z)，為坐標的函數。

KA=KB≠KC≠......第28頁/共34頁2022/12/1728巖層透水特征分類第28頁/共34頁2022/12/2329（2）各向同性與各向異性各向同性巖層：滲流場中某一點的滲透系數不取決于方向，即不管滲流方向如何都具有相同滲透系數的巖層。Kx=Ky=Kz各向異性巖層：滲流場中某一點的滲透系數取決于方向，滲透系數隨滲流方向不同而不同的巖層。Kx≠Ky=Kz第29頁/共34頁2022/12/1729（2）各向同性與各向異性第29頁/共2022/12/2330一般情況下，砂土中的滲透速度很小，其滲流可以看作是一種水流流線互相平行的流動——層流，滲流運動規(guī)律符合達西定律，滲透速度v與水力梯度i的關系可在v-i坐標系中呈直線。當水力梯度較大時，流速增大，滲流將過渡為不規(guī)則的相互混雜的流動形式——紊流,這時v-i關系呈非線性變化,達西定律不再適用。第30頁/共34頁2022/12/1730一般情況下，砂土中的滲透速度很小，其2022/12/23312.非線性滲透定律當地下水流速較快，呈紊流態(tài)時，符合非線性滲透定律，即：式中m為地下水流態(tài)指數，m=1-2。當m=1時，地下水滲流速度較小，呈層流態(tài)，符合達西公式；當m=2時，地下水滲流速度較大，呈紊流態(tài)，符合哲才（Chezy）公式；當1＜m＜2時，呈混合流態(tài)，符合斯姆列蓋爾(Scheidegger)公式。第31頁/共34頁2022/12/17312.非線性滲透定律第31頁/共34頁2022/12/2332當地下水在較大的空隙中運動，其流速相當大時，水流就呈紊流狀態(tài)。在絕大多數情況下，地下水的運動都符合線性滲透定律。達西定律適用范圍很廣，它不僅是水文地質定量計算的基礎，還是定性分析各種水文地質過程的重要依據。第32頁/共34頁2022/12/1732當地下水在較大的空隙中運動，其流速相2022/12/2333謝謝！第33頁/共34頁2022/12/1733謝謝！第33頁/共34頁2022/12/2334感謝您的欣賞第34頁/共34頁2022/12/1734感謝您的欣賞第34頁/共34頁2022/12/2335地下水運動的

基本概念及基本規(guī)律第1頁/共34頁2022/12/171地下水運動的

基本概念及基本規(guī)律第1頁2022/12/2336一、基本概念1.靜止液體的位置高度、測壓管高度、測壓管水頭結論：靜止液體中各點的測壓管水頭為一常數，其數值等于液面到基準面的距離。基準面位置高度位置高度測壓管高度測壓管高度測壓管水頭第2頁/共34頁2022/12/172一、基本概念基準面位置高度位置高度測壓2022/12/23372.滲流與滲流場滲流——是一種假想水流。即假想地下水不但充滿于含水層空隙空間，也充滿于巖石顆粒所占據的空間。滲流場——發(fā)生滲流的區(qū)域。實際含水層有空隙也有骨架真實水流假定整個含水層全部是空隙假想水流（滲流）第3頁/共34頁2022/12/1732.滲流與滲流場實際含水層真實水流假定2022/12/2338滲流與真實水流的相同之處（假設）：滲流的性質（密度、粘滯性等）與真實水流相同充滿于含水層整個空間（包括空隙空間及巖石顆粒所占據的空間）滲流運動時，在任意巖石體積內所受到的阻力等于真實水流所受到的阻力滲流通過任一斷面時的流量及任一點的壓力或水頭和實際水流相同第4頁/共34頁2022/12/174滲流與真實水流的相同之處（假設）：第42022/12/2339滲流與真實水流的區(qū)別：滲流充滿于整個含水層的空間，包括空隙和巖石顆粒所占據的全部空間；真實水流只存在于空隙中。同一過水斷面處的兩種水流速度不等。兩種水流的運動軌跡、方向不同。滲流的方向代表了實際水流的總體流向。假想水流占據的空間區(qū)域稱為滲流區(qū)或滲流場。滲流場包括空隙和巖石顆粒所占據的全部空間。第5頁/共34頁2022/12/175滲流與真實水流的區(qū)別：第5頁/共34頁2022/12/2340滲流的研究意義：引入滲流概念，可以把實際上并不處處連續(xù)的水流作為連續(xù)的水流來研究，以便利用水力學和流體力學的成果。研究時，既可避開研究個別空隙中液體質點運動的困難，又和實際水流相同，可滿足實際需要。第6頁/共34頁2022/12/176滲流的研究意義：第6頁/共34頁2022/12/23413.滲透流速與實際流速在滲流場中，垂直于滲流方向的巖石斷面，稱為過水斷面。該斷面是整個巖石截面，既包括空隙面積，也包括巖石顆粒所占據的面積。當滲流平行流動時，過水斷面是平面，彎曲流動時，則為曲面。第7頁/共34頁2022/12/1773.滲透流速與實際流速第7頁/共34頁2022/12/2342單位時間內通過過水斷面的水體積稱為滲透流量，又稱滲流量，簡稱流量，通常以Q表示，單位一般為m3/d。單位過水斷面的滲流量稱為滲流速度，又稱滲透流速，即：滲流速度代表滲流在過水斷面上的平均流速，不代表任何真實水流的流速，只是一種假想速度。假設整個過水斷面都被水充滿時，地下水就以這個速度流動。第8頁/共34頁2022/12/178單位時間內通過過水斷面的水體積稱為滲透2022/12/2343實際上，地下水只在空隙中流動，水的運動方向和速度都可能不同。地下水在空隙中的平均速度稱為實際平均流速，簡稱實際流速，即：第9頁/共34頁2022/12/179實際上，地下水只在空隙中流動，水的運動2022/12/2344滲流速度與實際流速之間的關系：當空隙分布均勻時，滲流過水斷面面積大于實際過水斷面積，它們存在以下關系：由于含水層的空隙度n＜１，故滲流速度v永遠小于實際流速u。第10頁/共34頁2022/12/1710滲流速度與實際流速之間的關系：第102022/12/23454.地下水的水頭和水力坡度地下水是運動的，因此具有動能。在含水層中任取一點A，圍繞該點取一微小液塊，其體積為dV，質量為ρdV。水流速為u時，液塊的動能為ρdVu2/2，則A點處單位重量液體的動能為u2/2g。單位重量液體的動能稱流速水頭，具有長度量綱。第11頁/共34頁2022/12/17114.地下水的水頭和水力坡度第11頁/2022/12/2346位置勢能——A點的位置高度為Z，則對于基準面而言，點A處的液塊具有位置勢能（即重力勢能）。單位重量液體的位置勢能稱為位置水頭。壓力勢能——如果一口井打到A點，只在井底開口，則水將在壓力作用下沿井管上升到一定高度，說明點A處具有壓力勢能。單位重量液體的壓力勢能稱為壓力水頭或壓強水頭或承壓水頭。00'A位置勢能壓力勢能Z第12頁/共34頁2022/12/1712位置勢能——A點的位置高度為Z，則對2022/12/2347單位重量液體的總機械能之和稱為總水頭，常用H表示。即：總水頭=動能+勢能總水頭=流速水頭+位置水頭+壓力水頭由于天然狀態(tài)下地下水運動很緩慢，流速水頭（即單位液體的動能）很小，可以忽略不計（如當v=1cm/s=864m/d，流速水頭約為0.0005cm）。因此，可以認為：總水頭=位置水頭+壓力水頭（即測壓管水頭）?？偹^常簡稱水頭。第13頁/共34頁2022/12/1713單位重量液體的總機械能之和稱為總水頭2022/12/2348地下水具有粘滯性，在運動過程中能量不斷被消耗，反映在水頭沿流程（流動方向）不斷降低。因此，滲流場中各點的水頭并不都是相等的。通常將滲流場中水頭值相同的各點連成一個面，稱為等水頭面。等水頭面與某一平面（水平面或鉛直面）的交線稱為等水頭線。等水頭面（線）在滲流場中是連續(xù)的，不同數值的等水頭面（線）不會相交。第14頁/共34頁2022/12/1714地下水具有粘滯性，在運動過程中能量不2022/12/2349單位重量液體沿單位長度流程上的機械能損失稱為水頭損失?？偹^線的坡度也稱水力坡度。滲流是連續(xù)水流，則研究其運動時可將其視為連續(xù)函數。第15頁/共34頁2022/12/1715單位重量液體沿單位長度流程上的機械能2022/12/2350地下水運動要素：滲流量Q，滲流速度v，水頭H......等。這些要素都是空間坐標x、y、z和時間t的連續(xù)函數。如：滲流場中各點水頭一般不相等，可表示為H=H(x,y,z,t)第16頁/共34頁2022/12/1716地下水運動要素：第16頁/共34頁2022/12/23515.穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流穩(wěn)定運動（穩(wěn)定流）——地下水所有基本要素的大小和方向不隨時間變化。如：H=H(x,y,z)，v=v(x,y,z)非穩(wěn)定運動（非穩(wěn)定流）——地下水所有基本要素的大小和方向都隨時間變化。如：H=H(x,y,z,t)，v=v(x,y,z,t)第17頁/共34頁2022/12/17175.穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流第17頁/共342022/12/23526.層流與紊流層流與紊流可由雷諾實驗驗證（雷諾數Re＜10時為層流）。第18頁/共34頁2022/12/17186.層流與紊流第18頁/共34頁2022/12/23537.一維流、二維流、三維流一維流（線狀流）——單向運動二維流（平面流）——平面運動三維流（立體流）——空間運動第19頁/共34頁2022/12/17197.一維流、二維流、三維流第19頁/2022/12/2354注意：地下水運動的維數，與所選取的坐標系有關。例如，在軸對稱條件下，若選用直角坐標系，潛水向完整抽水井的運動是三維運動，但在柱坐標系下，則變?yōu)槎S運動。第20頁/共34頁2022/12/1720注意：地下水運動的維數，與所選取的坐2022/12/2355二、地下水運動的基本規(guī)律（基本定律）1.達西定律描述飽和含水層地下水運動的基本規(guī)律。是法國水力學家達西（H.Darcy）通過實驗得出。第21頁/共34頁2022/12/1721二、地下水運動的基本規(guī)律（基本定律）2022/12/2356達西實驗裝置：第22頁/共34頁2022/12/1722達西實驗裝置：第22頁/共34頁2022/12/2357實驗結論：滲流量（Q）與水位差（h1-h2）、過水斷面（ω）成正比，與滲透途徑長度（L）成反比：上式即達西定律。含義：地下水的滲透速度與水力坡度（水頭梯度）的一次方稱正比，因而達西定律也稱線性滲透定律(直線滲透定律，層流運動定律)。第23頁/共34頁2022/12/1723實驗結論：第23頁/共34頁2022/12/2358達西定律（）中：滲透流速v：是水質點的滲流速度。水力坡度I：水流通過單位長度為克服摩擦阻力所損耗的機械能。機械能消耗于滲透途徑上，因此求算I時，水頭差必須與相應的滲透途徑相對應。滲透系數K：當水力坡度為I=1時，則K=v，即滲透系數為水力坡度等于1時的滲透流速。第24頁/共34頁2022/12/1724達西定律（2022/12/2359滲透系數是表示巖石透水性能的重要參數，K值大小一方面取決于介質性質（粒度成分、排列等），另一方面與流體性質有關。當水力坡度為定值時，滲透系數愈大，滲透流速就愈大。滲透流速為一定值時，滲透系數愈大，水力坡度愈小。由此可見，滲透系數可定量說明巖石的滲透性能。滲透系數愈大，巖石的透水能力愈強。第25頁/共34頁2022/12/1725滲透系數是表示巖石透水性能的重要參數2022/12/2360根據K值大小，可將巖石分為以下幾類：強透水巖石(層)：K＞10m/d(粗砂、礫，巖溶發(fā)育巖層)透水巖石(層)：K=10-1m/d(砂，裂隙發(fā)育巖層)微透水巖石(層)：K=1-0.01m/d(亞砂土,裂隙弱發(fā)育巖石)透水極弱巖石(層)：K=0.01-0.001m/d(亞粘土、粘土）不透水巖石(層)：K＜0.001m/d(致密堅硬巖石，粘土、泥巖）只有透水巖層才有可能成為含水層。第26頁/共34頁2022/12/1726根據K值大小，可將巖石分為以下幾類：2022/12/2361松散巖層滲透系數（經驗值）：第27頁/共34頁2022/12/1727松散巖層滲透系數（經驗值）：