地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律課件

水文地質(zhì)學(xué)第五講地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律水文地質(zhì)學(xué)第五講2023/9/102OUTLINE與地下水運(yùn)動(dòng)有關(guān)的幾個(gè)基本概念重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律Darcy試驗(yàn)與Darcy定律滲透、滲透速度及滲透系數(shù)的概念流網(wǎng)流網(wǎng)的基本概念與繪制原則流網(wǎng)的用途飽和粘性土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律2023/8/32OUTLINE與地下水運(yùn)動(dòng)有關(guān)的幾個(gè)基本概本章的核心問題地下水是如何運(yùn)動(dòng)的？你想象一下，是怎樣一個(gè)狀況？如何去認(rèn)識(shí)地下水的運(yùn)動(dòng)？如何刻畫地下水的運(yùn)動(dòng)？在實(shí)際工程應(yīng)用中，如何運(yùn)用地下水運(yùn)動(dòng)的規(guī)律？本章的核心問題地下水是如何運(yùn)動(dòng)的？2023/9/104幾個(gè)基本概念地下水在巖石空隙中的運(yùn)動(dòng)稱為滲流，或者滲透。滲流比地表水的運(yùn)動(dòng)緩慢得多。層流與紊流：在巖石空隙中滲流時(shí)，水的質(zhì)點(diǎn)作有序的、互不混雜的流動(dòng)，稱作層流運(yùn)動(dòng)。在巖石空隙中滲流時(shí)，水的質(zhì)點(diǎn)無序地、互相混雜的流動(dòng)，稱作紊流運(yùn)動(dòng)。穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流：水在滲流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)運(yùn)動(dòng)要素（水位、流速、流向等）不隨時(shí)間而改變的滲流，稱作穩(wěn)定流；運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間而變化的滲流稱作非穩(wěn)定流。2023/8/34幾個(gè)基本概念地下水在巖石空隙中的運(yùn)動(dòng)稱為滲2023/9/105重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律1856年法國水力學(xué)家達(dá)西通過大量的試驗(yàn)，總結(jié)得出重力水運(yùn)動(dòng)的線性滲透規(guī)律。達(dá)西試驗(yàn)：在裝有砂的圓筒中進(jìn)行；圓筒上下各設(shè)置一個(gè)測(cè)壓管；采取溢流措施來控制常水頭；2023/8/35重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律1856年法國水力學(xué)家達(dá)西定律試驗(yàn)達(dá)西定律試驗(yàn)2023/9/107達(dá)西定律——重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律根據(jù)大量的試驗(yàn)，得到如下關(guān)系式：上式即為達(dá)西公式，等式兩邊除以面積，得另一個(gè)表達(dá)式：達(dá)西定律可表述為：地下水的滲透流速與水力梯度的一次方成正比。故又稱作線性滲透定律。2023/8/37達(dá)西定律——重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律根據(jù)大量的2023/9/108達(dá)西定律要素分析：滲透流速（v）達(dá)西公式中的過水?dāng)嗝姒厥侵干爸臋M斷面積，其中包括顆粒所占面積和空隙所占面積；而水流通過的實(shí)際斷面是扣除結(jié)合水所占面積的空隙面積ω’。二者有如下關(guān)系：上式中的有效空隙度是指重力水流動(dòng)的空隙體積（不包括結(jié)合水所占體積）與巖石體積（包括空隙體積）之比，因此小于巖石的空隙度，但大于給水度。特別是對(duì)粘性土尤其如此。滲透流速v不是真實(shí)流速，而是假設(shè)水流通過巖石整個(gè)斷面時(shí)所具有的虛擬流速。與真實(shí)流速u有如下關(guān)系：2023/8/38達(dá)西定律要素分析：滲透流速（v）達(dá)西公式中2023/9/109達(dá)西定律要素分析：水力梯度（i）水力梯度（i）定義為沿滲透途徑水頭損失與相應(yīng)滲透途徑長(zhǎng)度的比值。強(qiáng)調(diào)水頭損失（水頭差）與滲透途徑（長(zhǎng)度）的相對(duì)應(yīng)。水頭梯度可以理解為水流通過單位長(zhǎng)度滲透途徑為克服阻力而消耗的機(jī)械能；也可從另一角度，理解為克服阻力使水能以一定速度流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。為什么會(huì)有水頭損失？A:地下水在巖石空隙中運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須克服水與隙壁之間，以及流動(dòng)快慢不一的水質(zhì)點(diǎn)之間的摩擦力，從而消耗機(jī)械能，造成水頭（能量）損失。2023/8/39達(dá)西定律要素分析：水力梯度（i）水力梯度（2023/9/1010達(dá)西定律要素分析：滲透系數(shù)（K）滲透系數(shù)可以定量地描述巖石的滲透性能，滲透系數(shù)越大，則巖石的透水能力越強(qiáng)。從達(dá)西公式可知，水力梯度為無因次的，因此滲透系數(shù)可以定義為水力梯度等于1時(shí)的滲透流速。滲透系數(shù)與滲透的液體有關(guān)嗎？

地下水運(yùn)動(dòng)時(shí)，須克服水與隙壁之間及水質(zhì)點(diǎn)之間的摩擦力，因此滲透系數(shù)不僅與巖石空隙性質(zhì)有關(guān)，而且與滲透的液體某些性質(zhì)，如黏度有關(guān)。一般情況下，水的物理性質(zhì)變化不大，在研究地下水時(shí)，把滲透系數(shù)看作單純是說明巖石滲透性能的參數(shù)。2023/8/310達(dá)西定律要素分析：滲透系數(shù)（K）滲透系數(shù)2023/9/1011達(dá)西定律并不適用于所有層流運(yùn)動(dòng)的地下水。而是指適用于雷諾數(shù)小于1~10之間某一數(shù)值的層流運(yùn)動(dòng)，當(dāng)超過此范圍，滲透流速v與水力梯度

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之間不再是線性關(guān)系。值得慶幸的是，絕大多數(shù)情況下地下水運(yùn)動(dòng)都非常緩慢，都服從達(dá)西定律。達(dá)西定律是水文地質(zhì)定量計(jì)算的基礎(chǔ)，也是定性分析各種水文地質(zhì)過程的依據(jù)。需要深刻理解，靈活運(yùn)用。達(dá)西定律要素分析：滲透系數(shù)（K）2023/8/311達(dá)西定律并不適用于所有層流運(yùn)動(dòng)的地下水。Darcy定律的應(yīng)用

軟土的排水固結(jié)問題軟土，正如其名稱所示，是工程力學(xué)性能很弱（差）的土，包括飽和粘土和飽和粉質(zhì)粘土（液性指數(shù)大于1.0，孔隙比大于1.0）。軟土作為建筑物或構(gòu)筑物的地基，其承載力低，變形大，因此必須事先進(jìn)行加固或處理（地基處理）。軟土地基加固的最常用方法，就是排水固結(jié)法，包括荷載系統(tǒng)和排水系統(tǒng)兩部分。這是地基處理中最具有理論和技術(shù)含量的方法。其核心除了土力學(xué)中土的強(qiáng)度理論外，就是深刻理解軟土的滲透特性和滲透規(guī)律。這就是土力學(xué)中的固結(jié)理論。2023/9/1012Darcy定律的應(yīng)用

軟土的排水固結(jié)問題軟土，正如其名稱所示VerticalConsolidationDrains(wickdrains)VerticalConsolidationDrains基坑降水基坑降水2023/9/1015流網(wǎng)幾個(gè)問題：水頭是什么？等水頭線怎么來的？能否在滲流場(chǎng)中作出等水頭面？流線與跡線流線是滲流場(chǎng)中某一時(shí)刻的一條線，線上各水質(zhì)點(diǎn)在此時(shí)刻的瞬時(shí)流向均與此線相切。因此沒有水質(zhì)點(diǎn)穿過流面（線）。跡線是滲流場(chǎng)中某一時(shí)間段內(nèi)某一水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。在穩(wěn)定流條件下流線與跡線重合。流網(wǎng)：在滲流場(chǎng)的某一典型剖面上，由一系列等水頭線與流線相交組成的網(wǎng)格稱為流網(wǎng)。2023/8/315流網(wǎng)幾個(gè)問題：2023/9/1016均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)均質(zhì)與非均質(zhì)介質(zhì)：均質(zhì)介質(zhì)：在空間中任何位置，介質(zhì)的性質(zhì)都相同的介質(zhì)（往往相對(duì)應(yīng)某一個(gè)物理量）。非均質(zhì)介質(zhì)：在空間中至少可選出兩個(gè)位置，介質(zhì)的性質(zhì)或某一特定性質(zhì)不相同的介質(zhì)。各向同性與各向異性介質(zhì)：各向同性介質(zhì)：指介質(zhì)的物理量不具有方向性，在各個(gè)方向上均相同（往往相對(duì)應(yīng)某一個(gè)物理量）。各向異性介質(zhì)：指介質(zhì)的物理量或某一特定物理量至少在兩個(gè)方向上不相等。均質(zhì)各向同性介質(zhì)，這里即指其中的滲流在任何位置和沿任何方向受到的阻力都是相同的。2023/8/316均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)均質(zhì)與非均質(zhì)介質(zhì)2023/9/1017均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)（2）地下水必定是沿水頭變化最大的方向流動(dòng)，即垂直于等水位線的方向。則流線與等水位線垂直，流網(wǎng)為正交網(wǎng)格。作流網(wǎng)的方法：根據(jù)邊界條件繪制易于確定的等水頭線和流線。圖4-3。定水頭邊界，如地表水體的斷面一般可以看作是等水頭線隔水邊界為零通量的面，因此平行隔水邊界可繪出流線地下水面邊界，當(dāng)無降水補(bǔ)給、蒸發(fā)排泄，而有側(cè)向補(bǔ)給作穩(wěn)定滲流時(shí)，可看作流線？！。而有垂直補(bǔ)給或排泄時(shí)，既非流線，亦非等水位線。流線總是由補(bǔ)給區(qū)指向排泄區(qū)，依此確定流線的趨勢(shì)；當(dāng)滲流場(chǎng)中不止一個(gè)補(bǔ)給區(qū)或排泄區(qū)時(shí)，首先應(yīng)確定分流線。再根據(jù)流線與等水位線正交的原則，在已知流線和等水位線基礎(chǔ)上，插補(bǔ)其余的部分。2023/8/317均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)（2）地下水必定2023/9/1018均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)（3）如果規(guī)定相鄰兩條流線之間的流量相等，則流線的疏密可表征滲流的強(qiáng)弱。越密，徑流越強(qiáng)。等水頭線的疏密代表水力梯度的大小。以河間地塊流網(wǎng)圖，圖4-4：說明示意流網(wǎng)的繪制方法。說明流網(wǎng)在實(shí)際工作中的應(yīng)用。2023/8/318均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)（3）如果規(guī)定相2023/9/1019層狀非均質(zhì)介質(zhì)中的流網(wǎng)層狀非均質(zhì)介質(zhì)是指每一層介質(zhì)是均質(zhì)各向同性的，但不同層的滲透性不同的介質(zhì)。圖4-5a：上下兩層組成的層狀非均質(zhì)介質(zhì)中的流網(wǎng)；圖4-5b：前后兩層組成的層狀非均質(zhì)介質(zhì)中的流網(wǎng)。2023/8/319層狀非均質(zhì)介質(zhì)中的流網(wǎng)層狀非均質(zhì)介質(zhì)是指圖4-6：流線與巖層界面既不垂直，也不平行。則流線穿越界面時(shí)服從折射定律：2023/9/1020圖4-6：流線與巖層界面既不垂直，也不平行。則流線穿越界面時(shí)例子一，圖4-7。例子二，含水層中存在強(qiáng)/弱透水性的透鏡體的情況，圖4-8。2023/9/1021例子一，圖4-7。2023/8/3212023/9/1022飽和軟粘土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律根據(jù)目前已有的試驗(yàn)結(jié)果，粘性土滲透流速與水力梯度之間有如下三種關(guān)系：通過原點(diǎn)的直線，服從達(dá)西定律；不通過原點(diǎn)，只有水力梯度大于某一值后才開始滲流，開始階段為向I軸凸出的曲線，然后轉(zhuǎn)為直線通過原點(diǎn)，I較小時(shí)為向I軸凸出的曲線，I大時(shí)變?yōu)橹本€。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，也可能得到其他類型的試驗(yàn)曲線。2023/8/322飽和軟粘土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律根據(jù)目前已有的試2023/9/1023飽和軟粘土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)于圖4-9c的解釋（張忠胤）：K趨于定值前的滲流稱為隱滲流；之后的滲流為顯滲流。由于結(jié)合水的抗剪強(qiáng)度隨著離顆粒表面的距離的增大而降低，因此當(dāng)施加的水力梯度較小時(shí)，只有孔隙中心抗剪強(qiáng)度小的那部分結(jié)合水發(fā)生運(yùn)動(dòng)；隨著I的增大，參與滲流運(yùn)動(dòng)的結(jié)合水厚度加大，即水流動(dòng)的有效孔隙面積擴(kuò)大，隱滲流階段的K是I的函數(shù)。由于內(nèi)層結(jié)合水的抗剪強(qiáng)度隨著靠近顆粒表面而迅速增大，當(dāng)I進(jìn)一步增大時(shí)，參與運(yùn)動(dòng)的結(jié)合水厚度將不再有明顯擴(kuò)大。此時(shí)，K趨于定值。2023/8/323飽和軟粘土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)于圖4-9c的2023/9/1024復(fù)習(xí)思考題牢記達(dá)西定律及達(dá)西定律表達(dá)式掌握滲透流速、水力梯度、滲透系數(shù)的涵義流線、流網(wǎng)的概念，掌握流網(wǎng)繪制的基本步驟，了解邊界條件在流網(wǎng)繪制中的意義和應(yīng)用。掌握飽和粘性土中的水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（圖4-9c），熟悉張忠胤的觀點(diǎn)。2023/8/324復(fù)習(xí)思考題牢記達(dá)西定律