1.3-巖層透水特征及水流折射定律

第一章滲流理論基礎肖長來吉林大學環(huán)境與資源學院2009-9§1.3

巖層透水特征及水流折射定律

1.3.1巖層透水特征分類（1）均質(zhì)與非均質(zhì) 根據(jù)巖層透水性隨空間坐標的變化情況劃分，若滲流場中，任意點都具有相同的滲透系數(shù)，或滲透系數(shù)不隨空間坐標的變化而變化，則該巖層是均質(zhì)的，反之則為非均質(zhì)。巖石的非均質(zhì)分兩類，一類是漸變的，另一類是突變的。

均質(zhì)巖層（Homogeneousstrata/aquifer）：滲流場中所有點都具有相同參數(shù)的巖層。 非均質(zhì)巖層（inhomogeneous/heterogeneousstrata/aquifer）：滲流場中所有點不都具有相同參數(shù)的巖層，滲透系數(shù)K=K(x,y,z)，為坐標的函數(shù)。非均質(zhì)分為兩類，即漸變的和突變的。Homogeneity—Characteristicofamediuminwhichmaterialpropertiesareidenticalthroughout.Amaterialishomogeneousifitshydrologicpropertiesareeverywhereidentical.Heterogeneity—Characteristicofamediuminwhichmaterialpropertiesvaryfrompointtopoint.ContrastwithHomogeneity.Ifhydraulicconductivityisconsistentthroughoutaformation,regardlessofposition,theformationishomogeneous.Ifhydraulicconductivitywithinaformationisdependentonlocation,theformationisheterogeneous.（2）各向同性與各向異性

根據(jù)巖層透水性與滲流方向的關(guān)系劃分，若滲流場中，某一點的K與滲流方向無關(guān)，則該巖層是各向同性的，反之則為各向異性。

各向同性巖層（isotropicstrata/aquifer）：滲流場中某一點的滲透系數(shù)不取決于方向，即不管滲流方向如何都具有相同滲透系數(shù)的巖層。 各向異性巖層（anisotropicstrata/aquifer）：滲流場中某一點的滲透系數(shù)取決于方向，滲透系數(shù)隨滲流方向不同而不同的巖層。Isotropy

—Thatconditioninwhichamediumhasthesamepropertiesinalldirections.Anisotropy

—(1)Theconditionofhavingdifferentpropertiesindifferentdirections.(2)Theconditionunderwhichoneormoreofthehydraulicpropertiesofanaquifervaryaccordingtothedirectionoftheflow.1.3.2滲透系數(shù)張量巖石的透水性是用滲透系數(shù)來衡量的。滲透系數(shù)實際上是個張量。

(1）對于各向同性介質(zhì)，其中任一點的滲透系數(shù)值與滲流方向無關(guān)，是一個標量，水力坡度與滲流方向是一致的。此時，可以表示為如下表達式：

(2)對于各向異性介質(zhì)，K與滲流方向有關(guān)，K不再是標量，水力坡度與滲流方向一般是不一致的。此時，可以表示為如下表達式：即可寫成:（1-23）（1-24a）（1-23）（1-24a）圖1-13在二維空間中，即有

v=K·J

滲透系數(shù)是對稱張量，即Kxy=Kyx，Kxz=Kzx，Kyz=Kzy。在各向異性介質(zhì)中，水力坡度與滲流方向不一致，但在三個方向上兩者是平行的，而且這三個方向稱為主方向。主滲透系數(shù)（主值）是指沿主方向測得的滲透系數(shù)，用K1、K2、K3表示，有Kxx=K1，Kyy=K2，Kzz=K3，此時：（1-24b） （1-25）（1-26）

(1)水流平行層面

特點：水流為穩(wěn)定流，巖層水平分布，各段流量之和等于各部分流量之和，且各段具有統(tǒng)一的水頭，各段具有相同的水力坡度。

1.3.3層狀巖層的等效滲透系數(shù)在自然界中很常見的非均質(zhì)巖層多是由許多透水性各不相同的薄層相互交替組成的層狀巖層。當每一分層的滲透系數(shù)Ki和厚度面Mi已知時，可求出平行于層面的滲透系數(shù)Kp和垂直于層面的滲透系數(shù)Kv。圖1-14層狀巖層中平行于層面的滲流根據(jù)達西定律有：若把其視為整體時，有故

水平巖層的等效滲透系數(shù)為：等效導水系數(shù)為垂直方向巖性漸變時，有（1-27）（1-28）（1-29）

(2)水流垂直層面

特點：水流垂直層面運動，每段水流具有相同的單寬流量，且每段水力坡度不同。 由，由此推導出，

依次類推，有

（1-30）圖1-15層狀巖層中垂直于層面的滲流可見，取決于Ki最小的分層（阻力最大），Ki=0，則Kv=0。另外，總是有。

1.3.4突變界面的水流折射定律根據(jù)水流連續(xù)性條件，當水流斜向由一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，會發(fā)生折射。 如圖所示：水流由K1介質(zhì)進入

K2介質(zhì)中，二者交界面上某一點的滲流速度和水頭在兩介質(zhì)中的值依次為V1、V2和H1、H2。對于界面上的任一點應滿足以下條件：由下圖中幾何條件有：

則有

（1-31）因為，

則得到水流折射定律：（1-32）滲流折射時必須滿足的方程（1-32）。根據(jù)水流折射原理和達西定律，可以幫助分析流場的水動力條件的變化。滲流折射現(xiàn)象討論水流折射定律,可以的出以下結(jié)論：

（1）若K1=K2，則，q1=q2,表明在均質(zhì)介質(zhì)中水流不發(fā)生折射。 （2）若K1≠K2，而且K1，K2均不為0時，q1=0,則q2=0，表明水流垂直通過界面時水流不發(fā)生折射。（3）若K1≠K2