5第五章--地下水运动的基本规律.docx

图5.1达西实验装为小点:图(据Bear.1979)第五章地下水运动的基本规律5.1渗流基本概念海流一地卜水在岩石空隙中的运动称为海流(涔透.地卜径流，海流场一发生港流的区域。层流运动一水的质点作有秩序的.互不混杂的流淌.紊流运动一水的质点无秩序的、相互混杂的流淌.稳定流一各个运动要素(水位、流速、流向等)不由时间变更的水流运动.非稳定流运动要求随时间变更的水流运动.地下水总是从能属较高处流向能收较低处.能态差异是地下水运动的驱动力.地下水的机械能包括动能和协能，水力学中用总水头(hydr:UIliChCad)H表示，水总是从总水头高的地方流向总水头低的地方。5.2重力水运动的基本规律1 .达西定律(Darcy1S1.aw)1856年达西通过试龄得到达西定律.试验在砂柱中进行(P36：图4一1),依据试验结果<i<iim):Q=KA(Hi-H2)Z1.=KAI(5.(1)式中；Q为涔透流带(出口处流量，即通过砂柱各断面的体枳流量)：A为过水断面的面积(砂柱的横断面枳，包括砂颗粒和孔隙面积)；H1出分别为上、下游过水断面的水头；1.为滑透途径(上、下游过水斯面的JIlK):I为水力悌度：K为渗透系数。由水力学：Q=vA得到V=Q/A（而地Z水也适用）（5.2）达西定律也Ur以另一种形式去达流速）：他公式（5.1）及Q=VA得：V=KI（5.3）式中：V渗透流速，mVs；K淮透系数.nx''d.cm,'s:I水力梯度，无量纲（比值）.详细到实际何明：计算流量，Q=K*忆乂（单位一般为：m,d.Us）1.微分形式：VdHV=-Kdx式中：负号表示水流方向与水力梯度方向相反,水流方向（坐标方向）：由水位病一低:而水力梯度方向：山等水位线低一高.在Tft空间中（向量形式：V=-Kj-'i-Kr-j-K.-k=KgrUdHXaXy'SzJiKV=-AfV/,式中：K为渗透系数张量;若用标量我示,V的三个型量分别为:cH匕=-试脸中过水断面31）颗粒无水通过;2）孔隙有水通过.2.海透流速（V）（seepagevelocity,Darcyvelocity）与实际流速（U）渗透流速水流通过整个过水断面（包括砂桥和孔PE）的流速。W5.2假想过水断囱。实叼过水断面<一以SJid水断曲（斜阴线）；I1.实际送水煎面M收部分；阳中畏校边缘粽品部分力有人的玷仆水）速,虚拟流速海透流速.水流实际流过的面积（扣除结合水）水流实际过水断面是扣除结合水所占范国以外的空隙面枳An即：(5.4)An=AIlc式中：nc为有效孔（空）隙度。仃效孔隙度（n<）为生力水流淌的孔I®体枳（不包括洁合水占班的空间）与岩石体枳之比，刻正力水的运动有效）关于有效孔隙度11t:1）nc<ns2）一股重力释水时,空隙中有结合水、毛细水，所以IIVIIe；3）对于粘性土,空隙细小、结合水所占的比例大,所以外很小，尽管n很大：1）对于空隙大的*层（加大的溶隙、裂隙）,ne=n.V的于A不是实际过水断面，V不是真实流速（假设水流通过什架与空隙在内的流令实际过水断面面积为An（孔隙面枳，则渗透；j实际就建U之间的关系为:V=nru（-=>（因n,为<1的小数，故u>v）AAAn3.水力梯度（I）（hydraulicgradient）水力梯度沿途透途径水头损失与相应滑透途径长度的比值.I=-dH/dn式中：n为等水头面（线）的外法线方向,也是水头降低的方向。水在岩石空隙中运动须要克服2个阻力:'1）照壁与水的摩擦阻力：O能破损失O水头损失.2）水旗点之间的摩擦阻力。I.注透系数（COCffkiCntofPCrmCabilily,hydraulicConduclivhy）与港透率（k）海透系数一水力梯收等于】时的渗透流速，关系：1）I为定（ft时,K大.V大：K小.V小v=i）:2）V为定值时，K太，1小u=等水位线疏；K小,1大Un等水位线密，渗透系数可定量说明岩石的渗透性：K大一渗透性强：K小一渗透性弱。一般.松散岩石,岩石颗粒愈相海透系数K愈大.冽定：a.室内土柱试验（达西试5）:b.野外抽水试验.»51部分岩土的泄透系H与透水性*殳名牌/透格数（WM）透水件分发ef.碌。.阳砂.N怖M的我方>10保透水砂、裳除方石10-1中Sa米¼l.也1.泥队兴.WAI*0.01加速水M1.Iftk段知0.01-0.001雄透水帖上、配阳7：<0.001(««»«-AacjfcwIHJewti本力认侦丸队.9M>»5.2松IK岩土力域第效参充值七名林*M<tk<md)松景kt名称潴选泰收（“d。林士oxgs中。5-20¥砂士I-OIS用砂20-50weas-.o欧石100-SOO制的10-50薛石>50)，*«MSr产IK木之Jt盾TWjeWti术研丸p.2K.*ft>我们引入渗透率k（Pcmcabilily）表征岩层对不同流体的固有渗透性能（intrinsicpcr三eability）.海选率k仅仅取决于岩石的空隙性质.与淮流的液体性质无关.滋透系数1）岩石的空隙性版;与渗透率的关系为:2）水的物理性脂（如粘滞性）,Ok仪岩石性侦有关,K=k（Pg）式中：P为液体密度：g为生力加速健：k为液体动力粘滞系数：k的信纳为1.2,常用单位为达西或Cm15.适用范困达西定律：V=Kl.V与1的一次方成正比一线性涔透定律.适用于层流：Re<l-lO.S诺HJReynoldsnumber）一种可用来表征流体海清状况的无状坐玄,以Rc表示，RC=PVd其中V,p.Q分别为流体的流速、密度与拈性系数，d为-特征长度.例如流体流过圆形借道，则d为管道直径.地大多数地下水的运动都听从达西定律.达西定律（小结）：1）水文培版定St计算的基础,2）定性分析水文地质问区的依据：3）深化驾驭其实侦，敏捷运用。5. 3流网流级是海流场中某一瞬时的一条战.线上各水顺点在此瞬时的流向均与此我相切.迹戏港流场中某时段内，某一水质点的运动轨迹.在枪定流条件下一流线与进线重合.流网一在港流场的某断面上，由一系列等水头线与流践殂成的同格。流网的亘法：1 .均质各向同性介质中的流网（稳定流）均顺各向同性介质中流现1.j等水头线构成正交网格.水文地质边界：a.定水头边界H（t）=c：（一类边界&Hb.隔水边界,冬通盘边界一=0：（二类边界）nc.地下水面边界，1）首先依据边界绘制：a.等水位线平行干地表水体的海周（图a）：b.等水位建垂直于隔水边界（图b）：地下水面：c.无入泠补给及其发排泄，有侧向补给，稳定流淌,地卜水面是条流线（图c）：d.有入海补给时，地下水面既不电流税，也不是等水头线（图d）.1密：水力梯度大，K小:2）疏：水力梯度小,K大.II含水层Ikl隔水片潜水而3等水头线三÷河火水冏IJJJ降水入港图5.3等水头线、流线与各类边界的关系2）流线由源指向汇依据补给区、排滑区推断流战的趋向（由补给区指向桂渔区）。JI）密：径流强V大：MuiI2）疏：径流弱,V小./IH泣找II好水头HiIIt卜一»*<*llI井（冰色就分在水）IJI降水入津II绘，.十的人*彳II代&TDS人小的？WMKM依机TDS虺人）图$»河间地块剖面而网<%>lN.'rt.IM).ttft)从图可见：1 ）分水岭处,流雄从上指向下一水平一再向上（总的趋向；流线由补给区指向排泄区）；2 ）在分水岭打井，井中水位随井深加大而降低；河谷地带井水位随井深加大而抬高：3Ih分水岭到河谷.流线加密,流盘增大,地下径流加强：4 ）由地龙向深部，地下径流减弱：5 ）河谷下方，地下水的下化度最高。6 .层状非均质介质中的流网1）两层介版,渗透系数Kz>K,K2=3K:*f>'1匕二强，水出曲故E3's水会线FTTl测Jk水物线图5.5整状IE均质介唾一推茂条件下俏流MKz中流线密度为Kl的3倍,因此K?径流强,流量大.更多的流盘通过海透性好的介质”2）两块介质：a.Ki中等水位（头）线密间隔数为K2的3倍1Kl中水力梯度大,K!中水力梯度小:b.在渗透较差的KI中,消耗的机械能大.是Kz的3倍.3>流线与岩层界面斜交流践发生折射，听从下列规律：K,_IanaK2tan。.(证明见地下水动力学)3.»为流规与分界面法战的夹角，含水层中存在透镜体时透货体：a.渗透性强一流线向其汇聚:b.渗透性弱一流莲骁流。5.4饱水粘土中水的运动规律依据试验，港透流速V与水力梯度I主要存在三种关系：图5.9饱水站件上海透实父的各类r-/关系曲线(CKuti1Iek.1969；MillerTf,1963；OImi.1966)1) V-I为通过原点的直城，听从达西定律；2) V-I不通过原点：a.V=0.I<Io:b.V>0.I>Io53)VT通过原点：a.曲线.1<:b.直线,I>1.,:式中：1“_称为起始水力梯度：V-I直战部分可表示为；V=K<-Io)o思索题1 .港流？2 .港流场？3,层流运动？4 .素流运动？5 .枪定流？6 .非稳定流？7,港透流速？8 .实际流速？9 .有效孔隙度？10 .水力梯度？11 .懑透系数？12 .流网？13 .流线?14 .迹线?15 .据地下水流淌状态，地下水运动分为和016 .据地F水运动要素与时间的关系，地下水运动分为和。17 .水力梯度为定值时,溶透系数，港透流速就,<18 .渗透流速为定值时，注透系数，水力梯度.19 .港透系数可以定最说明岩石的.渗透系数.愈大，岩石的透水实力,20 .流网是由一系列与组成的网格.21 .在均质各向同性介质中,地下水必定沿着水头变更最大的方向,即垂直于的方向运动，因此.流线与等水头线构成-22 .流战总是由指向。23 .假如规定相领两条流线之间通过的流量相等,则流级的畸密可以反映.等水头线的疏密则说明水力悌度的.24 .说明达西定律中各项物理意义？25 .港流的驱动力是什么？如何表征其大小？26 .地卜水的侦点流速、实际流速、渗透流逑有何关系？如何确定这些流速？27 .达西公式的应用条件是什么？28 .如何埋解达西定律体现了场麻守恒和能½守恒原理？29 .图5.10为河间地块剖面二维地下水稳定流淌，两河水位相等、匀称稳定入港。试在制面图上示意画出潜水水位线与流网,标明地下分水岭，并用达西定律简述理由：以隔水底板为基准面.请依据你绘制得出的渔网标出点的测味水头I1.位置水头Z及压力水头h.30 .渔网有何特性与用途？各向同性介质与各向异性介质的流河有何异同？31 .须要在图5.IO所示条件下选择垃圾填埋场,试说明该垃圾场放在什么位置上对地下水的污染风隐最小？32 .何为海透流速？涔透流速与实际流速的关系如何？33 .有效孔隙度与孔隙度、给水度有何关系？34 .影响渗透系数大小的因素有哪些？如何影响？35 .尚述绘制流网图的一般步骤？36 .流网图一般能够反映什么信息？37 .在层状非均质岩层中,流线与岩层界线以肯定角发斜交时,发生折射试写出折射定律，并说明各项的物理意义？38 .叙述粘性土渗透流速(V与水力梯度(1主要存在的三种关系？39 .叙述流网的画法，以及利用流网图可斛决的问题？-10.在等厚的承质含水层中,实际过水断面而枳为400平方米的流出为100oO立方米/天.含水层的孔隙度为0.25.试求含水层的实际水流速度和洁透速僮.11.一底板水平的含水层，观测孔A、B、C彼此相距100O米，A位于B的正南方，CWI在AB线的东面。A,B、C的地面高程分别是95、IIO和135米，A中水位埋深为5米，B中和C中的水位埋深分别是3()米和35米,试确定通过二角形ABC的地下水流的方向，并计圆其水力梯度.42.有三个地层，fti个25米厚，相互看黄，修如在这个层组中设设一个不变流速的垂向水流场，使其顶部h=120米，底部h=100米,试计笄内部两个边界处的h值(设顶部地层的渗透系数为O.(XX)1米/天.中部地层为0.0005米/天.底部地层为0.(X)l米/天).13.考虑一个饱和、均质、各向同性、氏方形、垂向剖面ABCDA.其上部边界为AB.底部边界为DC，左网边界为AD,右侧边界为BC使DC的距面为AD的两倍.BC和DC是不透水的。AB是一个不变水头边界，h=100米.AD被分为两个相等的长度，其上半部分为不透水,下半部分是不变水头边界,h=4)米.试示幽绘出流网图.14.已知一等厚、均质、各向同性的承压含水层，其浅透系数为15米/天,孔隙度为02沿着水流方向的两观测孔A、B间足1.=1200米，其水位标高分别为Ha=5.4米，Hb=3米。试求地卜冰的渗透速度和实际速度-15.已知一等厚、均质、各向同性的承压含水层，其浅透系数为2()米/天,A、B两断向间距为5000米，两断而处的承压水头分别为130.2米和125.2米.武计铝两断面间的水力梯度和总宽流砒。