第四章地下水运动的基本规律精选文档.ppt

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1、第四章地下水运动的基本规律本讲稿第一页，共五十九页第四章第四章 地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律4.1 4.1 渗流基本概念及地下水的运动形态渗流基本概念及地下水的运动形态4.2 4.2 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律4.3 4.3 流网流网4.4 4.4 饱水粘性土中水的运动规律饱水粘性土中水的运动规律本讲稿第二页，共五十九页 4.1 4.1 渗流基本概念及地下水的运动形态渗流基本概念及地下水的运动形态渗流（渗流（seepage flowseepage flow）：）：地下水在岩石空隙中的运动称为地下水在岩石空隙中的运动称为渗流或渗透渗流或渗透。地下水渗流地下水渗流遵循水力

2、学基本原理；水力学的遵循水力学基本原理；水力学的许多概念、多概念、定律、方法都可用来研究渗流；定律、方法都可用来研究渗流；两者差异两者差异：水力学研究水在水力学研究水在管道管道、渠道渠道中的流动，水流速度较快中的流动，水流速度较快明明流流；流体（水）在流体（水）在岩石空隙岩石空隙中的流动，因空隙细小，水流很中的流动，因空隙细小，水流很缓慢缓慢地下水渗流地下水渗流。本讲稿第三页，共五十九页 4.1 4.1 渗流基本概念及地下水的运动形态渗流基本概念及地下水的运动形态渗流场（渗流场（flow fieldflow field）：）：发生渗流的区域称为发生渗流的区域称为渗流场渗流场。渗流渗流场是是地下

3、水运地下水运动的空的空间；渗流场由渗流场由固体颗粒骨架固体颗粒骨架和和岩石空隙岩石空隙两部分组成，渗流只发两部分组成，渗流只发生在生在岩石空隙岩石空隙中；中；无论是固体颗粒骨架，还是岩石空隙空间，在无论是固体颗粒骨架，还是岩石空隙空间，在微观上讲微观上讲都不是连续的都不是连续的。本讲稿第四页，共五十九页 4.1 4.1 渗流基本概念及地下水的运动形态渗流基本概念及地下水的运动形态渗流的复杂性渗流的复杂性以多孔介质为例：以多孔介质为例：水流运水流运动途径曲折、复途径曲折、复杂；水流受孔隙介质控制，水质点流速的大小、方向频繁水流受孔隙介质控制，水质点流速的大小、方向频繁变化；变化；由于孔隙通道狭小

4、、水流所受阻力很大，流速极其缓慢。由于孔隙通道狭小、水流所受阻力很大，流速极其缓慢。渗透性很好的砾石层中水的平均流速仅为每天几米、几渗透性很好的砾石层中水的平均流速仅为每天几米、几十米。十米。水流的运动要素（水位、流速、流向等）常常不是空间的水流的运动要素（水位、流速、流向等）常常不是空间的连续函数。连续函数。本讲稿第五页，共五十九页 4.1 4.1 渗流基本概念及地下水的运动形态渗流基本概念及地下水的运动形态地下水的运动形态地下水的运动形态按水流流按水流流态分分为：层流：流：在岩在岩层空隙中渗流空隙中渗流时，水，水质点作有秩序的、互不混点作有秩序的、互不混杂的流的流动，称称为层流运流运动。如

5、砂、裂隙不很。如砂、裂隙不很宽大的基岩中水的流大的基岩中水的流动。紊流紊流：在岩：在岩层空隙中渗流空隙中渗流时，水，水质点作无秩序的、互相混点作无秩序的、互相混杂的流的流动，称，称为紊紊流运流运动。如大的溶穴、。如大的溶穴、宽大裂隙中水的流大裂隙中水的流动。作紊流运作紊流运动时，水流所受阻力比，水流所受阻力比层流状流状态大，消耗的能量大，消耗的能量较多。多。按地下水运动要素随时间的变化情况分为：按地下水运动要素随时间的变化情况分为：稳定流定流：水在渗流场内运动时，各个运动要素（水位、流速、流向等）：水在渗流场内运动时，各个运动要素（水位、流速、流向等）不随时间改变，称为稳定流。不随时间改变，称

6、为稳定流。非非稳定流定流：水质点的各个运动要素随时间改变的水流运动。：水质点的各个运动要素随时间改变的水流运动。本讲稿第六页，共五十九页 4.1 4.1 渗流基本概念及地下水的运动形态渗流基本概念及地下水的运动形态水水头：水流中空间上某点所具有的总势能。根据：水流中空间上某点所具有的总势能。根据水力学原理水力学原理，水流运，水流运动中任意点总水头可表示为：动中任意点总水头可表示为：在渗流场中：在渗流场中：本讲稿第七页，共五十九页（一）达西定律（一）达西定律达西达西(1856年):法国水力学家，通过大量实验得到线性渗透定律。实验实验：装有砂的圆筒（图)。水由筒的上端加入,流经砂柱,由下端流出。上

7、游用溢水设备控制水位,使实验过程中水头始终保持不变。在圆筒的上下端各设一根测压管，分别测定上下两个过水断面的水头。下端出口处设管嘴以测定流量。4.2 4.2 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律本讲稿第八页，共五十九页根据实验结果，得到下列关系式根据实验结果，得到下列关系式：Q=Kh/L=KIQ=Kh/L=KI （达西公式）达西公式）式中式中:Q:Q渗透流量渗透流量(出口处流量，通过砂柱各断面的流量；出口处流量，通过砂柱各断面的流量；过水断面过水断面(在实验中相当于砂柱横断面积在实验中相当于砂柱横断面积)；hh水头损失水头损失(h=H(h=H1 1-H-H2 2,即上下游过水断面的水头差即

8、上下游过水断面的水头差)；LL渗透途径（上下游过水断面的距离渗透途径（上下游过水断面的距离)；II水力梯度水力梯度(相当于相当于h/Lh/L，即水头差除以渗透途径）；，即水头差除以渗透途径）；kk渗透系数。渗透系数。本讲稿第九页，共五十九页 由水力学可知由水力学可知,通过某一断面的流量通过某一断面的流量Q Q等于流速等于流速V V与与过水断面过水断面的乘积的乘积,即即：Q=V Q=V 即即 V=Q/V=Q/据此达西定律可以写为另一种形式，即：据此达西定律可以写为另一种形式，即：V=KIV=KI 水在多孔介质中的渗透流速与水力梯度水在多孔介质中的渗透流速与水力梯度的一次方成正比的一次方成正比达西

9、定律（线性渗透定律）达西定律（线性渗透定律）。本讲稿第十页，共五十九页（二）渗透流速（二）渗透流速（V V）过水断面过水断面：指砂柱的横断面积指砂柱的横断面积 在该面积中在该面积中,包括包括砂砂颗粒所占据的面粒所占据的面积及及空隙所空隙所占据的面占据的面积，而水流实际流过的面积是，而水流实际流过的面积是扣除扣除结合水所合水所占据的范占据的范围以外的空隙面以外的空隙面积 ,即:式中:有效空隙度有效空隙度。本讲稿第十一页，共五十九页有效空隙度有效空隙度 ：指重力指重力水流动的空隙体积水流动的空隙体积(不包括结合水占据的空间）不包括结合水占据的空间）与与岩石体积岩石体积之比。之比。本讲稿第十二页，共

10、五十九页孔隙度孔隙度n n、给水度、给水度、有效空隙度、有效空隙度 大小的比较：大小的比较：有效空隙度 给水度（由于重力由于重力释水水时空隙空隙中所保持的除中所保持的除结合水外合水外,还有孔角毛有孔角毛细水及水及悬挂毛挂毛细水水,故有效孔隙度 给水度）。粘性土粘性土：由于空隙空隙细小小,结合水所占比例大合水所占比例大,所以有效孔隙度很小。空隙大的岩层空隙大的岩层（例如溶穴发育的可溶岩，有宽大裂隙的裂隙岩层）：=n。本讲稿第十三页，共五十九页 讨论可知：不是实际的过水断面,故V V也并非真实的流速,而是假设水流通过包括骨架与空隙在内的断面（）时所具有的一种虚拟流速虚拟流速。令通过实际过水断面 时

11、的实际流速实际流速为u 即:因为Q=VQ=V，比较上两式，比较上两式可写为以下等式：又因为 ，所以可得 即：渗透流速等于实际流速与有效空隙度的乘积。本讲稿第十四页，共五十九页水力梯度的概念：水力梯度的概念：水力梯度水力梯度I I的定义：的定义：沿渗透途径水头损失渗透途径水头损失与相应渗透途径长度相应渗透途径长度的比值。水力梯度水力梯度I I的讨论：的讨论：水在空隙中运动时水在空隙中运动时,必须克服必须克服水与隙壁水与隙壁以及以及流动快流动快慢不同的水质点之间的摩擦阻力慢不同的水质点之间的摩擦阻力(摩擦阻力随水流速摩擦阻力随水流速增加而增大增加而增大),),而消耗机械能而消耗机械能,造成水头损失

12、。造成水头损失。（三）水力梯度（三）水力梯度（I I）本讲稿第十五页，共五十九页水力梯度的理解：水力梯度的理解：水流通过单位长度渗透途径为克服摩擦阻力所耗失的机械能。驱动力,即克服摩擦阻力使水以一定速度流动的力量。从这个角度来说，达西定律的实质是从这个角度来说，达西定律的实质是能量守恒与转化能量守恒与转化定律定律在地下水流运动中的具体体现。在地下水流运动中的具体体现。注意注意：既然机械能消耗于渗透途径上，因此，既然机械能消耗于渗透途径上，因此，求算水力梯度求算水力梯度I I时时,水头差必须与相应的渗透途径相对应水头差必须与相应的渗透途径相对应。本讲稿第十六页，共五十九页渗透系数的概念：渗透系数

13、的概念：渗透系数渗透系数表征岩石渗透性能的定量指标。渗透系数的单位：渗透系数的单位：一般采用m/d、cm/s渗透系数的物理意义：渗透系数的物理意义：由达西公式(V=KIV=KI）可知：渗透系数为水力梯度渗透系数为水力梯度I=1I=1时的渗透流速。时的渗透流速。（四）渗透系数(K)本讲稿第十七页，共五十九页渗透系数的影响因素：渗透系数的影响因素：(V=KIV=KI）a.a.渗透系数与渗透系数与水力梯度水力梯度、渗透流速渗透流速有关有关 水力梯度=定值时,渗透系数愈大,渗透流速就愈大；渗透流速=定值时,渗透系数愈大,水力梯度愈小。渗透系数愈大,岩石透水能力愈强。本讲稿第十八页，共五十九页 b.b.

14、渗透系数与渗透系数与岩石的空隙性质岩石的空隙性质有关有关 C.C.渗透系数与渗透系数与水的某些物理性质水的某些物理性质有关有关 水流在岩石空隙中运动,需要克服隙壁与水及水质点间的摩擦阻力摩擦阻力，例如：粘滞性不同的两种液体在同一岩石中运动,则粘滞性大的液体渗透系数就小于粘滞性小的液体。一般情况下当水的物理性质变化不大时,把渗透系数看成单纯说明岩石渗透性能的参数；但在研究卤水或热水运动时,还需要考虑其它因素。本讲稿第十九页，共五十九页表表4-1 4-1 松散岩石渗透系数参考值松散岩石渗透系数参考值本讲稿第二十页，共五十九页达西定律的适用范围：达西定律的适用范围：渗透流速V与水力梯度I的一次方成正

15、比,故达西定律又称线线性渗透定律性渗透定律。但多次实验表明,只有雷诺数（Re）1-10之间某一数值的层流层流运动运动才服从达西定律，超过此范围，V与I不是线性关系。绝大多数情况下,地下水的运动都符合线性渗透定律,因此,达西定律适用范围很广。它不仅是水文地质定量计算的基础，还是定性分析各种水文地质过程的重要依据。深入掌握达西定律的物理实质，灵活的运用它来分析问题，是水文地质工作者应当具备的基本功。本讲稿第二十一页，共五十九页达西定律具体适用范围为：达西定律具体适用范围为：存在一个临界雷诺数Re临（110），Re临是达西定律成立的上限，当ReRe R Re e临临，即低雷诺数时，属低速流，这时该区

16、域内达西定律适用。当Re临Re2060时，出现一个过渡带过渡带，从层流运动过渡到非线性层流运动。高雷诺数时为紊流紊流，达西定律失效达西定律失效。本讲稿第二十二页，共五十九页野外实验证实：当I=0.000050.05之间变动时，达西定律成立。地下水不仅在多孔介质中的渗流，在裂隙、溶穴中的渗流多数情况下也服从达西定律。达西定律的适用范围实际上相当广泛。因地下水的渗流运动极其复杂，用雷诺数确定的层流 过渡带 紊流，还没有精确的分界线，达西定律的适用范围至今还没有彻底解决。本讲稿第二十三页，共五十九页基本概念基本概念均质各向同性介质均质各向同性介质中的流网中的流网层状非均质介质层状非均质介质中的流网中

17、的流网4.3 4.3 流网流网本讲稿第二十四页，共五十九页（一）基本概念渗流渗流场：地下水流地下水流动（运（运动）的空）的空间。流网是描述渗流流网是描述渗流场中地下水流中地下水流动状况的有效工具。状况的有效工具。流网流网：在渗流：在渗流场的某一典型剖面或切面上，由一系列等水的某一典型剖面或切面上，由一系列等水头线与流与流线组成的网格，称成的网格，称为流网流网。流流线：是渗流：是渗流场中某一瞬中某一瞬时的一条的一条线，线上各个水上各个水质点在此瞬点在此瞬时的流向均与此的流向均与此线相切。相切。流流线是某是某时刻各水刻各水质点流向的点流向的连线，可看作水，可看作水质点运点运动的的摄影。影。迹迹线：

18、是渗流：是渗流场中某一中某一时间段内某一水段内某一水质点的运点的运动轨迹。迹。迹迹线是是对水水质点运点运动所拍的所拍的电影。影。在在稳定流条件下，流定流条件下，流线与迹与迹线重合。重合。等水等水头线：在某：在某时刻，渗流刻，渗流场中水中水头值相等的各点相等的各点连线。（水。（水势场的分布）的分布）本讲稿第二十五页，共五十九页（一）基本概念同一点各方向上渗透性相同的介同一点各方向上渗透性相同的介质称称为各向同性介各向同性介质 （isotropy）；同一点各方向上渗透性不同的介同一点各方向上渗透性不同的介质称称为各向异性介各向异性介质 （anisotropy）；均均质（homogencity）、）

19、、非均非均质（inhomogencity）：指渗透系数）：指渗透系数K K与空与空间坐坐标的关系，即不同点的渗透系数的关系，即不同点的渗透系数K K是否相同；是否相同；各向同性各向同性、各向异性各向异性：指同一点不同方向的渗透系数：指同一点不同方向的渗透系数K K是否相同；是否相同；均均质与非均与非均质及及各向同性与各向异性各向同性与各向异性是两是两组互相独立的概念。互相独立的概念。在在实际问题中，它中，它们之之间的任何一种的任何一种组合都可能存在，即合都可能存在，即均均质各各向同性向同性、均均质各向异性各向异性及及非均非均质各向同性各向同性、非均非均质各向异性各向异性多孔多孔介介质都可能存在

20、。都可能存在。本讲稿第二十六页，共五十九页（二）均质各向同性介质中的流网在在均质各向同性均质各向同性介质介质中，中，地下水必定沿地下水必定沿着着水头变化最大的方向水头变化最大的方向即垂直于等即垂直于等水头线的方向运动水头线的方向运动。流线流线与与等水头线等水头线构成正交网格。构成正交网格。本讲稿第二十七页，共五十九页流网的绘制流网的绘制（以均质各向同性介质中的稳定流网的绘制为例）：精确绘制精确绘制定量流网定量流网需要充分掌握有关的边界条件及边界条件及参数参数；实测资料很少时，可信手绘制信手绘制定性流网定性流网。尽管信手流网不精确,但可提供许多有用的水文地质信息,是水文地质分析的有效工具。本讲稿

21、第二十八页，共五十九页信手流网图的绘制方法：信手流网图的绘制方法：根据边界条件绘制根据边界条件绘制容易确定的等水头线或等水头线或流线流线。边界包括：边界包括：定水头边界、隔水边界、地下水面边界。根据流线与等水头线正交规则根据流线与等水头线正交规则,在已知流线与等水头线间插补插补其余部分。本讲稿第二十九页，共五十九页 根据边界条件绘制根据边界条件绘制容容易确定的易确定的等水头线或流线。等水头线或流线。边界类型：边界类型：定水头边界定水头边界、隔水边界隔水边界、地下水面边界地下水面边界。地表水体的断面：地表水体的断面：一般可看作等水头面,故河渠的湿周湿周必定是一条等水头线（图a）。本讲稿第三十页，

22、共五十九页隔水边界：隔水边界：无水流通过（通量为无水流通过（通量为零）零）,而流线本身就是而流线本身就是“零通量零通量”边界边界,故故平行隔水平行隔水边界可绘出流线边界可绘出流线(图图b b）。本讲稿第三十一页，共五十九页地下水面边界地下水面边界：当无无入渗补给及蒸发排泄,有侧向补给,作稳定流动时,地下水面是一条流线（图c）；当有有入渗补给时,既不是流线,也不是等水头线(图d)。本讲稿第三十二页，共五十九页流线的指向：总是流线的指向：总是由源由源（补给区）指向指向汇汇（排泄区）的的,故根据补给区(源)和排泄区（汇）可判断流线的趋向。渗流场中具有一具有一个以上补给点或排泄个以上补给点或排泄点时点

23、时,首先要确定分分流线流线(图4)；分流线分流线是是虚拟的隔水边界虚拟的隔水边界。本讲稿第三十三页，共五十九页 根据根据流线与等水头线正交流线与等水头线正交的的规则规则,在在已知已知流流线与等水头线间线与等水头线间插补插补其余部分其余部分。若规定相邻两条流线之间通过的流量相等,则流线的疏密可以反映地下径流强度（流线密代表径流强,疏代表径流弱）,等水头线的密疏则说明水力梯度的大小。本讲稿第三十四页，共五十九页信手流网绘制实例：信手流网绘制实例：河间地块流网如图，一个下部为水平隔水底板的均质各向同性河间地块。如图，一个下部为水平隔水底板的均质各向同性河间地块。有均匀稳定的入渗补给，两河排泄地下水有

24、均匀稳定的入渗补给，两河排泄地下水,河水位相等且保持不河水位相等且保持不变。变。本讲稿第三十五页，共五十九页河间地块：河间地块：下部为水平、均质、各向同性的隔水底板；均匀稳定的入渗补给；两河排泄地下水,河水位相等且保持不变。流网绘制顺序：流网绘制顺序：按图上所标的顺序绘制。在地下分水岭到河水位之间引出等间距地下分水岭到河水位之间引出等间距的水平线的水平线,从该水平线与潜水面的交点引出水平线与潜水面的交点引出各条等水头线各条等水头线。本讲稿第三十六页，共五十九页由该流网图可以获得的信息由该流网图可以获得的信息:由分水岭到河谷,流向从由上向下到接近水平再向上；在分水岭地带打井,井中水位随井深加大而

25、降低,河谷地带井水位则随井深加大而抬升；由分水岭到河谷,流线愈来愈密集,流量增大,地下径流加强；由地表向深部,地下径流减弱；由分水岭出发的流线,渗透途径最长,平均水力梯度最小,地下水径流交替最弱,近流线末端河谷下方,地下水的矿化度最高。本讲稿第三十七页，共五十九页利用流网可以解决的问题：利用流网可以解决的问题：追踪污染物质的运移追踪污染物质的运移；根据某些矿体溶于水中的标志成份的浓度分布,结合流网分析,确定深埋于地下的盲矿体的位置确定深埋于地下的盲矿体的位置。本讲稿第三十八页，共五十九页如图：如图：一均质均质、各向同性含水层各向同性含水层，其中河水位变化大，河流右右侧区域上部有均匀入渗补给侧区

26、域上部有均匀入渗补给，试绘出该含水层的流网图（已知水流为稳定流）。本讲稿第三十九页，共五十九页步骤：步骤：根据流函数和势函数的定义及其相互间的关系根据流函数和势函数的定义及其相互间的关系,应首先确定渗流域内肯定的流线和等应首先确定渗流域内肯定的流线和等水头线，即水头线，即：一般将水力坡度很小的地表水体（与地下水有水力联系的）的底边线做为渗流场中的一条等势线。故将图中河流的底边线河流的底边线做为做为-条等水头线条等水头线,河河流左侧的潜水面流左侧的潜水面,由于上部由于上部没有入渗和蒸发没有入渗和蒸发,可视为稳定流可视为稳定流,所以在这种情况下所以在这种情况下,将将潜水面在剖面因为一条流线潜水面在

27、剖面因为一条流线,河右侧河右侧由于上部由于上部有补给有补给,所以所以潜水面既不是流面也不潜水面既不是流面也不是等水头面是等水头面,含水层的底板含水层的底板是隔水层是隔水层,故可故可看成一条流线看成一条流线。本讲稿第四十页，共五十九页区域内部等水位线和流线的画法（必须遵守两条原则）：区域内部等水位线和流线的画法（必须遵守两条原则）：a.始终保持相邻两流线的流函数以及相邻两等水头线的势函数的差值都相等；b.保持画出的流线与等水头线正交，使画出的流网为曲边正方形网格（均质岩层中）。流线通常是不相交的，但在奇点（渗透系数为零或无穷大的点）上可以相交。本讲稿第四十一页，共五十九页 （三）层状非均质介质中

28、的流网（三）层状非均质介质中的流网层状非均质介质中的稳定流网层状非均质介质中的稳定流网：层状非均质：层状非均质：指介质场内各岩层内部渗透指介质场内各岩层内部渗透性均为均质各向同性的性均为均质各向同性的,但不同层但不同层介质的渗透性不同。介质的渗透性不同。本讲稿第四十二页，共五十九页 如图有两岩层，渗透如图有两岩层，渗透系数分别为系数分别为K K1 1、K K2 2,且且K K2 2=3K=3K1 1。在图（在图（a a）情况下：）情况下：当两当两层厚度相等层厚度相等,流线平行于流线平行于层面流动时层面流动时,两层中的两层中的等水头线间隔分布一致等水头线间隔分布一致,但在但在K K2 2层中流线

29、密度为层中流线密度为K K1 1层的层的3 3倍。即更多的流倍。即更多的流量通过渗透性好的量通过渗透性好的K K2 2层层运移。运移。本讲稿第四十三页，共五十九页 在图（在图（b)b)情况下：情况下：K K1 1与与K K2 2两层长度相等，流线恰两层长度相等，流线恰好垂直于层面，这时通过好垂直于层面，这时通过两层的流线数相等。但在两层的流线数相等。但在K K1 1层中等水头线的间隔数为层中等水头线的间隔数为K K2 2层的层的3 3倍。即倍。即通过的流量相通过的流量相等，渗透途径相同情况下，在等，渗透途径相同情况下，在渗透性差的渗透性差的K K1 1层中消耗的机层中消耗的机械能是械能是K K

30、2 2层的层的3 3倍。倍。本讲稿第四十四页，共五十九页另一种情况（图另一种情况（图6 6）,流线与岩层界线既不平行,也不垂直,而以一定角度斜交。本讲稿第四十五页，共五十九页 这种情况下，当地下水流线通过具有不同渗透系数的两层边界时，必然像光线通过一种介质进入另一种一样，发生折射。服从以下规律：流线与层界法线间的夹角。本讲稿第四十六页，共五十九页 从物理角度来理解上述现象：从物理角度来理解上述现象：为了保持流量相等(Q1=Q2),流线进入渗透性好的渗透性好的K K2 2层层后将更加密集,等水头线的间隔加大(dL2 dL1)。即流线流线趋向于在强透水层中走最长的途径,而在弱透水层中走最短的途径。

31、本讲稿第四十七页，共五十九页流线状态：流线状态：强透水层强透水层中流线接近于水平(接近于平行层面），而在弱透水层弱透水层中流线接近于垂直层面。本讲稿第四十八页，共五十九页 当含水层中存当含水层中存在强渗透性透镜体在强渗透性透镜体时时，流线流线将向其汇汇聚聚；本讲稿第四十九页，共五十九页 当含水层中当含水层中存在弱渗透性透存在弱渗透性透镜体时，镜体时，流线将流线将绕流绕流。本讲稿第五十页，共五十九页 根据饱水粘性土的室内渗透试验结果可知，粘性土粘性土渗透流速渗透流速V V与水力梯度与水力梯度I I主要存在三种关系主要存在三种关系（如图）：4.4 4.4 饱水粘性土中水的运动规律饱水粘性土中水的运

32、动规律本讲稿第五十一页，共五十九页V-IV-I关系关系：通过原点的直线通过原点的直线，服从达西定律（图，服从达西定律（图a a）。）。本讲稿第五十二页，共五十九页V-IV-I曲线：曲线：不通过原点不通过原点，水力梯度，水力梯度IIIo o时，起初为一向时，起初为一向I I轴凸出的曲线轴凸出的曲线,然后转为然后转为直线直线(图图b)b)。本讲稿第五十三页，共五十九页V-IV-I曲线：曲线：通过原点通过原点，I I小时，曲线向小时，曲线向I I轴凸出；轴凸出；I I大时，为直大时，为直线线(图图c)c)。本讲稿第五十四页，共五十九页 相关讨论：相关讨论：多数学者认为：多数学者认为：粘性土（包括相当

33、致密的粘土在内）中的渗透,通常仍然服从达西定律。例如:奥尔逊奥尔逊用高岭土作渗透试验,加压固结使高岭土孔隙度从58.8%降到22.5%,施加水力梯度I=0.2-40,得出V-I关系为一通过原点的直线。认为：因为高岭土颗粒表面的结合水层厚度相当于20-40个水分子,仅占孔隙平均直径的2.5-3.5%,故对渗透影响不大；对于颗粒极其细小的粘土,结合水则可能占据全部或大部孔隙,而呈现非达西渗透。本讲稿第五十五页，共五十九页 偏离达西定律的试验结果偏离达西定律的试验结果大多如图(c）,得出的结合水的运动规律结合水的运动规律：曲线通过原点曲线通过原点,说明只要施加微小的水力梯说明只要施加微小的水力梯度度

34、,结合水就会流动结合水就会流动,但此时的渗透流速但此时的渗透流速V V十分微十分微小。随着小。随着I I加大加大,曲线斜率（表征渗透系数曲线斜率（表征渗透系数K)K)逐渐逐渐增大增大,然后趋于定值然后趋于定值。本讲稿第五十六页，共五十九页 张忠胤张忠胤把K 定值以前的渗流称作隐渗流隐渗流,把K 定值以后的渗流称为显渗流显渗流。认为：结合水的抗剪强度随着离颗粒表面距离的加大而降低；施加的水力梯度很小时,只有孔隙中心抗剪强度较小的那部分结合水发生运动；随着I增大,参与流动的结合水层厚度加大,即对水流动有效的孔隙断面扩大,故隐渗流阶段的K值是I的函数；由于内层结合水的抗剪强度随着靠近颗粒表面而迅速增

35、大,当I进一步增大时,参与流动的结合水的厚度没有明显扩大,此时,K趋于定值。本讲稿第五十七页，共五十九页 对于图（c)的V-I曲线,可从直线部分引一切线交于I轴,截距Io称为起始水力梯度。V-I曲线的直线部分用罗查的近似公式表示：V=KV=K（I-II-I0 0）本讲稿第五十八页，共五十九页由以上试验可以看出，结合水结合水是一种非牛顿流体是一种非牛顿流体,是性质介是性质介于固体与液体之间的异常液体于固体与液体之间的异常液体,外力必须克服其抗剪强度外力必须克服其抗剪强度方能使其流动。方能使其流动。饱水粘性土渗透试验实验要求比较高，稍不注意就会产生饱水粘性土渗透试验实验要求比较高，稍不注意就会产生各种实验误差，得出虚假的结果。因此，不能认为粘性土各种实验误差，得出虚假的结果。因此，不能认为粘性土的渗透特性及结合水的运动规律目前已经得出了定论。的渗透特性及结合水的运动规律目前已经得出了定论。本讲稿第五十九页，共五十九页