4.水文地质学基础-地下水的基本运动规律解析优秀PPT.ppt
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1、地下水科学与工程教研室地下水科学与工程教研室水文地质学基础水文地质学基础Fundamentals of Hydrogeology4.0 4.0 基本概念基本概念4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律4.2 4.2 流网流网4.3 4.3 饱和粘性土中水的运动规律饱和粘性土中水的运动规律第四章第四章 地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律4.0 4.0 基本概念基本概念 渗流渗流是指地下水在岩土空隙中的运动。是指地下水在岩土空隙中的运动。渗流场渗流场是指发生渗流的区域。是指发生渗流的区域。特征:特征:多孔介质,渗流通道困多孔介质,渗流通道困难多变,空隙细小,所难多变,空隙细小
2、,所受阻力大,水流缓慢。受阻力大,水流缓慢。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 层层流流运运动动(laminar laminar flowflow):水水的的质质点点做做有有秩秩序的、互不混杂的流淌。序的、互不混杂的流淌。紊紊流流运运动动(turbulent turbulent flowflow):水水的的质质点点作作无无秩秩序的、相互混杂的流淌。序的、相互混杂的流淌。区分:流速区分:流速紊流:紊流:v v快快 Re2300 Re2300 层流:层流:v v缓慢缓慢 Re2300 Re2300雷诺数雷诺数Re=vd/Re=vd/Vd:地下水渗流速度:地下水渗流速度:粘滞系数
3、粘滞系数第四章第四章 地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律4.0 4.0 基本概念基本概念 稳稳定定流流(steady steady flowflow)是是指指水水在在渗渗流流场场内内运运动动过过程程中中各各个个运运动动要要素素(水水位位、流流速速、流流量量、流流向向等)不随时间变更的水流运动。等)不随时间变更的水流运动。非非稳稳定定流流(unsteady unsteady flowflow)是是指指水水在在渗渗流流场场内内运运动动过过程程中中各各个个运运动动要要素素(水水位位、流流速速、流流量量、流向等)随时间变更的水流运动。流向等)随时间变更的水流运动。一一维维流流:渗渗流流场场中中随
4、随意意点点的的流流速速变变更更只只与与空空间间坐标一个方向有关的渗流。坐标一个方向有关的渗流。二二维维流流/三三维维流流:渗渗流流场场中中随随意意点点的的流流速速变变更更与与空间坐标两个空间坐标两个/三个方向有关的渗流。三个方向有关的渗流。水在空隙介质中渗流,其驱动力是什么呢?水在空隙介质中渗流,其驱动力是什么呢?地下水的机械能:动能地下水的机械能:动能+势能势能地下水是流淌的,某一点上承受的压力除了静水压强之外地下水是流淌的,某一点上承受的压力除了静水压强之外还有动水压强,因此总水头(还有动水压强,因此总水头(Hd):):式中,p为静水压强;v为实际水流速度。Z为位置水头,P/P/为为压力水
5、头压力水头,v v2 2/2g/2g为为流速水头流速水头含水层中实际水流速度很小,较重力加速度小得多,可忽含水层中实际水流速度很小,较重力加速度小得多,可忽视不计,在一般问题探讨中,视测压水头与总水头相等。视不计,在一般问题探讨中,视测压水头与总水头相等。4.0 4.0 基本概念基本概念钻孔水柱高度和测压水头与含水钻孔水柱高度和测压水头与含水层某一点压强(层某一点压强(P)的关系:)的关系:式中,为水的容重;Z为含水层中某一点(A)至基准面(含水层底板)的垂直距离;hn为水柱高度(测压水头);Hn为水头。4.0 4.0 基本概念基本概念4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律4
6、.1.1达西定律(达西定律(Darcys law)又称又称为线为线性渗透定律性渗透定律是是指指流流体体在在多多孔孔介介质质中中遵遵循循渗渗透透速速度度(v)与与水水力力梯梯度度(I)呈呈线线性性关关系系的的运运动动规规律律,是是法法国国H.Darcy于于1856年年通通过过匀匀整整砂砂柱柱渗渗透透试试验验而而得得到的到的线线性渗透定律。性渗透定律。4.1.14.1.1达西定律(达西定律(Darcys lawDarcys law)试验装置试验装置试验条件:试验装置图试验条件:试验装置图 1 1)等径圆筒装入匀整砂样,断面)等径圆筒装入匀整砂样,断面为为 2 2)上(下各)置一个稳定的溢水)上(下
7、各)置一个稳定的溢水装置装置稳定水流稳定水流 3 3)试验时上端进水,下端出水测)试验时上端进水,下端出水测出水量出水量QQ示意流线示意流线 4 4)砂筒中安装了)砂筒中安装了2 2个测压管个测压管4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律达西定律的数学表达式为:数学表达式为:其其中中Q-Q-为为渗渗透透流流量量(出出口口处处流流量量),亦亦即即通通过过过过水水断断面面(砂砂柱柱各各断断面面)A A的的流流量量(m(m3 3/d)/d);volumetric flow rate.volumetric flow rate.K-K-多孔介质的渗透系数多孔介质的渗透系数(m/d)(m/
8、d);A,A,w w-过水断面面积过水断面面积(m(m2 2);hh水水头头损损失失(h=Hh=H1 1-H-H2 2,为为上上下下游游过过水水断断面面的水头差);的水头差);LL渗透途径;渗透途径;I-I-为为水水力力梯梯度度(I I=h/Lh/L),等等于于两两个个计计算算断断面面之之间间的的水水头头差差除除以以渗渗透透途途径径,亦亦即即渗渗透路径中单位长度上的水头损失。透路径中单位长度上的水头损失。4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律 K=coefficient of proportionality called hydraulic conductivity.Q=vo
9、lume of fluid per unit time passing through a column of constant cross-sectional area,A and length L.h1,h2=elevations of inflow and exit reservoirs of the column.z =elevation of the point at which the piezometric head ismeasured,above a datum level.p,r=fluids pressure and mass density.z =elevation o
10、f the point at which the piezometric head is measured.p,r=fluids pressure and mass densityDarcys Law 4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律 由水力学知,由水力学知,Q=A VQ=A V,则,则V=Q/AV=Q/A,于是得到达西定律的另一种表达式:于是得到达西定律的另一种表达式:V=K I V=K I其中其中:K-K-多多孔孔介介质质的的渗渗透透系系数数(m/d)(m/d),是是水水力力梯梯度度等等于于1 1时时的的渗渗透透流流速速,它它是是描描述述含含水水层层介介质质透透水水
11、实力的重要水文地质参数。实力的重要水文地质参数。v-v-多多孔孔介介质质中中流流体体的的渗渗透透流流速速(m/d)(m/d),它它并并非真实的流速。非真实的流速。达达西西定定律律是是定定量量计计算算的的基基础础和和定定性性分分析析的的依依据。据。4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律Darcys Law 4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律RANGE OF VALIDITY OF DARCYs LAWExperiments:达西定律适用范达西定律适用范围围:Re=110的的层层流运流运动动4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律试验证试验证
12、明明Re1Re1时时,V V和和I I线线性相关,性相关,1Re101Re10Re10时时,V V和和I I非非线线性相关。性相关。也也既既,自自然然界界只只有有一一部部分分层层流流满满足达西定律,也即足达西定律,也即Re10Re10时时。留留意意:裂裂隙隙水水,岩岩溶溶水水要要特特殊殊留留意,不能意,不能简洁简洁运用达西定律。运用达西定律。自然条件下,自然条件下,绝绝大多数地下水运好听从达西定律。大多数地下水运好听从达西定律。Darcys Law 4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律4.1.2渗透流速(渗透流速(seepage velocity)有效空隙体有效空隙体积积:
13、去除死端孔隙和:去除死端孔隙和结结合水占据的空合水占据的空间间液液态态水:重力水、毛水:重力水、毛细细水、水、结结合水合水粘性土:孔隙粘性土:孔隙细细小,小,结结合水多,合水多,ne小小有有效效孔孔隙隙度度(effective porosity)ne-重重力力水水流流淌淌的的空空隙隙体体积积与与岩石体岩石体积积之比,之比,ne,一般有,一般有nen。一般来一般来说说,(孔隙、裂隙、溶穴),(孔隙、裂隙、溶穴)ne n 4.1 4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律4.1.24.1.2渗透流速(渗透流速(seepage velocityseepage velocity)渗渗透透流流速速
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