水文地质学第4章地下水运动规律ppt课件.ppt
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1、 1 地下水的运动特征与基本规律地下水的运动特征与基本规律 2 地下水流向井的稳定运动地下水流向井的稳定运动 3 地下水流向井的非稳定流动地下水流向井的非稳定流动 4 水文地质参数的确定水文地质参数的确定第四章第四章 地下水的运动规律地下水的运动规律曲折、复杂的渗流通道曲折、复杂的渗流通道迟缓的流速迟缓的流速空隙中实际水流空隙中实际水流方向和水流通道方向和水流通道等效平均直线水流等效平均直线水流方向和水流通道方向和水流通道第第1节节 地地下水的运动特征与基本规律下水的运动特征与基本规律v紊流紊流水质点的运动方向不一致、流线随机交叉。水质点的运动方向不一致、流线随机交叉。v层流层流水质点的运动平
2、行一致、流线无交叉现象。水质点的运动平行一致、流线无交叉现象。紊流紊流层流层流一般为紊流,很少出现层流一般为紊流,很少出现层流1.地地下水的运动特点下水的运动特点绝大多数为非稳定流运动,极少数为稳定流运动。绝大多数为非稳定流运动,极少数为稳定流运动。天然条件下,一般均呈缓变流动,有时为非缓变流动。天然条件下,一般均呈缓变流动,有时为非缓变流动。1.地地下水的运动特点下水的运动特点过水断面过水断面流线流线过水断面过水断面 流线流线缓缓变变流流动动v稳定流运动稳定流运动运动要素不随时间而变化的运动。v非稳定流运动非稳定流运动运动要素随时间而变化的运动。v缓缓变变流流动动流线弯曲度很小而近似直线、相
3、邻流线间夹角很小而近似平行、各过水断面近似平面、同一过水断面上各点水头近似相等的地下水流动。地下水渗透受控于水位差地下水渗透受控于水位差地下水渗流随地形变化地下水渗流随地形变化地表水体地表水体潜水面潜水面地表水补给地下水地表水补给地下水地下水补给地表水地下水补给地表水旱季潜水面旱季潜水面雨季潜水面雨季潜水面平均潜水面平均潜水面潜水面随地形和季节变化潜水面随地形和季节变化v一一般般情情况况下下,地地下下水水在在地地层层空空隙隙中中运运移移速速度度极极其其缓缓慢慢,因因而而特称为特称为渗透或渗流渗透或渗流。v地地下下水水的的渗渗透透受受控控于于含含水水层层的的产产状状、水水力力坡坡度度【水水位位差
4、差】、空隙度、透水性、空隙大小、地温等多种因素。空隙度、透水性、空隙大小、地温等多种因素。v地层的孔隙度与岩土的颗粒形状、堆积程度、分选性有关。地层的孔隙度与岩土的颗粒形状、堆积程度、分选性有关。v地层的透水性与空隙的连通程度有关。地层的透水性与空隙的连通程度有关。颗粒形状颗粒形状 颗粒堆积程度颗粒堆积程度 颗粒分选性颗粒分选性在在研研究究地地下下水水运运动动规规律律时时,不不可可能能研研究究每每个个实实际际渗渗流流通通道道中中的的水流运动,而是水流运动,而是研究等效平均直线水流通道中的水流运动研究等效平均直线水流通道中的水流运动。也也就就是是说说,采采用用充充满满整整个个含含水水层层【包包括
5、括空空隙隙和和岩岩土土颗颗粒粒所所占占据据的全部空间的全部空间】的的假想水流,代替仅在空隙中运动的实际水流假想水流,代替仅在空隙中运动的实际水流。等效等效实际水流实际水流 假想水流假想水流空隙中实际水流空隙中实际水流方向和水流通道方向和水流通道等效平均直线水流等效平均直线水流方向和水流通道方向和水流通道采采用用充充满满整整个个含含水水层层的的假假想想水水流流代代替替仅仅在在空空隙隙中中运运动动的的实实际际水水流的流的前提条件前提条件。流流量量条条件件假假想想水水流流通通过过任任一一过过水水断断面面的的流流量量必必需需等等于于实实际水流际水流通过同一过水断面的流量。通过同一过水断面的流量。水水头
6、头条条件件假假想想水水流流在在任任一一过过水水断断面面上上的的水水头头必必需需等等于于实实际水流际水流在同一过水断面上的水头。在同一过水断面上的水头。阻阻力力条条件件假假想想水水流流在在流流动动过过程程中中所所受受的的阻阻力力必必需需等等于于实实际水流际水流在渗流过程中所受的阻力。在渗流过程中所受的阻力。等效等效实际水流实际水流 假想水流假想水流2 地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律达西定律达西定律Darcy法国水利工程师,法国水利工程师,1802。达达西西定定律律为为水水文文学学、水水文文地地质质学学、地地下下水水动动力力学学、岩岩体水力学体水力学的核心。的核心。现现代代的的基基坑坑与
7、与隧隧道道降降水水设设计计、地地下下水水开开采采设设计计、地地下下水水资资源源管管理理与与评评价价、水水文文地地质质勘勘察察等等的的绝绝大大多多数数计计算算公式,均是基于达西定律推导出来的。公式,均是基于达西定律推导出来的。达西定律基本假设达西定律基本假设v地层的岩土属于多孔介质。地层的岩土属于多孔介质。v地地下下水水在在地地层层中中运运移移表表现现为为渗渗透透或或渗渗流。流。v自自然然条条件件下下,地地下下水水在在地地层层中中运运移移的的阻力较大,因而为层流运动。阻力较大,因而为层流运动。H1H2L基准面VA渗流Q vI-水头梯度(标量。渗流单位长度的水头损失)。vK-渗透系数(m/s。当水
8、头梯度I1时,渗透速度)。vV=KI(m/s。水头梯度为I时的渗透速度)vA渗流断面积(m2。与流线垂直)。vQ单位时间渗流量(m3/s)。达西定律适用条件达西定律适用条件式中:式中:v为地下水实际流动速度;为地下水实际流动速度;d为孔隙直径;为孔隙直径;地下水运动的粘滞系数。地下水运动的粘滞系数。当雷诺系数当雷诺系数Re10时:时:v据据达达西西定定律律计计算算的的渗渗透透速速度度V V与与地地下下水水在在地地层层中中的的实实际际流流速速v v之之间关系间关系。根据流量相等假设:Q=AV=nAv n为地层的空隙率;A为过水断面积 V=nv由于nV,即由达西定律计算的渗透速度V远小于地下水在地
9、层中的实际流速v。达达西西定定律律假假设设地地层层全部由空隙组成。全部由空隙组成。过水断面积为过水断面积为A。QAV。实实际际地地层层由由土土粒粒和和空空隙组成。隙组成。地层的空隙率为地层的空隙率为n。实实际际的的过过水水断断面面积积为为nA。Q=nAv。等效等效垂直取水构筑物垂直取水构筑物潜水完整井潜水非完整井承压水完整井承压水非完整井垂直取水构筑物地下水取水构筑物的基本类型地下水取水构筑物的基本类型第第2节节 地地下水流向井的稳定流动下水流向井的稳定流动水平取水构筑物水平取水构筑物水平取水构筑物渗水管渗渠RHyxrshPPx,y地下水流向潜水完整井的计算公式地下水流向潜水完整井的计算公式裘
10、布依公式裘布依公式裘布依稳定流理论潜水井裘布依稳定流理论潜水井在潜水完整井中长时间抽水后,井中动水位和出水量均达到稳定状态,并在井周围形成稳定降水漏斗。H潜水层厚度。R降水漏斗半径,即影响半径。s井中水位下降值。h抽水稳定后,井中水位。r井半径。Px,y降水漏斗面上任一观测点。裘布依公式推导假设简化条件裘布依公式推导假设简化条件抽水前,含水层天然水力坡度为零。含水层为各向同性的均质体。含水层底板为隔水层。影响半径范围内,无渗入、无蒸发,各过水断面上流量不变。影响半径范围外,流量为零。影响半径圆周上为定水头。井内及其附近为二维流,即井内不同深度的水头降均相同。井附近的水力坡度不大于1/4。为为了
11、了简简化化问问题题,抽抽水水时时,采采用用流流线线倾倾角角的正切代替正弦,的正切代替正弦,tgsin,150。a实际流线。实际流线。b简化流线。简化流线。RHyxrshPPx,y裘布依公式推导裘布依公式推导基于达西定律Q=ki,推导裘布依公式。由于渗透系数k对于各向同性均质体是一个定常数,因而公式推导关键在于如何确定水头i和过水断面积。过水断面实际为一系列弯曲程度不同的曲面,但是根据井附近的水力坡度不大于1/4的假设,可以认为过水断面为一系列垂直于含水层底板的圆柱面。=2xy。i=dy/dx。RHyxrshPPx,yxyyx0RHyxrshPPx,y边界条件y:hHx:rRh=H-s裘布依公式
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