水文地质学习.pptx

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1、12.112.1地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律 一、地下水的运动状态一、地下水的运动状态一、地下水的运动状态一、地下水的运动状态一般把由固体骨架和空隙两部分组成的介一般把由固体骨架和空隙两部分组成的介质，叫多孔介质。如砂层、裂隙岩体等。质，叫多孔介质。如砂层、裂隙岩体等。地下水在多孔介质中的运动，称为渗流。地下水在多孔介质中的运动，称为渗流。发生渗流的区域称为渗流场。发生渗流的区域称为渗流场。由于受到介质的阻滞，地下水的流动远较由于受到介质的阻滞，地下水的流动远较地表水为缓慢。地表水为缓慢。由于地下水的类型、介质类型的不同，地由于地下水的类型、介质类型的不同，地下水的运动状态多种多样

2、。下水的运动状态多种多样。第1页/共34页渗流的分类：渗流的分类：12.112.1地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律 第2页/共34页ABC1.1.层流与紊流层流与紊流层流层流(laminar flow)(laminar flow)：亦称片流，指在流：亦称片流，指在流速较小时，液体质点作有条不紊的速较小时，液体质点作有条不紊的运动运动,彼此不相混掺的形态。彼此不相混掺的形态。水质点运动连续不断，流束平行而水质点运动连续不断，流束平行而不混杂不混杂。传递动量、热量和质量的方式不同：层流通过分子间相互作用；紊流主要通过质点间的混掺。紊流的传递速率远大于层流。紊流紊流(turbulent fl

3、ow)(turbulent flow)：亦称湍流，是指随流速增：亦称湍流，是指随流速增大，液体质点作不规则运动、互相混掺、轨大，液体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的形态。迹曲折混乱的形态。水质点运动不连续，流束混杂而不平行。水质点运动不连续，流束混杂而不平行。第3页/共34页实验和观察表明，当地下水在孔隙和细实验和观察表明，当地下水在孔隙和细小的裂隙岩层中运动时，如水流速度缓慢，小的裂隙岩层中运动时，如水流速度缓慢，多为层流状态；当地下水在大裂隙和岩溶溶多为层流状态；当地下水在大裂隙和岩溶溶洞中运动时，由于流速较快，则多表现出紊洞中运动时，由于流速较快，则多表现出紊流状态。流状态。由

4、于地下水主要是在岩石的孔隙和裂隙中运动，运动时受阻较大，流速一般较慢，所以，一般情况下可以地下水的运动理解为层流运动。第4页/共34页法国水力工程师法国水力工程师亨利亨利达西达西(Henry Darcy)在装有均质砂在装有均质砂土滤料的圆柱形筒中土滤料的圆柱形筒中做了大量的渗流实验，做了大量的渗流实验，于于l856年发现：年发现：渗透流速与水力渗透流速与水力坡度成正比坡度成正比，即线性，即线性渗流定律，这是渗流渗流定律，这是渗流基本定律，后人称之基本定律，后人称之为达西定律为达西定律。二、二、达尔西定律层流运动定律Darcy实验装置第5页/共34页HenriDarcysLaw:Q=K I或或

5、v=Q/=KIQ渗透流量；渗透流量；过水断面总面积；过水断面总面积；I水力坡度；水力坡度；v渗透流速（渗透流速（m/s）；）；K渗透系数（渗透系数（m/s，为，为I=1时的时的v）用途：用途：矿坑、地基工程中涌水量的计算。矿坑、地基工程中涌水量的计算。强调：强调：层流，线性层流，线性说明：说明：在单位水压梯度（在单位水压梯度（I=1I=1）下，单位时间内通过单）下，单位时间内通过单位截面积的流量，即为岩土的位截面积的流量，即为岩土的渗透系数。该值可渗透系数。该值可针对针对具体的岩石（土）具体的岩石（土），通过在室内使用达西仪，通过在室内使用达西仪或其他渗透仪经试验求得。或其他渗透仪经试验求得。

6、二、二、达尔西定律层流运动定律第6页/共34页达西公式讨论：达西公式讨论：达西定律反映了能量转化与守恒。达西定律反映了能量转化与守恒。V与与I的一次方成正比；的一次方成正比；当当K一定，一定，V增大时，水头差增大，表明单位增大时，水头差增大，表明单位渗透途径上被转化成热能的机械能损失越多，即渗透途径上被转化成热能的机械能损失越多，即V与机械能的损失成正比关系；与机械能的损失成正比关系；当当V一定时，一定时，K越小，水头差越大，即越小，水头差越大，即K与机械与机械能的损失成反比关系。能的损失成反比关系。第7页/共34页三、紊流运动的三、紊流运动的非线性渗透定律Q=K I1/2或 v=Q/=KI1

7、/2Q渗透流量；过水断面总面积；I水力坡度；v渗透流速（m/s）；K渗透系数（m/s）；强调：紊流、非线性常见情况：介于层流与紊流之间的 混合流动混合流动混合流动混合流动 Q=K I1/m（m=12）第8页/共34页四、地下水向井运动的基本规律1.相关概念相关概念(1)井：井：处于含水层中有铅直轴线的圆管，其四周透水处于含水层中有铅直轴线的圆管，其四周透水。(2)潜水井：潜水井：当井揭露潜水含水层，由含水层中吸取无压地下当井揭露潜水含水层，由含水层中吸取无压地下水的井称为潜水井或普通井。水的井称为潜水井或普通井。(3)承压水井：承压水井：当井揭露承压水含水层时，称为承压水井。当井揭露承压水含水

8、层时，称为承压水井。(4)完整井：完整井：揭露整个含水层，井一直打到含水层底板隔水层揭露整个含水层，井一直打到含水层底板隔水层时的潜水井或承压水井，称为完整井。时的潜水井或承压水井，称为完整井。(5)非完整井：非完整井：没有打到含水层底板隔水层的潜水井或承压水没有打到含水层底板隔水层的潜水井或承压水井。井。完整井非完整井第9页/共34页rzhsHH(6)(6)水水位位降降深深：初初始始水水头头减减去去抽抽水水t t时时间间后后的的水水头头，也也简简称称降降深。用深。用S S表示。表示。(7)(7)降降落落漏漏斗斗：抽抽水水时时，水水位位降降深深S在在不不同同的的位位置置上上是是不不同同的的，井

9、井中中心心降降深深最最大大，离离井井越越远远，降降深深越越小小，抽抽水水井井周周围围总总体体上上形形成成的的漏漏斗斗状状水水头头下下降降区区；亦亦即即由由抽抽水水（排排水水）而而形形成成的的漏漏斗斗状状的水头（水位）下降区。的水头（水位）下降区。(8)影响半径：是从抽水井到实际观测不到水位降深处的径向距离。第10页/共34页2.2.稳定流假设稳定流假设(4)(4)在在在在有有有有侧侧侧侧向向向向补补补补给给给给的的的的有有有有限限限限含含含含水水水水层层层层中中中中，当当当当降降降降落落落落漏漏漏漏斗斗斗斗扩扩扩扩展展展展到到到到补补补补给给给给边边边边界界界界后后后后，侧侧侧侧向补给量和抽水

10、量平衡时，地下水向井运动便可达到稳定状态。向补给量和抽水量平衡时，地下水向井运动便可达到稳定状态。向补给量和抽水量平衡时，地下水向井运动便可达到稳定状态。向补给量和抽水量平衡时，地下水向井运动便可达到稳定状态。(5)在在有有垂垂向向补补给给的的无无限限含含水水层层中中，随随着着降降落落漏漏斗斗的的扩扩大大，垂垂向向补补给给量量不不断断增增大大。当当它它增增大大到到与与抽抽水水量量相相等等时时，将将形形成成稳稳定定的的降降落落漏漏斗斗，地下水向井的运动也进入稳定状态。地下水向井的运动也进入稳定状态。(6)(6)在在没没有有补补给给的的无无限限含含水水层层中中，随随着着抽抽水水时时间间的的延延长长

11、，水水位位降降深深的的速速率率会会越越来来越越小小，降降落落漏漏斗斗的的扩扩展展越越来来越越慢慢，在在短短时时间间内内观观测测不不到明显的水位下降，这种情况称为似稳定状态，也称似稳定。到明显的水位下降，这种情况称为似稳定状态，也称似稳定。(1)(1)含水层均质、各向同性，产状水平，厚度不变，分布面积很大，可含水层均质、各向同性，产状水平，厚度不变，分布面积很大，可视为无限延伸；视为无限延伸；(2)(2)抽水前的地下水面是水平的，并视为稳定的；抽水前的地下水面是水平的，并视为稳定的；(3)(3)含水层中的水流服从含水层中的水流服从DarcyDarcy定律，并在水头下降的瞬间水就释放出定律，并在水

12、头下降的瞬间水就释放出来。如有弱透水层，则忽略其弹性释水量。来。如有弱透水层，则忽略其弹性释水量。第11页/共34页hsHR3.3.3.3.向井运动的基本规律向井运动的基本规律向井运动的基本规律向井运动的基本规律（1 1）潜水完整井稳定流裘布依）潜水完整井稳定流裘布依公式公式(J.Dupuit)rRQ井的涌水量(或称排水量)，m3/dK潜水含水层的渗透系数，m/dH潜水含水层厚度，m；S井中稳定的水位降深，m；R稳定时漏斗半径(影响半径),mr井的半径，m。说明：均质含水层，且水平分布无限广阔；无蒸发、无渗漏；运动状态为层流状态。R可用经验公式确定：R=3000SK1/2Q=1.366K(2H

13、-S)S/(lgR-lgr)第12页/共34页rRhMRsH3.3.向井运动的基本规律向井运动的基本规律向井运动的基本规律向井运动的基本规律（2 2 2 2）承压水完整井稳定流裘）承压水完整井稳定流裘）承压水完整井稳定流裘）承压水完整井稳定流裘布依公式布依公式布依公式布依公式M承压含水层的厚度，m;其它符号同前；第13页/共34页ra）从r0r1潜水完整井Q=K(M2-h2)/(lnr1-lnr0)b)r1R承压水完整井Q=2 KM(H-M)/(lnR-lnr1)c)组合后得出Rr1r0潜水-承压水完整井3.3.向井运动的基本规律向井运动的基本规律向井运动的基本规律向井运动的基本规律（3 3

14、3 3）潜水）潜水）潜水）潜水-承压水完整井稳定流承压水完整井稳定流承压水完整井稳定流承压水完整井稳定流裘布依公式裘布依公式裘布依公式裘布依公式第14页/共34页4.Dupuit公式的应用（用途）(1)确定水文地质参数根据Dupuit公式，在已知含水层厚度和参数的情况下，只要给出设计的合理降深，既可预报井的开采量；也可按需要的流量，预报开采后的可能降深值。(2)预报流量或降深确定岩土的渗透系数K、导水系数T、影响半径R等。但应注意，利用以上公式预报时，含水层必须有补给源，且能和抽水量平衡，达到稳定流条件；否则，不可能出现稳定流，利用稳定流公式进行预报，所得到的结果是错误的。第15页/共34页用

15、途一：确定水文地质参数（潜水）（承压水）利用以上求参公式，将抽水试验趋近稳定时的Q及抽水井或观测孔的水位降深S代入各式，可以直接求出K或T。（潜水）（承压水）第16页/共34页用途二、预报涌水量用途二、预报涌水量rRhsHR例1 1有一潜水完整井，其半径为0.1m，含水层厚度为8m，土壤的渗透系数为0.001m/s，抽水时井中水深为3m，试计算井的出流量。解：H=8h=3r=0.1k=0.001S=H-h=8-3=5R=3000SK1/2=3000*5*0.0011/2=474.3Q=1.366K(2H-S)S/(lgR-lgr)=0.02m3/s第17页/共34页例2 2：某工程基坑开挖的平

16、面尺寸为长44m44m，宽22m22m，坑底标高为-6.0m-6.0m，自然地面标高为0.000.00，地势平坦，地下水位为-2m-2m。根据地质钻探资料查明，地面下-2.5m-2.5m为不透水黏土层，-2.5-2.5-9.0m-9.0m为细砂层。-9.0m-9.0m以下为砂岩不透水层，所以含水层厚度为6.5m6.5m，细砂层渗透系数K=6m/dK=6m/d，试求涌水量 。解：据题意，细砂含水层为承压水层，厚度解：据题意，细砂含水层为承压水层，厚度M=6.5m M=6.5m 降深降深s=6-2=4ms=6-2=4m 抽水影响半径：抽水影响半径：基坑假想半径：基坑假想半径：用途二、预报涌水量用途

17、二、预报涌水量根据承压完整井涌水量计算公式：第18页/共34页 12.2 涌水量预测方法简介涌水量预测方法简介 背背景景：涌涌水水量量预预测测是是矿矿坑坑作作业业、地地基基工工程程施施工工过过程程一一项项十十分重要的工作，也是矿山生产中的经常性工作。分重要的工作，也是矿山生产中的经常性工作。目标：预测涌水量目标：预测涌水量实际涌水量实际涌水量问题：预测量问题：预测量 实际涌水量实际涌水量 预测量预测量 实际涌水量实际涌水量预测方法：预测方法：一、大井法（坑道系统的水动力学法）一、大井法（坑道系统的水动力学法）二、水均衡法二、水均衡法 三、水文地质比拟法三、水文地质比拟法第19页/共34页一、大

18、井法（坑道系统的水动力学法）大大井井法法 涌涌水水量量预预测测中中，把把坑坑道道系系统统所所占占面面积积简简化化为为一一个个圆圆形形的的大大井井，然然后后应应用用地地下下水水向向井井运运动动的的公公式式预预测测坑坑道系统的涌水量。注意：道系统的涌水量。注意：1)1)坑道系统的长度与宽度的比值应小于坑道系统的长度与宽度的比值应小于1010。2)2)坑道系统的引用影响半径坑道系统的引用影响半径R R0 0 R R0 0=R+r=R+r0 0第20页/共34页大井法实例大井法实例1.某缓倾斜层状矿床，坑道系统周长某缓倾斜层状矿床，坑道系统周长630m，不规则多边形长宽比，不规则多边形长宽比=2.5，

19、影响半径，影响半径R=900m，渗透系数，渗透系数K=0.2m/d，潜水含水层厚度，潜水含水层厚度100m，坑道系统布置在含水层底板，试预测其涌水量。，坑道系统布置在含水层底板，试预测其涌水量。解：据题意R=900mK=0.2m/dS=H=100mr0=P/2=630/2=100mR0=R+r0=1000m应用潜水完整井公式：Q=1.366K(2H-S)S/lg(R0 0/r0 0)=2732m3/d 2.2.教材P221P221第21页/共34页二、水均衡法水均衡法：详细分析矿区地下水来源，分别计算不同补给来源的矿坑涌水量，总涌水量等于各部分涌水量的总和。计算较复杂，用于计算露天采矿场和不深

20、的地下坑道时。1）露天采矿场面积上静储量的消耗量2）采矿场周围降落漏斗范围内的静储量的消耗量h h含水层平均厚度；R R疏干时的影响半径给水度或裂隙度L疏干地段的周长总静储量第22页/共34页二、水均衡法（续）动储量：3）直接降落在露天采场内的大气降水q34）采矿场外围降水渗入的水量q4A A年平均降雨量；F F1 1露天采矿场面积；t t一年时间；F F露天采场外矿区集水面积（降落漏斗范围）地下迳流系数。F1F第23页/共34页三、水文地质比拟法基本思想：基本思想：类比法。即在同一地区，地质、水类比法。即在同一地区，地质、水文地质条件相同或相似的矿坑其涌文地质条件相同或相似的矿坑其涌水量应是

21、接近的。水量应是接近的。用途：用途：根据已有开采地段的实际涌水量预测新根据已有开采地段的实际涌水量预测新开采地段可能的涌水量，从而为疏排水开采地段可能的涌水量，从而为疏排水工程的配置提供依据。工程的配置提供依据。第24页/共34页三、水文地质比拟法方法一：根据单位涌水量换算矿坑涌水量方法一：根据单位涌水量换算矿坑涌水量 实践或试验研究证明，矿坑涌水量与矿坑面积或体实践或试验研究证明，矿坑涌水量与矿坑面积或体积的扩大成正比增加。因此，收集现有生产矿坑排水资积的扩大成正比增加。因此，收集现有生产矿坑排水资料、矿坑面积或体积、水位降低值，即可换算出新的矿料、矿坑面积或体积、水位降低值，即可换算出新的

22、矿坑的涌水量。假定：坑的涌水量。假定：Q0已有矿坑总涌水量，已有矿坑总涌水量，m3/d;F0已有矿坑的开采面积，已有矿坑的开采面积，m2;S0已有矿坑的水位减低值，已有矿坑的水位减低值，m则已有矿坑单位面积、单位降深的涌水量则已有矿坑单位面积、单位降深的涌水量q0为：为：这样，新开采（设计）矿坑的总涌水量即可这样，新开采（设计）矿坑的总涌水量即可表示为：表示为：Fnew新开采矿坑的开采面积，新开采矿坑的开采面积，m2;Snew新开采矿坑的设计平均水位减低值，新开采矿坑的设计平均水位减低值，m。第25页/共34页三、水文地质比拟法方法二：富水系数法方法二：富水系数法 在一定时期内，从矿坑中排出的

23、水量，与在一定时期内，从矿坑中排出的水量，与同一时期开采出的矿石重量之比，称为富水系同一时期开采出的矿石重量之比，称为富水系数（数（KB），即），即 Q0矿坑排水量，矿坑排水量，m3/a;P0矿坑的矿石开采量，矿坑的矿石开采量，t/a;在与上述矿坑地质、水文地质条件和开采条件相同在与上述矿坑地质、水文地质条件和开采条件相同或相似的新开采地段，矿坑的总涌水量为：或相似的新开采地段，矿坑的总涌水量为：Pnew新开采矿坑的设计矿石开采量，新开采矿坑的设计矿石开采量，t/a.第26页/共34页12.3涌水量测量方法（自学）一、水沟流速浮标法Q=0.8F Vm3/sec;V=L/tm/secQ-流量、F

24、-过水断面、V-水沟流速、L-浮标流经距离、t-浮标流经L距离的时间二、堰测法三角堰梯形堰h-水流流过堰口高度;B-梯形堰堰口底部宽度三、储水池容积法四、水仓水泵观测法第27页/共34页12.矿坑突水的条件及预防 一、井下突水条件有岩溶存在，溶硐、矿体在同一部位与构造勾通；有岩溶存在，溶硐、矿体在同一部位与构造勾通；有导水构造断裂与矿体联通；有导水构造断裂与矿体联通；有积水老窑存在并与构造勾通；有积水老窑存在并与构造勾通；有勘探钻孔在含水层中集水并与构造勾通；有勘探钻孔在含水层中集水并与构造勾通；有裂隙强烈发育地区；有裂隙强烈发育地区；有弱含水层（隔水层）与含水层接触面形成积水，有弱含水层（隔

25、水层）与含水层接触面形成积水，并与构造联通。并与构造联通。第28页/共34页12.矿坑突水的条件及预防 二、矿坑透水、突水征兆顶板突然渗出水珠；顶板突然渗出水珠；工作面温度下降，空气变冷，或者工作面水蒸气工作面温度下降，空气变冷，或者工作面水蒸气大面积释放且时常产生雾气；大面积释放且时常产生雾气；工作面顶板淋水增大或底板突然涌水；工作面顶板淋水增大或底板突然涌水；工作面岩层出现有暗红色透水或带臭味的水；工作面岩层出现有暗红色透水或带臭味的水；岩缝明显有岩缝明显有“吱吱吱吱”的水叫声，如出现这种情况，的水叫声，如出现这种情况，工作地点的人员必须立即全部撤出；工作地点的人员必须立即全部撤出；掘进工

26、作炮眼孔出现高压射流水，射流长度在掘进工作炮眼孔出现高压射流水，射流长度在1.5米以上时。米以上时。第29页/共34页12.矿坑突水的条件及预防 掘进施工中，当接近有水害威胁地区时，必须按掘进施工中，当接近有水害威胁地区时，必须按“有疑必探，先探后掘有疑必探，先探后掘”的原则进行。遇到下面任何一种的原则进行。遇到下面任何一种情况都必须情况都必须停止掘进停止掘进，先探水：，先探水：掘进工作面接近溶硐、含水断层、含水层（流沙层、掘进工作面接近溶硐、含水断层、含水层（流沙层、冲积层各种承压水的含水层）或接近大量积水区时；冲积层各种承压水的含水层）或接近大量积水区时；掘进面接近被淹井巷或有积水的水窑、

27、老采空区时；掘进面接近被淹井巷或有积水的水窑、老采空区时；上层有积水，在下层进行采掘工作，两层间的垂直距上层有积水，在下层进行采掘工作，两层间的垂直距离小于掘进巷道高度离小于掘进巷道高度10倍时；倍时；在探水地区内掘进，掘进长度达到设计掘进长度时；在探水地区内掘进，掘进长度达到设计掘进长度时；三、预防原则第30页/共34页采掘工作面发现出水征兆时；采掘工作面发现出水征兆时；在探空区积水地区，发现新的断层，但对断层另一在探空区积水地区，发现新的断层，但对断层另一盘水文地质情况不清楚时；盘水文地质情况不清楚时；当采掘工作面接近各类防水矿柱，为确保防水矿柱当采掘工作面接近各类防水矿柱，为确保防水矿柱

28、的安全可靠，必须提前探明情况时。的安全可靠，必须提前探明情况时。当掘进工作面出现地下水增大当掘进工作面出现地下水增大(或比预计的水量大或比预计的水量大很多很多)时；时；当掘进工作面将穿过勘探钻孔当掘进工作面将穿过勘探钻孔(含水层中钻孔含水层中钻孔)时。时。第31页/共34页四、预防措施开挖排水沟：开挖排水沟：在垂直来水方向向上开挖排水沟，拦截洪在垂直来水方向向上开挖排水沟，拦截洪水，排水沟大致沿地形等高线布置，利用地形坡度，排水，排水沟大致沿地形等高线布置，利用地形坡度，排出矿区。出矿区。防水堵漏：防水堵漏：为防止或减少降水及地表水进入矿坑，对矿为防止或减少降水及地表水进入矿坑，对矿区附过地表

29、各种裂隙通道、岩溶塌陷以及可能积水的洼区附过地表各种裂隙通道、岩溶塌陷以及可能积水的洼地等，均应用粘土或水泥等进行回填。在岩溶塌陷十分地等，均应用粘土或水泥等进行回填。在岩溶塌陷十分强烈的地段，甚至用不透水的围堤将塌陷区隔离起来。强烈的地段，甚至用不透水的围堤将塌陷区隔离起来。河流改道：河流改道：在河流上游筑拦水坝，将水引出矿区。在河流上游筑拦水坝，将水引出矿区。井下防水：井下防水：矿山开采过程中，首先要合理进行开采布局，矿山开采过程中，首先要合理进行开采布局，采用正确的开采方法，在适当位置要预留防水矿柱，修采用正确的开采方法，在适当位置要预留防水矿柱，修建防水闸门或水闸墙。建防水闸门或水闸墙。第32页/共34页水文地质篇复习要点水文地质篇复习要点地下水成分地下水成分库尔洛夫式的应用库尔洛夫式的应用按埋藏条件分类的各类地下水特征按埋藏条件分类的各类地下水特征按含水层空隙性质分类的各类地下水特按含水层空隙性质分类的各类地下水特征征潜水等水位线图潜水等水位线图承压水等水压线图承压水等水压线图矿床水文地质图矿床水文地质图地下水向井运动基本规律地下水向井运动基本规律涌水量预测常用方法涌水量预测常用方法第33页/共34页感谢您的观看！第34页/共34页