第六章地下水资源及其基本特征11.2.pptVIP

第四节 地下水运动的基本规律 (一)渗流 地下水赋存于岩石空隙中，并在其中运动。将赋存地下水的孔隙岩石(如砂层、砂砾层等)，裂隙岩石和岩溶岩层分别称为多孔介质、裂隙介质和岩溶介质。 地下水在岩石空隙中的运动称为渗流(或渗透)。 地下水的运动是极其复杂的，因为地下水流是在岩石颗粒骨架之间的空隙中渗透。由于岩石空隙的大小、形状和连通情况极不相同，从而形成大小不等、形状复杂、弯曲多变的通道。在不同空隙或同一空隙的不同部位，地下水的流动方向和流速大小均不相同， 空隙中央部分流速最大，而水流与颗粒接触面上的流速为最小。所以说地下水在岩石空隙中运动，其水流中每一个质点都处于不同的运动状态中。如果按其实际情况来研究，在理论上和实际上都将遇到巨大困难，对于实际应用也毫无意义。 因此，通常根据生产实际需要对地下水流加以简化，即用假想的水流模型去代替真实的水流， 一是不考虑渗流途径的迂回曲折，只考虑地下水流的主要流向； 二是不考虑岩层的颗粒骨架，假想渗流的全部空间(空隙和颗粒骨架)被水流所充满。 为了使这种假想的水流能正确反映真实水流的情况，它必须符合如下几点： A、对于同一过水断面，假想水流的流量等于通过该断面的真实水流的流量； B、作用于任一面积上的假想水流的压力等于真实水流的压力； C、假想水流在任意体积内所受的阻力和实际水流所受的阻力相同。满足上述条件的这种假想水流称为渗透水流，或简称为渗流。 渗流所占据的空间称为渗流区或渗流场。为了描述渗流场的特征，通常采用一些物理量，如渗流速度(V)、渗流量(Q)、渗流压强(P)、水头(H)等。上述这些表示渗流特征的物理量，称为渗流的运动要素。上述运动要素是空间坐标(X、y、Z)的连续函数，又是时间(t)的连续函数。 根据运动要素与时间的关系，将地下水运动分为稳定运动和非稳定运动。 1.稳定运动：当渗流场中各点的各项运动要素的大小和方向与时间变化无关时，称为稳定运动。其数学表示式为： P=f1(x,y,z)；或 ep/et=0 V=f2(x,y,z)；或 ev/et=0 2.非稳定运动：如果渗流场中任一点处运动要素中任一个或全部要素随时间而变化，称为非稳定运动，其数学表示式为： P=f1(x,y,z,t)；或 ep/et≠0 V=f2(x,y,z,t)；或 ev/et≠0 如图所示的河间地段，若甲、乙两河的水位和上部渗入强度长期保持不变，则河间地段含水层中所有运动要素(水位、流速和压力等)不随时间变化，水流呈稳定运动。 假设在甲河修建水库，抬高了河水位，则在相当长的一段时间内，流速、压力等运动要素随时间不断变化，这一期间地下水处于非稳定运动。从理论上分析，甲河水位抬高并保持一定后，时间需要延长到无限长时才能转变为稳定运动；实际上经过较长时间以后，运动要素随时间变化已经非常微弱了，在工程计算时就可以近似地看作稳定运动。 (二)层流和紊流 1.层流：水流质点有秩序地、互不混杂的流动，称为层流。地下水在狭小空隙的岩石（如砂、裂隙不很宽大的基岩）中流动时，重力水受介质的吸引力较大，水的质点排列较有秩序，故均作层流运动。 2.紊流：水质点无秩序地、互相混杂的流动，称为紊流。 作紊流运动时，水流所受阻力比层流大，消耗的能量也多。地下水在宽大的空隙中运动，水的流速较大，容易成为紊流运动。 (三)渗透速度和实际速度 1.过水断面：垂直于渗流方向的含水层截面叫过水断面。 该断面包括空隙和颗粒骨架所占的全部空间，其面积用F表示(见图)。 实际地下水流通过的过水断面则是指该断面中的空隙部份。 2.渗透速度:渗流在其过水断面上的平均流速称为渗透速度（或渗流速度） 即：V=Q/ω 式中：V—渗透速度（m/d,m/s）；ω—过水断面面积（该断面上颗粒和空隙的总面积m2； Q—渗透流量，简称流量，即单位时间内通过过水断面的渗流体积。它与实际水流通过该断面的流量相等（m3/d,l/s）。 渗透速度是一个假想的速度。即当流量不变，整个过水断面全部为假想水流充满时渗流运动的平均流速。 3.实际流速是实际地下水流在岩石空隙中间的实际平均流速。 即：u=Q/F1=Q/Fn 式中：u—地下水的实际流速（m/d,m/s）； F1—过水断面中空隙所占面积（m2）； n—岩石的空隙度。 Q —渗透流量m3/d 由上两式中可看出，渗透速度和实际速度之间具有如下关系： V = n u 从上式中可知，渗透速度小于实际速度，因为n总是小于1的数值。由于结合水在一般情况下不参加渗流，因而公式中的n可用给水度μ代替。对空隙大的岩层来说，n值与μ相差不大，但对细颗粒岩石，给水度与孔隙度相差很大，渗透速度与实际渗透流速关系必须用给水度， 即：V =μ u (四)渗透压强 在静水中有静水压强，动水中有动水压强，在地下水流