渗流理论基础授课12.ppt

第十二章 渗流理论基础;1 渗流的基本概念 2 渗流基本定律 3 岩层透水特征及水流折射定律 4 流网及其应用 5 渗流连续方程 6 渗流基本微分方程 7 数学模型的建立及求解;一、 渗流的基本概念; (1) 孔隙性：有效孔隙和死端孔隙。 孔隙度（Porosity）是多孔介质中孔隙体积与多孔介质总体积之比（符号为n），可表示为小数或百分数，n=Vv/V。 有效孔隙（Effective pores）是多孔介质中相互连通的、不为结合水所占据的那一部分孔隙。 有效孔隙度（Effective Porosity）是多孔介质中有效孔隙体积与多孔介质总体积之比（符号为ne），可表示为小数或百分数，ne=Ve/V。 死端孔隙（Dead-end pores ）是多孔介质中一端与其它孔隙连通、另一端是封闭的孔隙。;(2) 连通性： (3) 压缩性：固体颗粒和孔隙的压缩。 (4) 多相性：固、液、气三相可共存。其中固相的成 为骨架，气相主要分布在非饱和带中，液相的地下水可以吸着水、薄膜水、毛管水和重力水等形式存在。 固相—骨架 matrix 气相—空气，非饱和带中 液相—水：吸着水 Hygroscopic water 薄膜水 pellicular water 毛管水 capillary water 重力水 gravitational water;薄膜水:指在水蒸汽凝结时形成的水或者是滴状液体水（重力水）离去后遗留在岩石中的水，在岩石微粒上围绕吸着水的薄膜形成较厚的薄膜水。 ;2 渗透与渗流 渗透:地下水在岩石空隙或多孔介质中的运动，这种运动是在弯曲的通道中，运动轨迹在各点处不等。为了研究地下水的整体运动特征，引入渗流的概念。 渗流（seepage flow）：具有实际水流的运动特点（流量、水头、压力、渗透阻力），并连续充满整个含水层空间的一种虚拟水流；是用以代替真实地下水流的一种假想水流。;渗流特点是： （1）假想水流的性质与真实地下水流相同； （2）充满含水层空隙空间和岩石颗粒所占据的空间； （3）运动时所受的阻力与实际水流所受阻力相等； （4）通过任一断面的流量及任一点的压力或水头与实际水流相同。 3)渗流场（flow domain）：假想水流所占据的空间区域，包括空隙和岩石颗粒所占的全部空间。; 典型单元体 （REV，Representative Elementary Volume）又称代表性单元体，是渗流场中其物理量的平均值能够近似代替整个渗流场的特征值的代表性单元体积。 REV具备两个性质： (1) 其体积和面积，大于个别空隙而小于渗流场，其中的渗流可以从一点连续运动到另一点； (2) 通过单元体的运动要素（流量Q、水头h、压力p、实际水头受到的阻力R）与真实水流相等，运动要素是连续变化的。 REV的作用： (1) 把物理性质看作是坐标的函数，孔隙度n、导水系数T、给水度?和渗透系数均连续。 (2) 渗流的要素可以微分、积分，可以用微分方程来描述渗流要素。;4) 渗流速度 （1）过水断面（Cross-sectional area）是渗流场中垂直于渗流方向的任意一个岩石截面，包括空隙面积（Av）和固体颗粒所占据的面积(As)，A= Av + As。渗流平行流动时为平面，弯曲流动时为曲面。 （2）渗流量（Seepage discharge）是单位时间内通过过水断面的水体积，用Q表示，单位m3/d。; （3）渗流速度（Specific discharge/seepage velocity）又称渗透速度、比流量，是渗流在过水断面上的平均流速。它不代表任何真实水流的速度，只是一种假想速度。它描述的是渗流具有的平均速度，是渗流场空间坐标的连续函数，是一个虚拟的矢量。单位m/d，表示为: （4）实际平均流速（Mean actual velocity）是多孔介质中地下水通过空隙面积的平均速度；地下水流通过含水层过水断面的平均流速，其值等于流量除以过水断面上的空隙面积，量纲为L/T。它描述地下水锋面在单位时间内运移的距离，是渗流场空间坐标的离散函数。表示为： 渗流速度=n 实际平均流速; 若确定渗流场中任一点的渗流速度，可以按以下方法进行讨论： 设以P点为中心的REV的平均渗流速度矢量为v，令REV的体积为?V0，其中空隙体积为VV=nV0，在空隙中的不同地点，流速u不同，将u 在全部空隙体积VV中求积分，再除以REV体积?V0，即为渗流速度，表示为: 可得V= n; 3、地下水的水头与水力坡度 (1)地下水水头（hydraul