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Fundamentals of Hydrogeoloy 第5章 地下水运动的基本规律 土木工程（岩土方向） 第5章 地下水运动的基本规律 第一节 渗流及其有关概念 第二节 重力水运动的基本规律 第三节 流网 第四节 饱水粘性土中水的运动规律 第一节 渗流及其有关概念 地下水在岩石空隙中的运动称为渗流 （或渗透）。发 生渗流的区域称为渗流场。水力学研究液体的连续介质模 型，地下水运动遵循水力学基本原理。差异：水力学研究 水在管（pipe）、渠(channel、gully)—明流；由于受到 介质 (颗粒)的阻滞，因此地下水的流动较地表水远为缓慢。 渗流可根据以下特征来描述： a) 层流和紊流 b) 稳定流和非稳定流 c) 单向流、平面流和空间流 层流是指渗流水质点作有秩序的、互不混杂的运动； 紊流是指水的质点作无秩序的、互相混杂的运动。 在具狭小空隙的岩石（如孔隙和微小裂隙）中流动时，重力 水受介质的引力较大，水的质点排列较有秩序，一般作层流 运动。 而在宽大空隙（如宽大裂隙和大的溶穴）中流动时，水的流 速较大，消耗的能量较多，容易作紊流运动。 水在渗流场内运动，如果水质点通过空间点时，所有运动 要素（水位、流速、流向等）不随时间改变时，称为稳定流。 运动要素随时间变化的水流运动，称为非稳定流。 需要注意，对于稳定流来说，各运动要素可以是空间坐标 的函数，也就是说，在稳定流的渗流场中，不同空间点的运动 要素不一定相同，它们既可以相同，也可以不同。 严格地讲，自然界中地下水都属于非稳定流，但是，为了 便于分析和运算，在某些运动要素作很微小变化的渗透，也近 似地看作是稳定流。 根据地下水运动方向（渗透流速矢量的方向）与空间坐标 的关系，可把渗流分为单向流(一维运动)、平面流(二维运动) 和空间流(三维运动)。 当地下水沿一个方向流动时，即只有一个方向的速度分量 （其余方向的分速度为零），这类运动称为一维运动（单向 流）； 如果地下水的流动有两个方向的分速度，则称为二维运动 （平面流）； 如果地下水的流动方向沿空间三个坐标轴的分量均不等于 零，称为三维运动（空间流）。 第二节 重力水运动的基本规律 2.1 Darcy 定律 1856年法国的水力工程师H. Darcy在装满砂的圆筒 （图4-1）中进行了大量实验，得到如下线性关系式： 由于 则 上述两个关系式称为达西定律 (Darcy’s Law)。 滤网 1 2 砂 滤网 图4-1 Darcy实验装置示意图 2.2 渗透流速与实际流速 在Darcy定律中，公式 v Q KJ 中的v 称为渗透 A 流速 (渗流速度)。 由于过水断面A 既包括透水的孔隙面积，又包括不透水 的颗粒所占的面积。因此渗透速度v 并不是水流的真实速度， 而是假设水流通过包括砂粒和孔隙在内的整个断面所具有的 一种虚拟平均流速。 实际情况是，水流流过的只是扣除结合水所占据范围 以外的空隙截面面积A’ ，即 ’ A =A·n e 其中 n 为有效空隙度 （重力水流动的空隙体积与岩石体积 e 之比）. 因此实际平均流速u 大于渗透流速v ，可表示为