水文地质学-地下水运动的基本规律.pptVIP

7 地下水运动的基本规律 主讲人：张文 东华理工学院 二零零六年六月 几个基本概念 （1）渗流与渗流场 地下水在岩石空隙中的运动称为渗流 (渗透)。发生渗流的区域称为渗流场。 （2）层流运动与紊流运动 在岩层空隙中渗流时，水的质点作有秩序的、互不混杂的流动，称作层流运动。 水的质点无秩序地、互相混杂的流动，称为紊流运动。 （3）稳定流与非稳定流 水在渗流场内运动，各个运动要素(水位、流速、流向等)不随时间改变时，称作稳定流。 运动要素随时间变化的水流运动，称作非稳定流。严格地讲，自然界中地下水都属于非稳定流。 7.1 重力水运动的基本规律 7.1.1达西定律 1856年，法国水力学家达西(H．Darcy)通过大量的实验，得到线性渗透定律。 实验是在装有砂的圆筒中进行的(图7—1)。 根据实验结果，得到下列关系式： Q＝Kwh/L＝KwI (7—1) 式中：Q——渗透流量 (出口处流量，即为通过砂柱各断面的流量)； w——过水断面 (在实验中相当于砂柱横断面积)； h——水头损失 (A：H1一H2，即上下游过水断面的水头差)； L——渗透途径 (上下游过水断面的距离)； I——水力梯度 (水头差除以渗透途径)； K——渗透系数。 从水力学已知，通过某一断面的流量Q等于流速V与过水断面面积的乘积，即： ?Q＝WV ( V＝Q／w ) ?据此及公式 (7一1)，达西定律也可以另一种形式表达之： V ＝ KI V—渗透流速。 练习 例1 某向斜盆地在d点有线状泉水出露，平均单宽流量为120m3／d。根据勘探工作获得a、b、c、d点的水头和水文地质剖面图，如图1-23所示。已知：M1=10 m，L11=100m，L12=50m，M2=20 m，L21=2000 m，L22=1500m，cd含水层平均渗透系数Kl=20m／d，ab含水层平均渗透系数K2=30m／d，断层为导水断层。试求ab含水层在断层带B点和cd含水层在断层带A点相应的水头值。 解答 解：已知：M1=10 m，L11=100m，L12=50m，M2=20 m，L21=2000 m，L22=1500m，Kl=20m／d，K2=30m／d，单宽流量qd=120m3／d。 设A点的水头为HA、B点的水头值为HB。根据达西定律则有： 例2 有一厚度变化的单斜承压含水层受断层错动而出露泉水于地表，如图1-24所示。其中L1为承压含水层平均长度， B12为承压含水层两断面的厚度，K1为其渗透系数，L2为断层带中自含水层顶板至泉水出露点的距离，K2、Br分别为断层带的渗透系数和厚度，H为补给区与排泄区之间的水位差。已知LlL2B2，B2BlB，以及H、K1和K：的数值。(1)试计算泉水的流量；(2)试绘制剖面上的地下水水头线示意图。 解答 答：已知，LlL2B2，B2BlB，H、K1和K2： 根据达西定律有： 7.1.2 渗透流速 (V) 过水断面w系指砂柱的横断面积；在该面积中，包括砂颗粒所占据的面积及空隙所占据的面积；而水流实际流过的乃是扣除结合水所占据的范围以外的空隙面积w’ w’ ＝ w﹒ne (7—4) 式中：ne为有效空隙度。 有效空隙度ne为重力水流动的空隙体积 (不包括结合水占据的空间) 与岩石体积之比。 有效空隙度特征 (1)有效空隙度ne孔隙度n。 (2)有效孔隙度ne给水度。 对于粘性土，有效孔隙度很小。对于空隙大的岩层，ne = μ = n 既然w不是实际的过水断面，可知V也并非真实的流速，而是假设水流通过包括骨架 与空隙在内的断面(w)时所具有的一种虚拟流速。 令通过实际过水断面w时的实际流速为u，即： ?Q＝w’／u (7—5) 比较式(7—2)与式(7—5)可得： w v＝w’ u (7—6) 而w’ ＝w n，故得：V ＝ ne u 7.1.3 水力梯度（I） 水力梯度为沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度的比值。 水力梯度可以理解为水流通过单位长途渗透途径为克服摩擦阻力所耗失的机械能。 也可以将水力梯度理解为驱动力，即克服摩擦阻力使水以一定速度流动的力量。 ?注意：求算水力梯度时，水头差必须与相应的渗透途径相对应。 7.1.4 渗透系数（K） (1) 渗透系数的含义 渗透系数为水力梯度等于1时的渗透流速。渗透系数K的因次与渗透流速相同，一般采用m／d或cm／s为单位。 （2）渗透系数特征 1）水力梯度为定值时，渗透系数愈大，渗透流速就愈大；渗透流速为一定值时，渗透系数愈大，水力梯度愈小。 2）渗透系数可定量说