地下水动力学第一章.ppt

1.1 地下水运动的基本概念 一. 多孔介质 多孔介质：在地下水动力学中，把具有空隙的岩体称为多孔介质。根据岩体中空隙的类型，多孔介质可分为孔隙介质、裂隙介质和溶穴介质。 多孔介质中的地下水可能以吸着水、薄膜水、毛管水和重力水等多种形式存在。本书主要研究重力水的运动。 二. 地下水和多孔介质的性质 1 地下水的性质 （1）密度和容重 密度：单位体积内水的质量，用 表示。某一点水的密度定义为 容重：单位体积内水的重力，用 表示，也称重度。重度和密度的关系为 （2）流动性和粘滞性 流动性：水在受到切应力作用时，会产生变形的特性，在切力作用下的连续变形就表现为水的流动。 粘滞性：液体对于外加切应力或剪切变形会表现出抵抗的性质，称为粘滞性。 流体的粘滞性规律可以用Newton内摩擦定律表示 式中：F为内摩阻力，A为接触面积；u为相对速度； 为动力粘滞系数。 与液体的种类有关， 越大，流体越难流动。液体粘滞性大小还可以用运动粘滞系数 来表示。 （3）水的压缩性 水的体积随压力的增加而减小，这种性质称为水的压缩性。 水的压缩性大小可以用体积压缩系数或弹性模量来表示 式中：V为体积，E为弹性模量。 （4）地下水状态方程 表示液体体积与压强之间关系的方程。 由体积压缩系数 设初始压强为 时，水的体积为 ，当压强变到p时，体积变为V，分离变量： 积分可得： 同理，对于密度，有 将式上述两式中的指数项用Taylor级数展开，当压强变化不大时，可以忽略级数的高次项，得到状态方程的近似表达式 2 多孔介质的性质 介绍空隙度、压缩性和典型单元体的概念。 （1）多孔介质的空隙性 空隙度：多孔介质中空隙体积和介质总体积之比。这里介质总体积包括空隙的体积和固体骨架的体积。 有效空隙度：把互相连通的、不为结合水所占据的那一部分空隙称为有效空隙度。 图1.1.1 死端孔隙示意图 本书以后讲空隙度一般都指有效空隙度。 （2）多孔介质的压缩性 在天然条件下，一定深度处的多孔介质。要受到上覆岩层荷重的压力。 如果压力增加，土体就会压缩，空隙减小。 和水的压缩系数类似，多孔介质压缩系数的表达式为： 式中： 为多孔介质中所取单元体的总体积， 是单元体中固体骨架体积，而 为其中的空隙体积，为介质表面所受的压强。有 代入压缩系数公式 由 得 令 为多孔介质固体颗粒的压缩系数； 为空隙压缩系数。则 由于固体骨架的压缩性比空隙的压缩性要小得多，即 因此压缩系数可以近似为： （3）多孔介质的连续性 在多孔介质中某一点的物理量，如某一点的孔隙度、压力、水头等，都是不连续的。为了把多孔介质近似为一个连续的介质来研究，引入典型单元体的概念。 以空隙度为例说明。 图1.1.2 空隙度随体积变化曲线（典型单元体） 典型单元体（Representative Elementary Volume，简称REV），亦称表征单元体。对于均质多孔介质，各物理量（如空隙度、水头、压力等）在一定体积范围内不随体积的变化而变化，此时，称这一范围的体积为典型单元体。记为 。 定义p点的各物理量时，用以p为中心的典型单元体内该物理量的平均值来定义 。 渗透、渗流和渗漏 渗透：地下水沿着形状不一、大小各异、弯弯曲曲的多孔介质空隙通道流动的现象称为渗透。渗透描述的是真实地下水的运动特征。