第一章渗流理论基础-2-专.ppt

1.2 渗流基本定律 1.2.1Darcy定律及其适用范围 或 地下水的运动是三维， Darcy定律应该用微分形式表示： 在直角坐标系中，如以vx、vy、vz表示沿三个坐标轴方向的渗流速度分量，则有： 用矢量来表示渗流速度形式如下： v=vxi+vyj+vzk 式中：i，j，k为三个坐标轴上的单位矢量。 Darcy定律适用范围： Darcy定律中，渗流速度v与水力坡度J呈线性关系。 做如下实验，固定某种直径d的砂粒，改变水力坡度J的大小，可得到对应的渗流速度v，按照Darcy定律应呈线性关系，但实际上，当v增大到某一值时，开始偏离Darcy定律，这时，根据v、d可确定Reynolds数（Re=vd/γ），计算出的Re一般在1—10。如图： 因此，Darcy定律适用的范围是：用Re=vd/γ（ γ运动粘度）计算得Re小于1—10时，地下水的运动符合Darcy定律。 说明：地下水的运动绝大多数服从Darcy定律。 例如，对d=0.5mm的粗砂为例，地下水15度时的运动粘滞系数γ=0.1m2/d，取Re=1时，由式Re=vd/γ求得： 当渗透流速小于200m/d时，地下水运动为Darcy流。 一般粗砂的渗透系数K=100m/d，实际的J一般小于1/500，这里取1/500，可求得v=0.2m/d，远远小于200m/d，服从Darcy定律。 因此，当渗流速度由低到高时，可把多孔介质中的地下水运动状态分为三种情况： （1）当地下水低速度运动时，即Reynolds数小于1到10之间的某个值时，为粘滞力占优势的层流运动，适用Darcy定律。 （2）随着流速的增大，当Reyno1ds数大致在l到100之间时，为一过渡带，由粘滞力占优势的层流运动转变为惯性力占优势的层流运动，当Reyno1ds大于100时，再转变为紊流运动。 （3）高Reyno1ds数时为紊流运动。 注意：两个界限值1-10、150-300。 1.2.2渗透系数、渗透率和导水系数 渗透系数：水力坡度等于1时的渗透速度。 影响渗透系数的因素：①岩石性质（粒度、成分、颗粒排列、充填状况、裂隙性质及其发育程度）；②液体的物理性质（容重、粘滞性等）。 渗透系数K可用下式： ρ：液体密度，g：重力加速度，μ：动力粘度， k：渗透率。量纲[L2]，只与岩石的性质有关，与液体性质无关。单位cm2或Darcy。 石油地质中用达西： 1 达西=9.8697*10-9cm2。 因此，渗透系数既与岩石性质有关（k），又与流体的性质有关（γ）。 说明： （1）渗透率是反映岩石渗透性能的参数；渗透系数是反映某种液体在某岩石中渗透性能的参数。 （2）地下水的容重和粘滞性改变不大，可以近似地用渗透系数代替渗透率反映岩石渗透性能。 （3）当水温和水的矿化度急剧改变时，如热水、卤水的运动，必须考虑水的密度和粘滞性。 导水系数：水力坡度等于1时，通过整个含水层厚度上的单宽流量。用T表示。 导水系数与渗透系数的关系： T=KM 说明： （1）渗透系数反映岩层的透水性能；导水系数反映含水层的出水能力。 （2）导水系数仅适用于二维地下水流动，对于三维流动没有意义。 1.2.3非线性运动方程 Re小于1—10时，地下水流为线性流，用Darcy定律描述； Re大于1—10时，地下水流为非线性流，用下列定律描述： Forchheimer公式： 1901年福希海默提出Re10时： J=av+bv2 Chezy公式 1912年克拉斯诺波里斯基提出紊流公式： 一般地下水流都为Darcy流。 思考题 1.3 岩层透水特征分类和渗透系数张量 1.3.1岩层透水特征分类 据岩层透水性随空间坐标的变化情况，将岩层分为均质的和非均质的两类。 均质岩层：在渗流场中，所有点都具有相同的渗透系数。 非均质岩层：在渗流场中，不同点具有不同的渗透系数。 非均质岩层有两种类型：一类透水性是渐变的，另一类透水性是突变的。 均质、非均质:指K与空间坐标的关系，即不同位置K是否相同； 根据岩层透水性和渗流方向的关系，可将岩层分为各向同性和各向异性。 各向同性：渗流场中某一点在各个渗透方向上具有相同的渗透系数，则介质是各向同性的。 各向异性：渗流场中某一点