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1、地下水运动的基本规律第1页，本讲稿共68页第2页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律4.0 几个概念几个概念渗流渗流：地下水在：地下水在岩石空隙中的运动岩石空隙中的运动称为渗流称为渗流渗流场渗流场：发生：发生渗流的区域渗流的区域称为渗流场称为渗流场层流运动层流运动：在岩层空隙中渗流时，水的质点做：在岩层空隙中渗流时，水的质点做有秩序有秩序的，的，互互不不混杂混杂的流动，称作层流运动的流动，称作层流运动 例如例如：在狭小空隙（如砂，砂土）中流动时，重力水受介在狭小空隙（如砂，砂土）中流动时，重力水受介质的吸引力较大，水的质点排列较有秩序，可以认为是层流运质的吸引
2、力较大，水的质点排列较有秩序，可以认为是层流运动。动。紊流运动紊流运动：水的质点：水的质点无秩序无秩序的的、互相混杂互相混杂的流动，称作紊流运动的流动，称作紊流运动第3页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律第4页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律第5页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律第6页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律稳定流稳定流：水在渗流场：水在渗流场内运动，各个运动要素内运动，各个运动要素（水位、流速、流向等）（水位、流速、流向等）不随时间改变
3、不随时间改变时，称作稳时，称作稳定流定流4.0 几个概念几个概念第7页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律非稳定流非稳定流：运动要素：运动要素随时间变随时间变化化的水流运动，称作非稳定流的水流运动，称作非稳定流第8页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律4.1 重力水运动的基本规律重力水运动的基本规律4.1.1 达西定律达西定律线线性渗透定律性渗透定律达西试验示意图达西试验示意图A第9页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律第10页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规
4、律律 如图，上方不断滴水，使砂柱顶端经常保持如图，上方不断滴水，使砂柱顶端经常保持一极薄一极薄的水层。的水层。已知渗透流量已知渗透流量 Q Q 和过水断面面积和过水断面面积，求渗透系数，求渗透系数 K K ，并在图上标明，并在图上标明达西公式相应的项。达西公式相应的项。第11页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律第12页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律4.1.2 渗透流速（渗透流速（V）砂柱的砂柱的横断面积横断面积，包括砂颗粒所占据的面积及空隙所占据的面积，包括砂颗粒所占据的面积及空隙所占据的面积扣除扣除结合水所占据的范围
5、以外的水流结合水所占据的范围以外的水流实际流过实际流过的的空隙面积空隙面积有效空隙度有效空隙度第13页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律重力水所占据的空间重力水所占据的空间给水度给水度结合水所占据的空间结合水所占据的空间毛细水所占据的空间毛细水所占据的空间空间（孔隙度）空间（孔隙度）有有效效孔孔隙隙度度 对于对于粘性土粘性土，由于空隙细小，结合水所占比例大，所以有效孔，由于空隙细小，结合水所占比例大，所以有效孔隙度很小。隙度很小。对于对于空隙大的岩层空隙大的岩层（例如溶穴发育的可溶岩，有宽大裂隙的裂（例如溶穴发育的可溶岩，有宽大裂隙的裂隙岩层），隙岩层），第
6、14页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律4.1.3 水力梯度（水力梯度（I）水力梯度水力梯度（I）：）：沿沿渗透途径渗透途径水头水头损失损失与相应渗透与相应渗透途径途径长度长度的比值的比值水流通过水流通过单位长度渗透途径单位长度渗透途径为为克服摩擦阻力克服摩擦阻力所耗失的所耗失的机械能机械能克服摩擦阻力使水以一定速度流动的克服摩擦阻力使水以一定速度流动的驱动力驱动力 补充补充液体（水）的粘滞性液体（水）的粘滞性：液体具有易流：液体具有易流动动性，性，处处于静止于静止状状态时态时不能承受剪切力而抵抗剪切不能承受剪切力而抵抗剪切变变形，但在运形，但在运动动状状态
7、时态时，其，其内部会出内部会出现现抵抗抵抗变变形的特性。形的特性。液体在运液体在运动动状状态时态时抵抗剪切抵抗剪切变变形的性形的性质质称称为为液体的粘滞性液体的粘滞性。第15页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律 1686年，由牛顿提出并经后人验证的年，由牛顿提出并经后人验证的牛顿牛顿摩擦定律为：液摩擦定律为：液体沿某一固体表面作层流运动，体沿某一固体表面作层流运动，相邻液体相邻液体层间的层间的内摩擦力内摩擦力（或称切力）（或称切力）F 的大小与流速梯度的大小与流速梯度 du/dy 和液层间接触面的面积和液层间接触面的面积 A 呈正比，同时与液体性质有关：呈正
8、比，同时与液体性质有关：为为比例常数，具有比例常数，具有动动力学量力学量纲纲，也称，也称为为动力粘滞系数（或动力动力粘滞系数（或动力粘度）粘度），其，其单单位位为为Ns/m2或或Pas，与液体的性质有关，是对，与液体的性质有关，是对液体液体粘滞性的度量粘滞性的度量。温度升高温度升高时液体的粘滞性降低，而气体的粘滞性则时液体的粘滞性降低，而气体的粘滞性则反而加大。反而加大。第16页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律4.1.4 渗透系数（渗透系数（K）大风对田径比赛影响很大，田径比赛场地上风速超过限制，所创大风对田径比赛影响很大，田径比赛场地上风速超过限制，所创
9、造出的成绩将不被承认。造出的成绩将不被承认。田径比赛规则上明文规定：距离田径比赛规则上明文规定：距离200200米和米和200200米以下的径赛以及米以下的径赛以及跳远、三级跳远等项目，凡顺风时平均风速超过每秒跳远、三级跳远等项目，凡顺风时平均风速超过每秒2 2米者，所创米者，所创纪录不予承认。纪录不予承认。国际业余田径联合会的规则规定，在田径比赛中，有一部分项目国际业余田径联合会的规则规定，在田径比赛中，有一部分项目要测定风速，主要有：要测定风速，主要有：100100米、米、110110米栏、米栏、200200米、跳远和三级跳远等米、跳远和三级跳远等项目。规则规定，当顺风风速超过项目。规则规
10、定，当顺风风速超过2 2米米/秒时，比赛成绩只能用于决定秒时，比赛成绩只能用于决定当场比赛名次，而不能作为比赛记录。当场比赛名次，而不能作为比赛记录。第17页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律4.1.4 渗透系数（渗透系数（K）第18页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律4.1.4 渗透系数（渗透系数（K）渗透系数可渗透系数可定量说明定量说明岩石的岩石的渗透性能渗透性能。渗透系数愈大，岩石的透水能力愈强。渗透系数愈大，岩石的透水能力愈强。水流在岩石空隙中运动，需要克服水流在岩石空隙中运动，需要克服隙壁与水隙壁与水及及水质点之
11、水质点之间间的摩擦阻力；的摩擦阻力；所以所以：渗透系数不仅与渗透系数不仅与岩石的空隙性质岩石的空隙性质有关，还与有关，还与水的某些水的某些物理性质物理性质有关。有关。（水和石油）（水和石油）设有粘滞性不同的两种液体在同一岩石中运动。则粘滞性大的设有粘滞性不同的两种液体在同一岩石中运动。则粘滞性大的液体渗透系数就会小于粘滞性小的液体。液体渗透系数就会小于粘滞性小的液体。在研究卤水、热水的运动时，就要考虑液体粘滞性在研究卤水、热水的运动时，就要考虑液体粘滞性第19页，本讲稿共68页第三章第三章 地下水的地下水的赋赋存存推断含水层岩性或厚度推断含水层岩性或厚度的变化的变化第20页，本讲稿共68页含水
12、层均质各向同性，隔水底板水平含水层均质各向同性，隔水底板水平第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律第21页，本讲稿共68页含水层均质各向同性，隔水底板起伏，含水层均质各向同性，隔水底板起伏，含水层厚度含水层厚度第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律第22页，本讲稿共68页隔水底板水平，局部渗透性能隔水底板水平，局部渗透性能第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律第23页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律4.1.5 地下水渗流的地下水渗流的思考、思考、总结总结1）地下）地下渗流和实际的水流渗流和实际的水流的比较的比
13、较普通水流普通水流的流向是从总水头高的地方流向总水头低的地方的流向是从总水头高的地方流向总水头低的地方水流量的大小取决于水头差和水头损失水流量的大小取决于水头差和水头损失普通水流普通水流在管道中运动取决于管道大小、形状及管壁的粗糙度在管道中运动取决于管道大小、形状及管壁的粗糙度渗流渗流运动取决于多孔介质空隙大小、形状以及其连通性运动取决于多孔介质空隙大小、形状以及其连通性地下水地下水水的流向也是从高水头流向低水头水的流向也是从高水头流向低水头流量的大小也取决于水头差和水头损失流量的大小也取决于水头差和水头损失第24页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律2）地下
14、水运动研究）地下水运动研究宏观宏观与与微观微观第25页，本讲稿共68页从微观角度研究地下水运动的从微观角度研究地下水运动的难度难度有有两个两个方面方面：A）要获得微观角度每一个空间点的要获得微观角度每一个空间点的水流运动参数水流运动参数，首先必，首先必须获得空隙的几何参数（查明每一个空隙与固体颗粒之间的边界须获得空隙的几何参数（查明每一个空隙与固体颗粒之间的边界位置等）位置等）B）从微观角度来看地下水流在空间上是不连续的。固体颗粒从微观角度来看地下水流在空间上是不连续的。固体颗粒部分是没有水流的，因此从微观角度地下水的运动参数在空间部分是没有水流的，因此从微观角度地下水的运动参数在空间上是不连
15、续的，有很多地方运动参数是零。上是不连续的，有很多地方运动参数是零。也就是说描述水流运动的物理量是也就是说描述水流运动的物理量是非连续函数非连续函数，因此，因此基于连续基于连续函数的许多微积分方法无法应用函数的许多微积分方法无法应用。第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律第26页，本讲稿共68页用用假想的水流来代替真实的水流假想的水流来代替真实的水流，几个，几个前提假设前提假设 A）假想水流假想水流充满充满整个多孔介质的连续体；所谓的整个多孔介整个多孔介质的连续体；所谓的整个多孔介质它包括空隙和固体部分。而不仅仅是空隙了，主要处处有空质它包括空隙和固体部分。而不仅仅是空隙了，主
16、要处处有空隙，隙，处处有水流处处有水流。B）假想水流（渗流）的阻力与实际水流在空隙中所受到的阻力假想水流（渗流）的阻力与实际水流在空隙中所受到的阻力相同；也就是说，我们假设在这个空隙中的有一点，相同；也就是说，我们假设在这个空隙中的有一点，这一点的假想这一点的假想的水流和实际的水流所受的阻力是相等的的水流和实际的水流所受的阻力是相等的。C）渗流场任意一点的水头渗流场任意一点的水头H和流速矢量和流速矢量V等等运动要素运动要素与实与实际水流在际水流在该点周围一个小范围内的平均值该点周围一个小范围内的平均值相等。相等。第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律第27页，本讲稿共68页第四
17、章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律3）渗流的微观分析）渗流的微观分析各种流速的比较各种流速的比较第28页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律4.1.6 达西定律的适用范达西定律的适用范围围 雷雷诺诺数是指流体流数是指流体流动时动时的的惯惯性力性力Fe和和粘性力和和粘性力F之比，用之比，用Re表表示，即：示，即：为为流体密度；流体密度；u 为为流体流速；流体流速；为为流体流体动动力粘性系数；力粘性系数；l 为过为过流断面有效流断面有效长长度。度。第29页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律4.1.6 达西定律的适
18、用范达西定律的适用范围围1Re10，层流，层流，适用适用，地下水低速运动，粘滞力占，地下水低速运动，粘滞力占优势；优势；10Re100，层流，层流，不适用不适用，地下水流速增大，为过，地下水流速增大，为过渡带，由粘滞力占优势的层流转变为以惯性力占优势的渡带，由粘滞力占优势的层流转变为以惯性力占优势的层流运动；层流运动；Re100，紊流，紊流，不适用不适用。达西定律是描述达西定律是描述层层流状流状态态下下渗透流速渗透流速与与水水头损头损失失关系的关系的规规律，即律，即渗流速度渗流速度V与水力坡度与水力坡度I成成线线性关系只适用于性关系只适用于层层流范流范围围。在水利工程。在水利工程中，中，绝绝大
19、多数渗流大多数渗流，无，无论论是是发发生于生于砂土砂土中或一般的中或一般的粘性土粘性土中，中，均属于均属于层层流范流范围围，故，故达西定律均可适用达西定律均可适用。但以下两种情况可但以下两种情况可认为认为超出达西定律适用范超出达西定律适用范围围。第30页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律4.1.6 达西定律的适用范达西定律的适用范围围 一种情况是在一种情况是在纯砾纯砾以上的很粗的土中的渗流，且水力坡降以上的很粗的土中的渗流，且水力坡降较较大大时时，流，流态态已不再是已不再是层层流而是紊流。流而是紊流。这时这时，达西定律不再适用，达西定律不再适用，渗流速度渗流
20、速度V与水力坡降与水力坡降I之之间间的关系不再保持直的关系不再保持直线线而而变为变为次次线线性的曲性的曲线线关系关系，如，如图图所示。所示。层层流流进进入紊流的界限，即入紊流的界限，即为为达西定律适用的上限达西定律适用的上限。有的学者主有的学者主张张用用临临界流速界流速Vcr来划分来划分这这一界限，并一界限，并认为认为Vcr=0.30.5cm/s。当当VVcr后，达西定律可修改后，达西定律可修改为为：V=KIm（m1）。）。第31页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律4.1.6 达西定律的适用范达西定律的适用范围围纯砾纯砾以上的很粗的土中以上的很粗的土中V-I
21、关系曲关系曲线线粘性很粘性很强强的致密粘土中的致密粘土中V-I关系曲关系曲线线第32页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律4.1.6 达西定律的适用范达西定律的适用范围围 另一种情况是另一种情况是发发生在粘性很生在粘性很强强的的致密粘土致密粘土中。中。如如图图所示。所示。实线实线表示表示试验试验曲曲线线，它成超，它成超线线性性规规律增律增长长，且不通，且不通过过原点。原点。使用使用时时，可将曲，可将曲线简线简化化为为如如图图虚虚线线所示的直所示的直线线关系。截距关系。截距I0称称为为起始坡降起始坡降。这时这时，达西定律可修改，达西定律可修改为为：V=K（I-I0）。当坡降很小，当坡降很小，II0时时，没有渗流，没有渗流发发生。生。Idl1）。）。第66页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律第67页，本讲稿共68页第四章第四章 地下水运地下水运动动的基本的基本规规律律4.3.3 强强、弱透、弱透镜镜体体 当含水层中存在当含水层中存在弱渗透性透弱渗透性透镜体镜体时，流线将时，流线将绕流绕流。第68页，本讲稿共68页