第5章 地下水運動

1、第第5 5章章 地下水運動的基本規(guī)律地下水運動的基本規(guī)律第第1 1節(jié)節(jié) 地下水運動的基本特點地下水運動的基本特點概化后的理想滲流概化后的理想滲流 地下水各種流速分布概念圖地下水各種流速分布概念圖 孔隙中地下水的層流和紊流孔隙中地下水的層流和紊流（a）-層流；（層流；（b）-紊流；紊流；1-固體顆粒；固體顆粒；2-結(jié)合水；結(jié)合水；箭頭表示水流運動方向。箭頭表示水流運動方向。1、重力勢（位置水頭、重力勢（位置水頭 z） 測壓點的位置高度，即：測壓點距任意基準(zhǔn)點的垂直測壓點的位置高度，即：測壓點距任意基準(zhǔn)點的垂直距離。距離。在水力學(xué)中總水頭在水力學(xué)中總水頭H為：為： H = Z + P/ g+u2/

2、2g 2、壓力勢（壓力水頭、壓力勢（壓力水頭 hn ） p測壓點的靜水壓強（相對于大氣壓而言）；測壓點的靜水壓強（相對于大氣壓而言）； 液體的密度（單位體積水的質(zhì)量）液體的密度（單位體積水的質(zhì)量）gphn4、測壓水頭、測壓水頭Hn 在水力學(xué)中總水頭在水力學(xué)中總水頭H為：為： H = Z + P/ g+u2/2g 測壓水頭測壓水頭 速度水頭速度水頭 Z位置高度；位置高度； g重力加速度；重力加速度；u地下水實際流速地下水實際流速 公式中第一項為公式中第一項為位置水頭位置水頭，第二項是，第二項是壓力水頭壓力水頭，第三項是，第三項是流流速水頭速水頭。自然界地下水的實際流速很小，可以忽略不計，因此。自

3、然界地下水的實際流速很小，可以忽略不計，因此在研究滲流時，可以認(rèn)為在研究滲流時，可以認(rèn)為地下水的總水頭在數(shù)值上等于測壓水地下水的總水頭在數(shù)值上等于測壓水頭，即：頭，即： H = Z + P/ g 在實際應(yīng)用中，不再區(qū)分總水頭和測壓管水頭，統(tǒng)稱為水在實際應(yīng)用中，不再區(qū)分總水頭和測壓管水頭，統(tǒng)稱為水頭頭或水位或水位，用，用H表示。表示。3、動能（流速水頭、動能（流速水頭 u2/2g） u地下水實際流速地下水實際流速221mugpmgmgzE常數(shù)gugpz22whgugpzgugpz2222222111第第2 2節(jié)節(jié) 達西定律達西定律 1、Darcys Law Darcy, 1856年年 通過飽和土

4、體斷面的通過飽和土體斷面的滲透流量滲透流量Q與與斷面面積斷面面積A和和水力梯度水力梯度I成正比，成正比，比例系數(shù)為比例系數(shù)為K，稱為，稱為“滲透系滲透系數(shù)數(shù)”。線性滲透定律線性滲透定律KAILhKALHHKAQ21LhI 水頭差水頭差砂砂柱柱濾網(wǎng)濾網(wǎng)濾網(wǎng)濾網(wǎng)滲流途徑滲流途徑下過水?dāng)嗝嫠^下過水?dāng)嗝嫠^上過水?dāng)嗝嫠^上過水?dāng)嗝嫠^KIAQVKAILhKAQLhI 過水?dāng)嗝孢^水?dāng)嗝?A（斜陰線部分）（斜陰線部分）實際過水?dāng)嗝鎸嶋H過水?dāng)嗝?A （直陰線部分）（直陰線部分）eAnA nne（孔隙度）（孔隙度）巖土巖土骨架骨架AVQAQVUAQ UnVeeAnA UAnQeVU tgsin很小時：即當(dāng)d

5、ldhdsdhI,.- ,- ,dxdhdsdhLh 水在空隙中運動時，必須克服水與隙壁以及流動快慢不同的質(zhì)點之間的水在空隙中運動時，必須克服水與隙壁以及流動快慢不同的質(zhì)點之間的摩擦阻力（這種摩擦阻力隨地下水流速增加而增大），從而消耗機械能，造摩擦阻力（這種摩擦阻力隨地下水流速增加而增大），從而消耗機械能，造成成水頭損失水頭損失。 水力梯度可以理解為水流通過單位長度水力梯度可以理解為水流通過單位長度滲透途徑滲透途徑為克服摩擦阻力所為克服摩擦阻力所耗耗失的機械能失的機械能。從另一個角度，也可以將水力梯度理解為。從另一個角度，也可以將水力梯度理解為驅(qū)動力驅(qū)動力，即克服摩擦，即克服摩擦阻力使水以一定

6、速度流動的力量。阻力使水以一定速度流動的力量。 水力梯度（水力梯度（I） 沿沿滲透途徑水頭損失滲透途徑水頭損失與相應(yīng)與相應(yīng)滲透途徑長度滲透途徑長度的比值。的比值。水力梯度可表示為：水力梯度可表示為：hL 滲透流速與水力梯度關(guān)系滲透流速與水力梯度關(guān)系KIAQVkgK松散巖石滲透系數(shù)參考值表松散巖石滲透系數(shù)參考值表一般松散巖土顆粒越細(xì)，滲透系數(shù)越小一般松散巖土顆粒越細(xì)，滲透系數(shù)越小uDReu圓管中液體的斷面平均流速；圓管中液體的斷面平均流速；D圓管的直徑；圓管的直徑； 水的運動粘滯系數(shù)；水的運動粘滯系數(shù)；n 達西定律的應(yīng)用達西定律的應(yīng)用22221bababaHHLKLHHHHKIMKIKQ 單寬流

7、量指的是單位寬度上河流或輸水管的輸水流量。 dxdhKMdxdhMKvqdxdhKv1單寬流量為：分離變量并積分：分離變量并積分：KMh1h200LIKMLhhKMqdhKMdxqKMdhqdxKMdhqdxhhLhhL21002121xLhhKMqandxhhKMq2211 )( 2112121hhLxhhxLhhxhhqq結(jié)論：均質(zhì)水平等厚結(jié)論：均質(zhì)水平等厚承壓含水層承壓含水層的的測壓曲線測壓曲線是是。dxdhhKqIMKLhhhhKqhdhKdxqKhdhqdxhhL21210221結(jié)論結(jié)論: 均質(zhì)水平均質(zhì)水平潛水含水層潛水含水層的的侵潤曲線侵潤曲線是是。)(222121hhLxhh 同

8、樣設(shè)同樣設(shè)x (0,L), 并對應(yīng)的潛水位為并對應(yīng)的潛水位為h，可通過流量相等，可通過流量相等推導(dǎo)出潛水位曲線公式：推導(dǎo)出潛水位曲線公式： 1、等水頭線等水頭線 在某時刻，滲流場中水頭相等各點在某時刻，滲流場中水頭相等各點的連線（水勢場的分布）的連線（水勢場的分布） 2、等水頭面等水頭面 是滲流場內(nèi)水頭值相同的各點連成是滲流場內(nèi)水頭值相同的各點連成的面。的面。 3、流線流線 滲流場中某一瞬間的一條曲線，曲滲流場中某一瞬間的一條曲線，曲線上各水質(zhì)點在此瞬間的流向均與此線上各水質(zhì)點在此瞬間的流向均與此線相切。（某時刻各點流向的連線）。線相切。（某時刻各點流向的連線）。 4、跡線跡線 滲流場中某一時

9、間段內(nèi)某一水質(zhì)點的運動軌跡。（水質(zhì)點運滲流場中某一時間段內(nèi)某一水質(zhì)點的運動軌跡。（水質(zhì)點運動過程，穩(wěn)定流條件下，流線與跡線重合）。動過程，穩(wěn)定流條件下，流線與跡線重合）。 5、流網(wǎng)、流網(wǎng) 在滲流場中某一典型剖面或切在滲流場中某一典型剖面或切面上，由一系列等水頭線與流線面上，由一系列等水頭線與流線組成的網(wǎng)格。組成的網(wǎng)格。 二、流網(wǎng)的繪制二、流網(wǎng)的繪制 （一）均質(zhì)各向同性介質(zhì)（一）均質(zhì)各向同性介質(zhì) 1、繪制方法：、繪制方法： a. 精確繪制：將水位都測出，精確度高；精確繪制：將水位都測出，精確度高； b. 徒手（信手）繪制：對地下水研究有定向幫助，做水文地徒手（信手）繪制：對地下水研究有定向幫助，

10、做水文地質(zhì)分析。質(zhì)分析。 （一）均質(zhì)各向同性介質(zhì)（一）均質(zhì)各向同性介質(zhì) 2、徒手繪制步驟、徒手繪制步驟 確定分流線、補給區(qū)（源）、排泄區(qū)（匯），分流線相當(dāng)確定分流線、補給區(qū)（源）、排泄區(qū)（匯），分流線相當(dāng)于隔水邊界。于隔水邊界。 尋找已知邊界，繪制滲流場的流線或等水頭線尋找已知邊界，繪制滲流場的流線或等水頭線 a.定水頭邊界（濕周）：定水頭邊界（濕周）：相當(dāng)于等水頭線，等水頭面。相當(dāng)于等水頭線，等水頭面。 b.隔水邊界：隔水邊界：相當(dāng)于流線。相當(dāng)于流線。 c.地下水（潛水）面邊界：地下水（潛水）面邊界：無入滲補給時為流線，有入無入滲補給時為流線，有入滲補給時，水面即不為流線也不為等水頭線滲補給

11、時，水面即不為流線也不為等水頭線 按照按照“正交正交”原則，等間距內(nèi)插其它的流線或等水頭線。原則，等間距內(nèi)插其它的流線或等水頭線。（一）均質(zhì)各向同性介質(zhì)（一）均質(zhì)各向同性介質(zhì) 2、徒手繪制步驟、徒手繪制步驟 確定分流線、補給區(qū)（源）、排泄區(qū)（匯），分流線相當(dāng)確定分流線、補給區(qū)（源）、排泄區(qū)（匯），分流線相當(dāng)于隔水邊界。于隔水邊界。 尋找已知邊界，繪制滲流場的流線或等水頭線尋找已知邊界，繪制滲流場的流線或等水頭線 a.定水頭邊界（濕周）：定水頭邊界（濕周）：相當(dāng)于等水頭線，等水頭面。相當(dāng)于等水頭線，等水頭面。 定水頭邊界，相當(dāng)于等水頭線，等水頭面（河流）定水頭邊界，相當(dāng)于等水頭線，等水頭面（河流

12、）地表水體的斷面可看作等水頭面，地表水體的斷面可看作等水頭面，河渠的河渠的濕周濕周必定是一條等水頭線必定是一條等水頭線 尋找已知邊界，繪制滲流場的流線或等水頭線尋找已知邊界，繪制滲流場的流線或等水頭線 b.隔水邊界：隔水邊界：相當(dāng)于流線。相當(dāng)于流線。 隔水邊界相當(dāng)于流線隔水邊界相當(dāng)于流線隔水邊界無水流通過，為隔水邊界無水流通過，為零通量，流線就是零通量，流線就是“零通零通量量”邊界，平行隔水邊界邊界，平行隔水邊界可繪出流線可繪出流線無無入入滲滲和和蒸蒸發(fā)發(fā)有有入入滲滲補補給給地下水面邊界比較復(fù)雜。當(dāng)無入滲補給及蒸發(fā)排泄，有側(cè)向補給，作穩(wěn)定地下水面邊界比較復(fù)雜。當(dāng)無入滲補給及蒸發(fā)排泄，有側(cè)向補給

13、，作穩(wěn)定流動時，地下水面是一條流線；當(dāng)有入滲補給時，地下水面就既不是流線，流動時，地下水面是一條流線；當(dāng)有入滲補給時，地下水面就既不是流線，也不是等水頭線。也不是等水頭線。 尋找已知邊界，繪制滲流場的流線或等水頭線尋找已知邊界，繪制滲流場的流線或等水頭線 c.地下水（潛水）面邊界：地下水（潛水）面邊界：無入滲補給時為流線，有入滲補給無入滲補給時為流線，有入滲補給時，水面即不為流線也不為等水頭線時，水面即不為流線也不為等水頭線 按照按照“正交正交”原則，等間距內(nèi)插其它的流線或等水頭線。原則，等間距內(nèi)插其它的流線或等水頭線。地下水位標(biāo)高地下水位標(biāo)高埋深：埋深：注意河間地塊水位變化特點。注意河間地塊水位變化特點?？拷炙畮X打井，水位埋靠近分水嶺