第一章-滲流理論基礎(chǔ)-1

1、工程學(xué)院工程學(xué)院主講人：李鐸主講人：李鐸緒緒 論論 地下水動力學(xué)地下水動力學(xué)：是研究地下水在孔隙巖石、裂隙巖石和巖溶巖石中運動規(guī)律的科學(xué)。 它是模擬地下水流基本狀態(tài)和地下水中溶質(zhì)運移過程，對地下水從數(shù)量上和質(zhì)量上進行定量評價和合理開發(fā)利用，以及興利防害的理論基礎(chǔ)。第一章第一章 滲流理論基礎(chǔ)滲流理論基礎(chǔ)11 滲流的基本概念滲流的基本概念一、地下水在含水巖石中的運動一、地下水在含水巖石中的運動 1 多孔介質(zhì)：具有孔隙的巖石。 含水介質(zhì)一般分為三類： 孔隙介質(zhì)孔隙介質(zhì)：含有孔隙水的巖層。 裂隙介質(zhì)裂隙介質(zhì)：含裂隙水的巖層。 巖溶（巖溶（Karst）介質(zhì)）介質(zhì)：含巖溶水的巖層。 二、地下水和多孔介質(zhì)的

2、性質(zhì)二、地下水和多孔介質(zhì)的性質(zhì)1 地下水的狀態(tài)方程 地下水的狀態(tài)方程：實際上是地下水的體積和密度隨壓力變化的方程。 等溫條件下，水的壓縮系數(shù)為： 設(shè)初始壓強p0時，水的體積為V0，當壓強變到p時，體積變?yōu)閂，由上式得：dpdVV1dpd1 用Taylor級數(shù)展開，舍去高次項，得到如下的狀態(tài)方程： V = V01-（p-p0） =01-（p-p0） 2 多孔介質(zhì)的某些性質(zhì)（1）多孔介質(zhì)的孔隙性 孔隙度孔隙度：指孔隙體積和多孔介質(zhì)總體積之比。 有效孔隙有效孔隙：互相連通的、不為結(jié)合水所占據(jù)的那一部分孔隙。 有效孔隙度有效孔隙度：指有效孔隙體積和多孔介質(zhì)總體積之比。 死端孔隙死端孔隙：一端與其它孔隙

3、連通，另一端是封閉的，其中的地下水是相對停滯的。（2）多孔介質(zhì)的壓縮性 天然條件下，一定深度處的多孔介質(zhì)，要受到上覆巖層荷重的壓力。荷重增加，將引起多孔介質(zhì)的壓縮。 多孔介質(zhì)的壓縮系數(shù)： 多孔介質(zhì)的壓縮包括固體顆粒的壓縮和孔隙的壓縮。即：Vb=Vs+VvddVVbb1 上式令 上式變?yōu)椋?=（1-n）s+np 固體骨架的壓縮性比孔隙的壓縮性小的多，上式變?yōu)椋?=np ddVVsss1ddVVvvp1三、貯水率和貯水系數(shù)三、貯水率和貯水系數(shù) 1. 水位變化對含水層厚度的影響 有效應(yīng)力 地下水位下降，水壓力減小，有效應(yīng)力增大，多孔介質(zhì)被壓縮。 多孔介質(zhì)的壓縮包括固體顆粒的壓縮和孔隙的壓縮。但固體顆

4、粒的壓縮忽略不計。即： （1-n）Vb=常數(shù)其對數(shù)等于0。即：2. 貯水率和貯水系數(shù) 貯水率貯水率：面積為1單位面積，厚度為1單位的含水層，當水頭降低1單位時所能釋出的水量。用s表示。 彈性釋水彈性釋水：由于水頭降低引起的含水層釋水現(xiàn)象稱為彈性釋水。 貯水系數(shù)貯水系數(shù)：面積為1單位面積，厚度為含水層全厚度M的含水層柱體中，當水頭改變一個單位時彈性釋放或貯存的水量。用*表示。 二者關(guān)系： * = s M四、滲流四、滲流1 滲流 滲流是一種假想水流。 假想水流應(yīng)有以下特點：（1）假想水流的性質(zhì)（如密度、粘滯性等）和真實地下水相同；（2）假想水流充滿含水層的整個空間；（3）假想水流運動時，在任意巖石

5、體積內(nèi)所受的阻力等于真實水流所受的阻力；（4）通過任斷面的流量及任一點的壓力或水頭均和實際水流相同。滲流區(qū)或滲流場滲流區(qū)或滲流場：假想水流所占據(jù)的空間。2 典型單元體 五、滲流速度五、滲流速度過水斷面過水斷面：垂直于滲流方向的一個巖石截面。 滲流速度滲流速度：通過單位面積的滲流量。 v=Q/A 滲流速度與地下水的實際平均流速有如下關(guān)系： v=nu六、地下水的水頭和水頭坡度六、地下水的水頭和水頭坡度 1 地下水的水頭式中：Z位置水頭； P/承壓水頭； 二者之和為測壓管水頭。 u2/2g流速水頭（很小忽略不計）。 我們所說的水位就是測壓管水頭，這是基準面取的是海平面。gupZH22 2 等水頭面和

6、水力坡度 等水頭面等水頭面：滲流場內(nèi)水頭值相同的各點連成的面。 反過來說，等水頭面各點的水頭值相同。 等水頭線等水頭線：等水頭面與某一平面的交線。 水力坡度水力坡度：大小等于梯度值，方向沿著等水頭面的法線指向水頭降低方向的矢量。 梯度的大小為： 矢量J在空間坐標系中的三個分量為： 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)中，水力坡度定義為：沿滲流途徑水頭損失與相應(yīng)滲透途徑長度的比值。ndndHJzHJyHJxHJzyx;七、地下水運動特征的分類七、地下水運動特征的分類 1. 按地下水運動要素（滲流量、滲流速度、壓強、水頭）將地下水分為穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流。 穩(wěn)定流穩(wěn)定流：地下水運動要素不隨時間變化。 非穩(wěn)定流非穩(wěn)定流：地下

7、水運動要素隨時間變化。 2. 根據(jù)地下水的運動方向與空間坐標軸的關(guān)系分為一維運動、二維運動和三維運動。 地下水的一維運動地下水的一維運動：地下水的滲透速度只沿一坐標軸的方向有分速度，其余坐標軸方向的分速度均為零。 地下水的二維運動地下水的二維運動：地下水的滲透速度只沿二個坐標軸的方向有分速度，僅在一個坐標軸方向的分速度均為零。 地下水的三維運動地下水的三維運動：地下水的滲透速度只沿空間三個坐標軸的分量均不等于零。八、地下水流態(tài)的判斷八、地下水流態(tài)的判斷 地下水的運動有層流和紊流。 1. 多孔介質(zhì)判斷法：用Reynolds數(shù) 式中：v地下水的滲流速度； d含水層顆粒的平均粒徑； 地下水的運動粘度。 計算Reynolds數(shù)小于臨界Reynolds數(shù)時，為層流；大于時，為紊流。 臨界Reynolds數(shù)一般取150300。vdRe 2. 裂隙流判斷法（指