水文地質(zhì)學基礎(chǔ)：重力水運動的基本規(guī)律

1、7.2重力水運動的基本規(guī)律地下水在在巖層空隙中滲流時同地表水一樣，也有兩種流態(tài)一層流和紊流。水流 質(zhì)點有秩序地、互不混雜的流動，稱為層流。地下水在狹小空隙的巖石（如砂、裂隙 不很寬大的基巖）中流動時，重力水受介質(zhì)的吸引力較大，水的質(zhì)點排列較有秩序， 故均作層流運動。水流質(zhì)點無秩序地、互相混雜的流動，稱為紊流運動。作紊流運動 時，水流所受阻力比層流大，消耗的能量較多。地下水在寬大的空隙巖石（如大的洞 穴、寬大裂隙及卵礫石空隙）中流動時，容易呈紊流運動。不在滲流場內(nèi)運動，各個運動要素（水位、流速等）不隨時間改變時，稱為穩(wěn)定 流。運動要素隨時間變化的水流運動，稱為非穩(wěn)定流。線性滲透定律一一達西定律.

2、實驗裝置18521855法國工程師達西（Darcy ）通過大量實驗研究，總結(jié)出滲流能量損失與 滲流速度之間的基本關(guān)系，后人稱之為達西定律一滲流理論中最基本最重要的關(guān)系式。達西實驗是在裝有砂的圓通中進行的（圖7-4 ）,水由筒的上端加入，流經(jīng)砂柱，由下端流出。上游用溢水設(shè)備控制水位，使實過程中水頭始終保持不變。在圓筒的上 下端各設(shè)一根測壓管，分別測定上下兩個過水斷面的水頭。下端出口處設(shè)置管嘴以測 定流量。片圖7-4達西試驗示意圖.實驗結(jié)果根據(jù)實驗結(jié)果，得到以下關(guān)系式（即達西公式）：Q=K（JO-=KU）I（ 7-2 ）L式中：Q滲透流量，為出口處流量,即為通過砂柱各斷面的流量（m7d ）；3過水

3、斷面，在實驗中相當于砂柱橫斷面積（in?）;h水頭損失，h=H1-H：!即上下游過水斷面的水頭差（m ）；L滲透途徑，即上下游過水斷面的距離（m ）；I一水力梯（坡）度，相當于水頭差除以過水斷面，無因次；K滲透系數(shù)（m/d ） 0從水力學：通過某一過水斷面的流量Q等于流速V與過水斷面3的乘積，即V=KIV=KIQ=wV ,故達西定律也可用另一形式表達：(7-3)式中：v稱為滲透流速（m/d ）,其余各項意義同前。以下來探討式（72 ）中各項的物理意義：（1 ）滲透流速V ：由于式中的過水斷面面積包括顆粒所占據(jù)的面積及孔隙所占據(jù) 的面積，而水流實際通過的是孔隙所占據(jù)的面積，故經(jīng)分析V總是小于實際

4、流速V。（2 ）水力梯（坡）度I ：為沿水流方向單位滲透途徑長度上的水頭差。可以理解 為水流通過單位長度滲透途徑為克服摩擦力所耗失的機械能。確定水力梯度時，水頭 差必須與滲透途徑長度相對應。（3 ）滲透系數(shù)K ：是反映巖石透水性能的指標，其數(shù)值是水力梯度1=1時的滲透 速度。在達西定律中，滲透流速V與水力梯度I的一次方成正比。故達西定律又稱線性 滲透定律。過去認為達西定律適用于所有作層流運動的水，但是四十年代以來的屢次 實驗說明：只有地下水的雷諾數(shù)（Re ）。 10之間的某一數(shù)值的層流運動才服從達西 定律，超過此范圍，V與I不是線性關(guān)系。通常，達西定律對于均勻介質(zhì)，一維流動， 穩(wěn)定流，層流均適用。野外實驗證實：當1=0. 00005 0. 05之間變動時，達西定律成立。絕大多數(shù)情況下，地下水不僅在多孔介質(zhì)中的滲流，在裂隙、溶穴中的滲流多數(shù) 情況下也服從達西定律。因此，達西定律的適用范圍實際上相當廣泛。它不僅是水文 地質(zhì)定量計算的基礎(chǔ)，還是定性分析各種水文地質(zhì)過程的重要依據(jù)。因地下水的滲流運動極其復雜，用雷諾數(shù)確定的層流一過渡帶一紊流，還沒有 精確的分界線，達西定律的適用范圍至今還沒有徹底解決。非線性滲透