水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ) 第4章 地下水的運(yùn)動

FundamentalsofHydrogeoloy

水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)

第4章地下水的運(yùn)動

ThemovementofG.W中國地質(zhì)大學(xué)水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)組佛鳴一鼎提供，更多地大資料qq:605734043內(nèi)部資料及歷年真題本章內(nèi)容

4.1達(dá)西定律4.2達(dá)西定律討論

4.3流網(wǎng)實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)達(dá)西實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用第4章地下水的運(yùn)動滲流——地下水在巖石空隙中的運(yùn)動稱為滲流地下水滲流—遵循水力學(xué)基本原理（復(fù)習(xí)）差異—水力學(xué)研究水在管、渠（明流）——流速快多孔介質(zhì)，空隙細(xì)小，水流很緩慢——滲流從流態(tài)來看—地下水多為層流（除巖溶管道外）很少紊流滲流場—發(fā)生滲流的區(qū)域(地下水運(yùn)動的空間)本章討論側(cè)重穩(wěn)定流——不討論非穩(wěn)定流4.1達(dá)西定律（Darcy’slaw）達(dá)西定律—線性滲透定律（linearlaw）

H.Darcy—法國水力學(xué)家，1856年（以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)研究時(shí)期）通過大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)驗(yàn)條件：裝置圖—P36，圖4-1

1）等徑圓筒裝入均勻砂樣（uniformsand），斷面為ω

2）上（下各）置一個(gè)穩(wěn)定的溢水裝置——保持穩(wěn)定水流

3）實(shí)驗(yàn)時(shí)上端進(jìn)水，下端出水——示意流線

4）砂筒中安裝了2個(gè)測壓管

5）下端測出水量（outflow）—Q4.1.1達(dá)西試驗(yàn)裝置4.1.2達(dá)西定律（Darcy’slaw）通過變水頭，多次實(shí)驗(yàn)得出：出水端的流量Q與砂柱、測壓管水頭之間的關(guān)系為：（1）Q——滲流量；ω——砂柱斷面面積；h

——水頭損失（m）；L——滲流途徑；K——與試樣有關(guān)的比例常數(shù)。由水力學(xué)中水動力學(xué)基本原理：（2）Q=KIω滲透流速根據(jù)水力學(xué)流速與流量的關(guān)系對上式轉(zhuǎn)化：

Q=ω·V與（2）式比較

V=K·I

（3）稱為滲透流速（seepagevelocity\Darcyvelocity\specificdischarge）上式為單位面積上的流量稱比流量達(dá)西定律中由此看出：滲透流速與水力梯度是一次方成正比故達(dá)西定律又稱為線性滲透定律4.1.2達(dá)西定律（Darcy’slaw）（續(xù)1）V—I關(guān)系圖轉(zhuǎn)下頁4.1.2達(dá)西定律（Darcy’slaw）（續(xù)2）砂樣VIO12V=K·I——（3）V——I曲線

Q=KωI=ωV過水?dāng)嗝媾c水力學(xué)中的水流過斷面是否一致？否過水?dāng)嗝妗?，假想的斷面?shí)際孔隙斷面——ωn孔隙度實(shí)際水流斷面——ωn有效孔隙度

Q/ω=V

比照水力學(xué)，實(shí)際流速Q(mào)/ω’=u關(guān)系：地下水滲透流速V=une

滲透流速V：是假設(shè)水流通過整個(gè)巖層斷面（骨架+空隙）時(shí)所具有的虛擬的平均流速。意義：研究水量時(shí)，只考慮水流通過的總量與平均流速，而不去追蹤實(shí)際水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)移軌跡——簡化的研究4.2達(dá)西定律討論

4.2.1滲透流速（V）與過水?dāng)嗝妫é兀?/p>

過水?dāng)嗝姹容^4.2.1滲透流速（V）與過水?dāng)嗝妫é兀ɡm(xù)）過水?dāng)嗝妫é兀?shí)際過斷面（ω’）過水?dāng)嗝姒嘏c實(shí)際過水?dāng)嗝姒亍?.2.2水力梯度水力梯度（I）（hydraulicgradient）水力學(xué)中水力坡度（J）:單位距離上的水頭損失是沿滲流途徑上的水頭損失與相應(yīng)的滲流長度之比物理涵義上來看I：代表著滲流過程中，機(jī)械能的損失率，由水力學(xué)中水頭的概念加以分析：在地下水滲流研究中任意點(diǎn)的水頭表達(dá)式總水頭測壓水頭速度水頭機(jī)械能勢能動能.水力梯度（I）在達(dá)西實(shí)驗(yàn)中：4.2.2水力梯度（續(xù)1）其原因是u2/2g很小而忽略在地下水滲流研究中常：總水頭測壓水頭

(這是習(xí)慣用法)我們?nèi)匀挥谩鱄=H1-H2

代表該程L1—2

上的總水頭損失，I—?jiǎng)t為總能量損失率滲流過程中總機(jī)械能的損耗原因（與水力學(xué)相近）流體的粘滯性引起的——內(nèi)摩擦阻力（分子間）固體顆粒表面對水流的反作用力4.2.2水力梯度（續(xù)2）水力梯度（I）從達(dá)西公式:V=KI來看：當(dāng)I增大時(shí)，V也愈大；即流速V愈大，單位滲流途徑上損失的能量也愈大;反過來，水力梯度I愈大時(shí)，驅(qū)動水流運(yùn)動與速度也愈大注意：水頭損失一定要與滲流途徑相對應(yīng)滲透系數(shù)K（coefficientofpermeability）在有些教科書中也稱為水力傳導(dǎo)率（hydraulicconductivity）定義：水力梯度為I=1時(shí)的滲透流速（V=KI）具有速度量綱L2T-1

由公式V=KI分析當(dāng)I一定時(shí)，巖層的K

愈大，則V

也愈大，Q

大因此，滲透系數(shù)

K

是表征巖石透水性的定量指標(biāo)4.2.3滲透系數(shù)V—I關(guān)系圖滲透系數(shù)K影響因素：——以松散巖石,等徑孔隙為例來分析γ——水的重率；μ——?jiǎng)恿φ硿禂?shù)從公式即得出：

K與巖石性質(zhì)有關(guān)K∝（d02，ne）與流體物理性質(zhì)有關(guān)K∝（γ/μ）表4-1列出常見巖石滲透系數(shù)的參考值4.2.3滲透系數(shù)（續(xù)）4.2.4達(dá)西定律的適用范圍（自學(xué)P38中間一段）雷諾數(shù)數(shù)介于1~10之間松散巖石名稱滲透系數(shù)(m/d)松散巖石名稱滲透系數(shù)(m/d)亞粘土0.001-0.10中砂5-20亞砂土0.10-0.50粗砂20-50粉砂0.50-1.0礫石50-150細(xì)砂1.0-5.0卵石100-5004.2.4達(dá)西定律的適用范圍（續(xù)）松散巖石滲透系數(shù)參考值（表4-1）4.3流網(wǎng)（Flownet）

4.3.1基本概念（concept）滲流場：地下水流動（運(yùn)動）的空間流網(wǎng)是描述滲流場中地下水流動狀況的有效工具流網(wǎng)：是由一系列等水頭線（equipotentiallines）與流線（flowlines）組成的網(wǎng)格，稱流網(wǎng)（flownet）流線：某時(shí)刻在滲流場中畫出的一條空間曲線，該曲線上各個(gè)水質(zhì)點(diǎn)的流速方向都與這條曲線相切（某時(shí)刻各點(diǎn)流向的連線）（跡線：流體水質(zhì)點(diǎn)在滲流場中某一時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)動軌跡——traceline）等水頭線：在某時(shí)刻，滲流場中水頭相等各點(diǎn)的連線（水勢場的分布）4.3.1基本概念（續(xù)）基本概念二維流網(wǎng)圖：平面流網(wǎng)：潛水等水位線圖，承壓水等測壓水位線圖剖面流網(wǎng)：含水量厚度較大時(shí)，常需要刻畫剖面的水流流網(wǎng)特點(diǎn)：①在各向同性介質(zhì)中，流線與等水頭線正交；在各向異性介質(zhì)中，流線與等水頭線斜交②是按一定規(guī)則繪制的，等水頭線（等水頭差繪制），流線（等流量寬，單寬流量相等）4.3.2定性流網(wǎng)繪制定性流網(wǎng)的繪制（各向同性介質(zhì)中）在許多實(shí)際工作中，繪制定性流網(wǎng)分析問題很重要精確流網(wǎng)受許多條件（資料不足等）制約，很難辦到思考回答：邊界條件？有哪幾類？流線起點(diǎn)和終點(diǎn)？等水頭線如何控制？等流量如何確定？“源”—resource（發(fā)散流線處）“匯”—sink（吸收流線處）“地下分水線”—divideline（分水或分流處為“流線”）繪制步驟（簡要）：1）尋找已知邊界（濕周，隔水邊界，水位線）2）分水線、源、匯的確定3）畫出滲流場周邊流線與條件4）中間內(nèi)插流量等單寬量流量控制流線根數(shù)確定等水頭差間隔參見河間地塊流網(wǎng)圖P40，圖4-44.3.2定性流網(wǎng)繪制（續(xù)1）邊界性質(zhì)圖河間地塊流網(wǎng)4.3.2定性流網(wǎng)繪制（續(xù)2）已知邊界a—濕周b—隔水邊界c\d—水位線等水頭線、流線與各類邊界的關(guān)系4.3.2定性流網(wǎng)繪制（續(xù)3）1）尋找已知邊界（濕周，隔水邊界，水位線）2）分水線、源、匯的確定3）畫出滲流場周邊流線與條件4）確定等水頭值，中間內(nèi)插河間地塊流網(wǎng)的繪制4.3.3流網(wǎng)的意義解釋水文地質(zhì)現(xiàn)象判斷地下水系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析地下水的補(bǔ)給、排泄、徑流特征

計(jì)算滲流場任意點(diǎn)的水頭、壓強(qiáng)、水力坡度、滲透流速等據(jù)流網(wǎng)選擇垃圾填埋場位置等4.3.4流網(wǎng)的應(yīng)用流網(wǎng)的應(yīng)用思考題流網(wǎng)圖的應(yīng)用它反映了滲流場中地下水的流動狀況，同時(shí)也是介質(zhì)場與勢場的綜合反映。提供這兩方面的信息：

1、可以確定任意點(diǎn)的水頭值（H），并了解其變化規(guī)律圖中A點(diǎn)水頭？HA與HB的大小？

2、確定水力梯度I的大小，及其變化規(guī)律圖中A點(diǎn)的I？IA與IB比較誰大？

3、確定滲透流速V的大小，及其變化規(guī)律圖中A點(diǎn)的VA？VA與VB？

4、滲流場內(nèi)的流量分布情況（如果要打井取水，井布置在何處為什么？）

5、水質(zhì)點(diǎn)的滲流途徑及長