水文地質(zhì)學(xué)之地下水運動的基本規(guī)律簡明

水文地質(zhì)學(xué)第五講地下水運動的基本規(guī)律2023/3/142OUTLINE與地下水運動有關(guān)的幾個基本概念重力水運動的基本規(guī)律Darcy試驗與Darcy定律滲透、滲透速度及滲透系數(shù)的概念流網(wǎng)流網(wǎng)的基本概念與繪制原則流網(wǎng)的用途飽和粘性土中水的運動規(guī)律本章的核心問題地下水是如何運動的？你想象一下，是怎樣一個狀況？如何去認識地下水的運動？如何刻畫地下水的運動？在實際工程應(yīng)用中，如何運用地下水運動的規(guī)律？2023/3/144幾個基本概念地下水在巖石空隙中的運動稱為滲流，或者滲透。滲流比地表水的運動緩慢得多。層流與紊流：在巖石空隙中滲流時，水的質(zhì)點作有序的、互不混雜的流動，稱作層流運動。在巖石空隙中滲流時，水的質(zhì)點無序地、互相混雜的流動，稱作紊流運動。穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流：水在滲流場中運動時，各個運動要素（水位、流速、流向等）不隨時間而改變的滲流，稱作穩(wěn)定流；運動要素隨時間而變化的滲流稱作非穩(wěn)定流。2023/3/145重力水運動的基本規(guī)律1856年法國水力學(xué)家達西通過大量的試驗，總結(jié)得出重力水運動的線性滲透規(guī)律。達西試驗：在裝有砂的圓筒中進行；圓筒上下各設(shè)置一個測壓管；采取溢流措施來控制常水頭；達西定律試驗2023/3/147達西定律——重力水運動的基本規(guī)律根據(jù)大量的試驗，得到如下關(guān)系式：上式即為達西公式，等式兩邊除以面積，得另一個表達式：達西定律可表述為：地下水的滲透流速與水力梯度的一次方成正比。故又稱作線性滲透定律。2023/3/148達西定律要素分析：滲透流速（v）達西公式中的過水?dāng)嗝姒厥侵干爸臋M斷面積，其中包括顆粒所占面積和空隙所占面積；而水流通過的實際斷面是扣除結(jié)合水所占面積的空隙面積ω’。二者有如下關(guān)系：上式中的有效空隙度是指重力水流動的空隙體積（不包括結(jié)合水所占體積）與巖石體積（包括空隙體積）之比，因此小于巖石的空隙度，但大于給水度。特別是對粘性土尤其如此。滲透流速v不是真實流速，而是假設(shè)水流通過巖石整個斷面時所具有的虛擬流速。與真實流速u有如下關(guān)系：2023/3/149達西定律要素分析：水力梯度（i）水力梯度（i）定義為沿滲透途徑水頭損失與相應(yīng)滲透途徑長度的比值。強調(diào)水頭損失（水頭差）與滲透途徑（長度）的相對應(yīng)。水頭梯度可以理解為水流通過單位長度滲透途徑為克服阻力而消耗的機械能；也可從另一角度，理解為克服阻力使水能以一定速度流動的驅(qū)動力。為什么會有水頭損失？A:地下水在巖石空隙中運動時，必須克服水與隙壁之間，以及流動快慢不一的水質(zhì)點之間的摩擦力，從而消耗機械能，造成水頭（能量）損失。2023/3/1410達西定律要素分析：滲透系數(shù)（K）滲透系數(shù)可以定量地描述巖石的滲透性能，滲透系數(shù)越大，則巖石的透水能力越強。從達西公式可知，水力梯度為無因次的，因此滲透系數(shù)可以定義為水力梯度等于1時的滲透流速。滲透系數(shù)與滲透的液體有關(guān)嗎？

地下水運動時，須克服水與隙壁之間及水質(zhì)點之間的摩擦力，因此滲透系數(shù)不僅與巖石空隙性質(zhì)有關(guān)，而且與滲透的液體某些性質(zhì)，如黏度有關(guān)。一般情況下，水的物理性質(zhì)變化不大，在研究地下水時，把滲透系數(shù)看作單純是說明巖石滲透性能的參數(shù)。2023/3/711達西定律并不適用用于所有層流運動動的地下水。而是是指適用于雷諾數(shù)數(shù)小于1~10之間某一數(shù)值的層層流運動，當(dāng)超過過此范圍，滲透流流速v與水力梯度i之間不再是線性關(guān)關(guān)系。值得慶幸的是，絕絕大多數(shù)情況下地地下水運動都非常常緩慢，都服從達達西定律。達西定律是水文地地質(zhì)定量計算的基基礎(chǔ)，也是定性分分析各種水文地質(zhì)質(zhì)過程的依據(jù)。需需要深刻理解，靈靈活運用。達西定律要素分析析：滲透系數(shù)（K）Darcy定律的應(yīng)用軟土的排水固結(jié)問問題軟土，正如其名稱稱所示，是工程力力學(xué)性能很弱（差差）的土，包括飽飽和粘土和飽和粉粉質(zhì)粘土（液性指指數(shù)大于1.0，孔隙比大于1.0）。軟土作為建筑物或或構(gòu)筑物的地基，，其承載力低，變變形大，因此必須須事先進行加固或或處理（地基處理理）。軟土地基加固的最最常用方法，就是是排水固結(jié)法，包包括荷載系統(tǒng)和排排水系統(tǒng)兩部分。。這是地基處理理中最具有理論和和技術(shù)含量的方法法。其核心除了土力學(xué)學(xué)中土的強度理論論外，就是深刻理理解軟土的滲透特特性和滲透規(guī)律。。這就是土力學(xué)中中的固結(jié)理論。2023/3/712VerticalConsolidationDrains(wickdrains)基坑降水2023/3/715流網(wǎng)幾個問題：水頭是什么？等水頭線怎么來的的？能否在滲流場中作作出等水頭面？流線與跡線流線是滲流場中某某一時刻的一條線線，線上各水質(zhì)點點在此時刻的瞬時時流向均與此線相相切。因此沒有水質(zhì)點穿穿過流面（線）。跡線是滲流場中某某一時間段內(nèi)某一一水質(zhì)點的運動軌軌跡。在穩(wěn)定流條件下流流線與跡線重合。。流網(wǎng)：在滲流場的的某一典型剖面上上，由一系列等水水頭線與流線相交交組成的網(wǎng)格稱為為流網(wǎng)。2023/3/716均質(zhì)各向同性介質(zhì)質(zhì)中的流網(wǎng)均質(zhì)與非均質(zhì)介質(zhì)質(zhì)：均質(zhì)介質(zhì)：在空間中任何位位置，介質(zhì)的性質(zhì)質(zhì)都相同的介質(zhì)（（往往相對應(yīng)某一一個物理量）。非均質(zhì)介質(zhì)：在空間中至少可可選出兩個位置，，介質(zhì)的性質(zhì)或某某一特定性質(zhì)不相相同的介質(zhì)。各向同性與各向異異性介質(zhì)：各向同性介質(zhì)：指介質(zhì)的物理量量不具有方向性，，在各個方向上均均相同（往往相對對應(yīng)某一個物理量量）。各向異性介質(zhì)：指介質(zhì)的物理量量或某一特定物理理量至少在兩個方方向上不相等。均質(zhì)各向同性介質(zhì)質(zhì)，這里即指其中中的滲流在任何位位置和沿任何方向向受到的阻力都是是相同的。2023/3/717均質(zhì)各向同性介質(zhì)質(zhì)中的流網(wǎng)（2）地下水必定是沿水水頭變化最大的方方向流動，即垂直直于等水位線的方方向。則流線與等等水位線垂直，流流網(wǎng)為正交網(wǎng)格。。作流網(wǎng)的方法：根據(jù)邊界條件繪制制易于確定的等水水頭線和流線。。圖4-3。定水頭邊界，如地地表水體的斷面一一般可以看作是等等水頭線隔水邊界為零通量量的面，因此平行行隔水邊界可繪出出流線地下水面邊界，當(dāng)當(dāng)無降水補給、蒸蒸發(fā)排泄，而有側(cè)側(cè)向補給作穩(wěn)定滲滲流時，可看作流流線？！。而有垂垂直補給或排泄時時，既非流線，亦亦非等水位線。流線總是由補給區(qū)區(qū)指向排泄區(qū)，依依此確定流線的趨趨勢；當(dāng)滲流場中中不止一個補給區(qū)區(qū)或排泄區(qū)時，首首先應(yīng)確定分流線線。再根據(jù)流線與等水水位線正交的原則則，在已知流線和和等水位線基礎(chǔ)上上，插補其余的部部分。2023/3/718均質(zhì)各向同性介質(zhì)質(zhì)中的流網(wǎng)（3）如果規(guī)定相鄰兩條條流線之間的流量量相等，則流線的的疏密可表征滲流流的強弱。越密，，徑流越強。等水水頭線的疏密代表表水力梯度的大小小。以河間地塊流網(wǎng)圖圖，圖4-4：說明示意流網(wǎng)的繪繪制方法。說明流網(wǎng)在實際工工作中的應(yīng)用。2023/3/719層狀非均均質(zhì)介質(zhì)質(zhì)中的流流網(wǎng)層狀非均均質(zhì)介質(zhì)質(zhì)是指每每一層介介質(zhì)是均均質(zhì)各向向同性的的，但不不同層的的滲透性性不同的的介質(zhì)。。圖4-5a：上下兩兩層組成成的層狀狀非均質(zhì)質(zhì)介質(zhì)中中的流網(wǎng)網(wǎng)；圖4-5b：前后兩兩層組成成的層狀狀非均質(zhì)質(zhì)介質(zhì)中中的流網(wǎng)網(wǎng)。圖4-6：流線與與巖層界界面既不不垂直，，也不平平行。則則流線穿穿越界面面時服從從折射定定律：2023/3/720例子一，，圖4-7。例子二，，含水層層中存在在強/弱透水性性的透鏡鏡體的情情況，圖圖4-8。2023/3/7212023/3/722飽和軟粘粘土中水水的運動動規(guī)律根據(jù)目前前已有的的試驗結(jié)結(jié)果，粘粘性土滲滲透流速速與水力力梯度之之間有如如下三種種關(guān)系：：通過原點點的直線線，服從從達西定定律；不通過原原點，只只有水力力梯度大大于某一一值后才才開始滲滲流，開開始階段段為向I軸凸出的的曲線，，然后轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為直線線通過原點點，I較小時為為向I軸凸出的的曲線，，I大時變?yōu)闉橹本€。。在實際實實驗中，，也可能能得到其其他類型型的試驗驗曲線。。2023/3/723飽和軟軟粘土土中水水的運運動規(guī)規(guī)律對于圖圖4-9c的解釋釋（張張忠胤胤）：：K趨于定定值前前的滲滲流稱稱為隱隱滲流流；之之后的的滲流流為顯顯滲流流。由于結(jié)結(jié)合水水的抗抗剪強強度隨隨著離離顆粒粒表面面的距距離的的增大大而降降低，，因此此當(dāng)施施加的的水力力梯度度較小小時，，只有有孔隙隙中心心抗剪剪強度度小的的那部部分結(jié)結(jié)合水水發(fā)生生運動動；隨隨著I的增大大，參參與滲滲流運運動的的結(jié)合合水厚厚度加加大，，即水水流動動的有有效孔孔隙面面積擴擴大，，隱滲滲流階階段的的K是I的函數(shù)數(shù)。由于內(nèi)內(nèi)層結(jié)結(jié)合水水的抗抗剪強強度隨隨著靠靠近顆顆粒表表面而而迅速速增大大，當(dāng)當(dāng)I進一步步增大大時，，參與與運動動的結(jié)結(jié)合水水厚度度將不不再有有明顯顯擴大大。此此時，，K趨于定定值。。2023/3/724復(fù)習(xí)思思考題題牢記達達西定定律及及達西西定律律表達達式掌握滲滲透流流速、、水力力梯度度、滲滲透系系數(shù)的的涵義義流線、、流網(wǎng)網(wǎng)的概概念，，掌握握流網(wǎng)網(wǎng)繪制制的基基本步步驟，，了解解邊界界條件件在流流網(wǎng)繪繪制中中的意意義和和應(yīng)用用。掌握飽飽和粘粘性土土中的的水的的運動動規(guī)律律（圖圖4-9c），熟熟悉張張忠胤胤的觀觀點。。AQuiz為什么么說““一個個地區(qū)區(qū)水資資源的的豐富富程度度主要要取決決