地下水的運動

地下水的運動第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)重力水的運動第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四一、概念1.滲透與滲流滲透—地下水在巖石中的運動。滲流—假想巖石的空間全被水流充滿的水流。條件：（1）對于同一過水斷面，假想水流的流量等于該斷面的真實水流的流量；(2)假想水流在任意體積內(nèi)所受的阻力和實際水流所受的阻力相同。第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四2.層流和紊流層流：水流質(zhì)點有秩序的、互不混雜的流動稱作層流(Re<150~300)。紊流：水流質(zhì)點無秩序的、互相混雜的流動稱作紊流。第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四3.穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流穩(wěn)定流：p=f1(x，y，z)；v=f2(x，y，z)

非穩(wěn)定流：p=f1(x，y，z，t)；v=f2(x，y，z，t)

運動要素:流速、流量、壓強、水頭第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四4.地下水運動的空間變化類型承壓含水層的單向運動線狀流（一維流運動）第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四平面流（二維流）若固定平面是水平面時，該平面稱為平面的平面流；若固定平面是一鉛垂面時，則稱為剖面的平面流第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四空間流（三維流）第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四達西H.Darcy是法國水力學家，1856年通過大量的室內(nèi)實驗得出的滲流定律.實驗條件：試驗裝置圖1）等徑圓筒裝入均勻砂樣，斷面為ω2）上（下各）置一個穩(wěn)定的溢水裝置——穩(wěn)定水流3）實驗時上端進水，下端出水測出水量Q——示意流線4）砂筒中安裝了2個測壓管二、線性滲流定律—達西定律Q——滲透流量；ω——砂柱斷面面積；h——水頭損失；L——滲流途徑；K——滲透系數(shù)，m/d或cm/s。圖3-6達西試驗裝置圖第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四由水力學中水動力學基本原理：達西公式的另一種表達式由Q=ωv得v=KI=-KdH/dl達西定律的實質(zhì)：實際上是能量守恒與能量轉(zhuǎn)換定律在滲流中的表現(xiàn)形式。砂樣v

I

O

1

2

曲線中1與2號樣品，是什么式樣？巖性特征如何？第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四1.滲流速度v：垂直于滲流方向的含水層截面叫過水斷面。面積ω。

實際地下水流通過的過水斷面則是指該斷面中的空隙部分，ω’。實際過水斷面過水斷面由于水流特征及邊界條件不同，滲流的過水斷面的形狀可以是平面，也可以是曲面。第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四滲透速度(或滲流速度)；滲流在其過水斷面上的平均流速，V實際流速；實際地下水流在巖石空隙空間中的實際平均流速。u

得v=neu因為ne＜1，故v<u即滲透速度小于實際流速。意義：研究水量時，只考慮水流通過的總量與平均流速，而不去追蹤實際水質(zhì)點的運移軌跡——簡化的研究第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四2、水力坡度I定義I：是沿滲流途徑上的水頭損失與相應的滲流長度之比.

水力學中水力坡度：單位距離上的水頭損失在地下水滲流研究中任意點的水頭表達式：總水頭測壓水頭速度水頭由于ν2/2g很小,而被忽略位置水頭Z：滲流場中某一點位置至基準面的高度；壓強水頭：該點壓強的液柱高度；二者之和稱為測壓水頭。第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四水力坡度的測定，有實測法和計算法。差分法：觀測三角形頂點三個鉆孔的水位，孔1、孔2、孔3之間的間距都為60m，將孔1至孔2的距離三等分，標出各點水位，繪出該地段的地下水等水位線圖。在水流方向上任取兩點，此兩點的地下水位差與距離之比，即為該地段的水力坡度。第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四水力梯度為I＝1時的滲透流速（v＝K·I）

滲透系數(shù)具有速度量綱表征巖石透水性的定量指標。3、滲透系數(shù)K（水力傳導率）滲透系數(shù)的測試方法：現(xiàn)場測試法（抽水、注水試驗、井間示蹤）室內(nèi)測試法（達西實驗）經(jīng)驗公式：哈贊公式滲透系數(shù)與滲透率的關系第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四滲透系數(shù)K的分類：按巖層透水性能不同，分類：(一）按巖層滲透系數(shù)大小不同透水層強透水層弱透水層隔水層(二）按滲透系數(shù)隨空間位置變化程度不同均質(zhì)含水層非均質(zhì)含水層（三）按滲透系數(shù)是否隨滲流方向改變各向同性含水層各向異性含水層第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四4.達西定律適用范圍雷諾數(shù)Re=vd/VRe<10線性層流，服從達西定律Re=10~100非線性層流Re>100紊流第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四三、非線性滲透定律哲才定律(紊流運動）Q=kwI1/2v=kI1/2混合流定律Q=kwI1/mv=kI1/m式中m為流態(tài)指數(shù)，1<m<2時為混合流定律m=1時，v=kI為達西定律m=2時，v=kI1/2為哲才定律第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四流線：某時刻在滲流場中畫出的一條空間曲線，該曲線上各個水質(zhì)點的流速方向都與這條曲線相切（某時刻各點流向的連線）（跡線：流體水質(zhì)點在滲流場中某一時間段內(nèi)的運動軌跡）等水頭線：在某時刻，滲流場中水頭相等各點的連線（水勢場的分布）流網(wǎng)：是由一系列等水頭線與流線組成的網(wǎng)格，稱流網(wǎng)。滲流場：地下水流動（運動）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

四、流網(wǎng)第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四常見的二維流網(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，常需要刻畫剖面的水流流網(wǎng)特點：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）四、流網(wǎng)第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四定性流網(wǎng)的繪制——（各向同性介質(zhì)中）四、流網(wǎng)圖3-11等水頭線、流線與各類邊界的關系繪制步驟（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a—濕周b—隔水邊界第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四比較：HA與HBIA與IBvA與vBAB均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四由圖可知：(1)由分水嶺到河谷，流向由向下到接近水平再向上；(2)在分水嶺地帶打井，井中水位隨井深加大而降低，河谷地帶井水位則隨井深加大而抬升；(3)由分水嶺到河谷，流線愈來愈密集，流量增大，地下徑流加強；(4)由地表向深部，地下徑流減弱；(5)由分水嶺出發(fā)的流線，滲透途徑最長，平均水力梯度最小，地下水徑流交替最弱，近流線末端河谷下方，地下水的礦化度最高。第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四層狀非均質(zhì)介質(zhì)中的流網(wǎng)第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四流網(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)分析地下水的補給、排泄、徑流特征

計算滲流場任意點的水頭、壓強、水力坡度、滲透流速等據(jù)流網(wǎng)選擇垃圾填埋場位置等作業(yè)：試畫出無滲入補給情況下，河流向潛水層補給時的剖面流網(wǎng)圖。第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)結(jié)合水的運動規(guī)律第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四粘性土滲透流速V與水力梯度I主要存在三種關系：(1)V—I關系為通過原點的直線，服從達西定律；(2)V—I曲線不通過原點，水力梯度小于某一值I0時無滲透；大于I0時，起初為一向I軸凸出的曲線，然后轉(zhuǎn)為直線；(3)V—I曲線通過原點，I小時曲線向I軸凸出，I大時為直線。第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四一、結(jié)合水運動基本規(guī)律羅查公式v=K(I-I0)

式中I0——起始水力坡度：克服結(jié)合水抗剪強度，使之發(fā)生流動所具有的水力坡度。

第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四二、結(jié)合水抗剪強度的分布I0也是克服結(jié)合水抗剪強度的水力坡度距顆粒表面越大，抗剪強度越大。土柆大小、形態(tài)、礦物成分（見圖3-16）、水的PH值、水中的離子成分濃度、水的溫度等因素有關。水力坡度越大，抗剪強度增加。實際發(fā)生滲透的那部分孔隙稱為“滲孔”，其平均直徑D0滲孔徑。滲孔體積占巖土體積的百分比稱為“滲孔率”（有效孔隙率）第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四二、結(jié)合水抗剪強度的分布結(jié)合水含量主要取決于固體表面的吸附能力，而吸附能力與巖石的比表面積或分散度有關。粘性土顆粒越大，有效孔隙直徑D0越大，起始水力坡度I0越小，滲透系數(shù)K值越大。式中d—顆粒半徑粘土吸附結(jié)合水可達巖土總體積的18%~45%；砂土含量僅為0.5%~2%第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四三、結(jié)合水運動與越流滲透A點向B點垂向滲透，粘性土層厚L，A、B點水頭分別為H1、H2，滲透系數(shù)為K；則式中(H1-H2)/L=I；I<I0時，v=0，不發(fā)生滲透；I>I0時，v>0，即產(chǎn)生滲透第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)包氣帶水的運動規(guī)律第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四將細小的玻璃管插入水中，水會在管中上升到一定高度才停止，這便是固、液，氣三相界面上產(chǎn)生的毛細現(xiàn)象。毛細現(xiàn)象的產(chǎn)生，與表面張力有關。一、毛細水運動第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四半圓球狀凸形彎液面產(chǎn)生的附加表面壓力因此，此時彎液面下的液體實際承受到的表面壓力(實際表面壓力)P=Pc+Pa，此中Pc

為大氣壓力。設想切取—個半徑為R的半圓球形液面；顯然，在此液面的圓周狀邊線上都存在著指向液層內(nèi)部的表面張力：其合力為a·2πR，垂直于面積為πR2的投影圓面。由此，表面張力所引起的附加表面壓力Pa為：第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四(1)附加表面壓力當R1=R2=r時(r—毛細管半徑)，Pa=2a/r或?qū)a換算為以m為單位的水柱高度，以Po表示Po=Pa/(ρg)=4a/(ρgD)≈0.03/DPo

—毛細力；D—毛細管直徑(2)最大毛細上升高度hoho=Po≈0.03/D1.毛細管現(xiàn)象第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四如將砂柱換以粘性土土柱，服從于下式：當L較小時，I遠大于I0，毛細上升快。隨著L加大，I變小，愈接近I0，則毛細上升變慢。毛細上升達到一定高度時，I＝I0，即：毛細上升停止。此時L＝h0，將代入上式得2.包氣帶中的毛細水運動第36頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四粘性土中，最大毛細上升高度h0與以水柱高度表示的毛細力P0，在數(shù)值上不等，h0<P0。顆粒愈粗，I0愈小，h0則愈接近于P0。若I0＝0，則上式變?yōu)閔0＝P0，與砂性土一致。實際觀測表明，砂土的較小，一般為0.5~l米，粉質(zhì)亞砂土、粉土的h0大，一般為2～3米，個別可達3～4米。這一部分松散巖石，或者由于不存在I0(如砂土)，或者I0很小，故均符合“顆粒愈細，孔隙愈小，h0也愈大”這一規(guī)律。包氣帶水分分布及其運動特征：包氣帶中水分的運移是一個涉及巖土顆粒、空氣和水分三相體系的復雜過程，并受著重力、毛細力、分子吸附力、溶質(zhì)滲透力及空氣壓力的綜合控制。2.包氣帶中的毛細水運動第37頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四影響地下水入滲與蒸發(fā)過程、地下水面形狀及水流方向和速度3.毛細水運動的水文地質(zhì)意義第38頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四導致污染滲流模式復雜化、污染擴展范圍增大3.毛細水運動的水文地質(zhì)意義第39頁，共43頁，2023年，2月20日，星期四飽水帶總水頭H=Z+h式中Z—位置水頭

h—壓力水頭包氣帶任一點水頭H=Z-hc

式中hc—毛細水頭