地下水動力學(xué)精第一章課件

第一章地下水運(yùn)動基本概念重要知識點(diǎn)：滲流、典型體元（REV）地下水質(zhì)點(diǎn)實(shí)際流速、空隙平均流速，達(dá)西流速及其關(guān)系達(dá)西定律基本式，微分式，推廣式及應(yīng)用條件滲透系數(shù)及其影響因素滲流分類均質(zhì)、非均質(zhì)，各向同性、各向異性區(qū)別流網(wǎng)繪制1可編輯課件PPT§1.1滲流基本概念地下水在巖石空隙中的運(yùn)動稱為滲流(seepageflow/groundwaterflow)。發(fā)生滲流的區(qū)域稱為滲流場。滲流場(flowfield)由固體骨架和巖石空隙中的水兩部分組成。滲流只發(fā)生在巖石空隙中。2可編輯課件PPT多孔介質(zhì)概念與特性我們把孔隙巖層稱為多孔介質(zhì)(porousmedia).多孔介質(zhì)特性:彼此連通的網(wǎng)絡(luò)，幾何形態(tài)及連通情況異常復(fù)雜，難以用精確的方法來描述。由固體骨架和孔隙組成，孔隙通道是不連續(xù)的。因此，無論是固體骨架，還是空隙空間，微觀上講都不是連續(xù)函數(shù)3可編輯課件PPT普通水流與滲流共同點(diǎn)：1.總體流向取決于水頭差

2.流量取決于水頭差及沿程損耗區(qū)別：水在管道中運(yùn)動取決于管道大小、形狀及粗糙度；滲流運(yùn)動取決于空隙大小、形狀、連通性。4可編輯課件PPT滲流特點(diǎn)通道是曲折的，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡彎曲；流速是緩慢的，多數(shù)為層流；水流僅在空隙中運(yùn)動，在整個多孔介質(zhì)中不連續(xù)；通常是非穩(wěn)定的；通常為緩變流。5可編輯課件PPT一、典型體元

(Representativeelementaryvolume)在水力學(xué)中引進(jìn)質(zhì)點(diǎn)的概念，把水看成連續(xù)介質(zhì)，則可用連續(xù)函數(shù)描述運(yùn)動要素。為了把滲流場概化為多孔介質(zhì)連續(xù)體，用連續(xù)函數(shù)描述，引進(jìn)典型體元的概念。什么是典型體元呢？現(xiàn)以孔隙度為例來討論。6可編輯課件PPT典型體元(REV)的提出P1P27可編輯課件PPT典型體元(REV)概念的引入若P點(diǎn)取顆粒中心且V只取小于顆粒體積時孔隙率n=0；若P點(diǎn)取孔隙中心且V只取小于孔隙體積時孔隙率n=1；當(dāng)V取值由一個顆?；蛞粋€孔隙逐漸放大時，n值會因隨機(jī)劃進(jìn)的顆?；蚩紫扼w積而產(chǎn)生明顯的波動，但隨著V取值再增大，n值波動逐漸減小。當(dāng)V取至某個體積時，孔隙率趨于某一平均值n，此時的V稱為典型體元(REV)，記為V０若再增大V使其大于V０，則有可能將P點(diǎn)外圍的非均質(zhì)區(qū)也劃進(jìn)來平均，此時n值可能又產(chǎn)生明顯的變化。

8可編輯課件PPT典型體元的定義把V0稱為典型體元。引進(jìn)REV后就可以把多孔介質(zhì)處理為連續(xù)體，這樣多孔介質(zhì)就處處有孔隙度了。REV究竟有多大？REV相對于單個孔隙是相當(dāng)大的，但相對于滲流場又是非常小的。9可編輯課件PPT理想滲流在REV的基礎(chǔ)上，引入理想滲流的概念：地下水充滿整個含水層或含水系統(tǒng)（包括空隙和固體骨架），滲流充滿整個滲流場。理想滲流等效簡化原則：理想滲流通過某斷面的流量應(yīng)等于通過該內(nèi)孔隙面積的實(shí)際流量：質(zhì)量等效。理想滲流通過某巖層所受到的阻力與實(shí)際滲流所受到的阻力相等：能量等效。10可編輯課件PPT概化后的理想滲流11可編輯課件PPT二、地下水實(shí)際流速、滲透流速地下水實(shí)際流速—質(zhì)點(diǎn)流速在以P點(diǎn)為中心REV體積上的平均值稱為地下水在P點(diǎn)的實(shí)際流速。滲透流速——假想滲流的速度，是假想的平均流速。實(shí)際流速在REV上的平均值。12可編輯課件PPT滲透流速與實(shí)際流速關(guān)系13可編輯課件PPT滲透流速與實(shí)際流速關(guān)系14可編輯課件PPT三、水頭與水力坡度某礫石含水層中，u=1.65cm/s15可編輯課件PPT潛水含水層壓強(qiáng)與水頭圖1－1－4a潛水含水層的壓強(qiáng)與水頭16可編輯課件PPT承壓含水層壓強(qiáng)與水頭圖1－1－4b承壓含水層的壓強(qiáng)與水頭17可編輯課件PPT水力坡度大小等于

dH/dn

，方向沿著等水頭線的法線方向指向水頭降低的方向的矢量定義為水力坡度，記為J。18可編輯課件PPT§1.2滲流基本定律--達(dá)西定律一、達(dá)西定律法國水力學(xué)家H.Darcy通過大量穩(wěn)定流實(shí)驗(yàn)得出：19可編輯課件PPT二、達(dá)西實(shí)驗(yàn)條件穩(wěn)定達(dá)西實(shí)驗(yàn)：得出滲透流速與水力坡度成正比即線性滲流定律，說明此時地下水的流動狀態(tài)呈層流。實(shí)驗(yàn)條件：均勻介質(zhì)，一維流動，穩(wěn)定流，層流。是否適用：非均勻介質(zhì)，二維或三維流動，非穩(wěn)定流，層流條件？20可編輯課件PPT非穩(wěn)定流達(dá)西實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)一）：水自上部加入，用溢水管保持穩(wěn)定水位，下部用管口出流，可通過它測定滲流量，用兩根測壓管來測量水頭值。達(dá)西定理：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在非穩(wěn)定流條件下，地下水運(yùn)動仍滿足線性滲流定律三、變水頭達(dá)西實(shí)驗(yàn)21可編輯課件PPT達(dá)西定律：積分有：顯然t-lgH曲線應(yīng)呈直線變水頭達(dá)西實(shí)驗(yàn)原理22可編輯課件PPT如實(shí)驗(yàn)得到得t-lgH曲線呈直線，則說明達(dá)西定律也適用于不穩(wěn)定流條件?？蓳?jù)直線斜率m求取土樣的滲透系數(shù)變水頭達(dá)西實(shí)驗(yàn)求參23可編輯課件PPT臨界雷諾數(shù)Re（J.Bear)：臨界滲透流速vc（巴甫洛夫斯基）：臨界水力梯度Jc（羅米捷）：達(dá)西定律下限問題（J0)層流區(qū)過渡區(qū)紊流區(qū)達(dá)西定律適用條件24可編輯課件PPT達(dá)西定律的上下限？達(dá)西定律的應(yīng)用條件25可編輯課件PPT1901年福希海默提出Re>10時：1912年克拉斯諾波里斯基提出紊流公式：非線性滲透定律26可編輯課件PPT微分形式：四、達(dá)西定律的微分形式27可編輯課件PPT五、滲透系數(shù)（hydraulicconductivity）是重要的水文地質(zhì)參數(shù)，它表征在一般正常條件下對某種流體而言巖層的滲透能力(permeability)v=KJ；當(dāng)J=1時，K=vK在數(shù)值上是當(dāng)J=1時的滲透流速，量鋼[L/T]；常用單位cm/s；m/d。滲透系數(shù)與哪些因素有關(guān)呢？28可編輯課件PPTK=f(孔隙大小、多少、液體性質(zhì))巖層空隙性質(zhì)（孔隙大小、多少）由流體的物理性質(zhì)決定，與γ成正比，與μ成反比。流體的物理性質(zhì)與所處的溫度、壓力有關(guān)。影響滲透系數(shù)大小的因素29可編輯課件PPT滲透率k(intrinsicpermeability)

:比重；

：動力粘滯性系數(shù)；滲透率k：反映介質(zhì)幾何特性，量綱[L2]；常用單位：cm2；石油地質(zhì)中用達(dá)西:1達(dá)西=9.8697*10-9cm2.表征反映介質(zhì)幾何特性30可編輯課件PPT滲透系數(shù)的表達(dá)式多孔介質(zhì)（概化為等徑的平行毛細(xì)管束）：31可編輯課件PPT滲透系數(shù)的表達(dá)式裂隙介質(zhì)（概化為走向和縫寬相同的平行板）32可編輯課件PPT按運(yùn)動要素(v,p,H)是否隨時間變化，分：穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流按地下水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動狀態(tài)的混雜程度，分： 層流、紊流與過渡區(qū)流態(tài)按地下水有無自由表面，分為：承壓流、無壓流、承壓—無壓流按巖層透水性以及對地下水所起作用，分 隔水層、含水層、透水層（弱透水層）按滲流速度在空間上變化的特點(diǎn)，分 一維流、二維流、三維流（見下頁）六、滲流分類33可編輯課件PPT按滲流速度在空間上變化的特點(diǎn)，分

一維流、二維流、三維流

a.一維流：僅沿一個方向存在流速

b.二維流：沿兩個方向存在分流速 分：平面二維流、剖面二維流）

c.三維流： 三個方向均存在分流速xyz滲流分類34可編輯課件PPT三維流圖示35可編輯課件PPT巖層按滲透性分類按巖層滲透性隨空間和方向變化特點(diǎn)，分

均質(zhì)各向同性、均質(zhì)各向異性、 非均質(zhì)各向同性、非均質(zhì)各向異性

幾個概念： 各向同性、各向異性、均質(zhì)、非均質(zhì)36可編輯課件PPT巖層按滲透性分類同一點(diǎn)各方向上滲透性相同的介質(zhì)稱為各向同性介質(zhì)(isotropymedium)；同一點(diǎn)各方向上滲透性不同的介質(zhì)稱為各向異性介質(zhì)(anisotropymedium)。均質(zhì)(homogeneity)、非均質(zhì)(inhomogeneity):指K于空間坐標(biāo)的關(guān)系，即不同位置K是否相同；各向同性、各向異性:指同一點(diǎn)不同方向的K是否相同。37可編輯課件PPT四種介質(zhì)均質(zhì)各向同性均質(zhì)各向異性非均質(zhì)各向同性非均質(zhì)各向異性這兩對概念可任意組合38可編輯課件PPT四種介質(zhì)在各向同性介質(zhì)中K為標(biāo)量；在各向異性介質(zhì)中K為張量。思考題：就以上四種介質(zhì)，分別舉例說明自然界哪種巖層屬于相應(yīng)的介質(zhì)類型。39可編輯課件PPT小結(jié)上述分類標(biāo)準(zhǔn)不同，無從屬關(guān)系，可以組合均質(zhì)與非均質(zhì)，各向同性與各向異性概念容易混淆各向同性K為標(biāo)量，各向異性K為張量各向同性流場，J與v共線各向異性流場，J與v一般不共線40可編輯課件PPT滲透系數(shù)的張量表示式達(dá)西定律的推廣形式：各向同性介質(zhì)各向異性介質(zhì)§1.3各向異性介質(zhì)中地下水流的達(dá)西定律41可編輯課件PPT3.滲透系數(shù)張量的坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換滲透主軸方向與所選x,y,z方向一致時滲透主軸方向與所選x,y,z方向不一致時，須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以平面二維流問題為例：滲透系數(shù)張量的坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換42可編輯課件PPT3.滲透系數(shù)張量的坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換滲透主軸方向與所選x,y,z方向不一致時，須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以平面二維流問題為例：設(shè)R為旋轉(zhuǎn)矩陣滲透系數(shù)張量的坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換43可編輯課件PPT定義：地下水在非均質(zhì)巖層中運(yùn)動，當(dāng)水流通過滲透系數(shù)突變的分界面時，出現(xiàn)流線改變方向的現(xiàn)象折射定理幾點(diǎn)討論：(1)當(dāng)K1≠K2，α1≠0,流線才會折射(2)當(dāng)K1=K2，α1=α2(3)只有在0<α1<90，才會折射(4)在層界面上發(fā)生的流線折射并不改變地下水流總方向，總體流向仍受邊界條件和源匯等控制。地下水通過非均質(zhì)界面的折射現(xiàn)象44可編輯課件PPT§1.4流網(wǎng)(flownets)一、定義滲流場中由一系列流線和等水頭線（等勢線）組成的網(wǎng)格稱為流網(wǎng)。各向同性介質(zhì)中流線與等水頭線正交，流網(wǎng)為正交網(wǎng)格。因?yàn)楦飨蛲越橘|(zhì)中流速向量與水力坡度向量方向一致。各向異性介質(zhì)中，流速向量與水力坡度向量方向不一致，因此流線與等水頭線一般不正交。45可編輯課件PPT二、各向同性介質(zhì)中流網(wǎng)特征等水頭線（面）與流線（面）正交；等水頭線（面）與流線（面）不是兩個獨(dú)立問題，知道一方就可據(jù)正交原則推求另一方。正交網(wǎng)格中，每兩條流線間的流量相等。46可編輯課件PPT三、流網(wǎng)繪制：求解滲流場中運(yùn)動要素的空間分布用數(shù)學(xué)方法求解運(yùn)動方程：求解空間水頭分布繪制等水頭線；求解流函數(shù)繪制流線。物理模型模擬：水電比擬?，F(xiàn)場測定（測定水頭分布，繪制等水頭線，再據(jù)正交原則繪制流線）信手流網(wǎng)：據(jù)流場邊界性質(zhì)和介質(zhì)特性，半定量地繪制流網(wǎng)。47可編輯課件PPT信手流網(wǎng)繪制原則：首先分析水文地質(zhì)條件，搞清補(bǔ)給區(qū)、排泄區(qū)、或源匯項(xiàng)分布、邊界條件等。先繪制肯定的流線和等水頭線：隔水邊界是流線，無入滲、無蒸發(fā)條件下潛水面是流線，湖泊、河流邊界可看成等水頭線，有兩個以上排泄點(diǎn)時應(yīng)確定分水線、面、點(diǎn)。48可編輯課件PPT四、流