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1、第五章地下水运动的基本规律5. 1港流基本概念渗流一地卞水在岩石空隙中的运动称为渗流（渗透，地下径流）。渗流场一发生渗流的区域。层流运动水的质点作有秩序的、互不混杂的流动。紊流运动水的质点无秩序的、互相混杂的流动。稳定流一各个运动要素（水位、流速、流向等）不随时间改变的水流运动。非稳定流运动要素随时间变化的水流运动。地卜水总是从能量校高处流向能量较低处。能态差异是地卜水运动的驱动力。地下水的机械能包括动能和势能，水力学中用总水头（hydiaulic head）H表示，水总是从 总水头高的地方流向总水头低的地方。5. 2重力水运动的基本规律1. 达西定律（DarcysLaw）1856年达西通过实
2、验得到达 西定律。实验在砂柱中进行（P36： 图4-1），根据实验结果（流量）：Q=KA（HrH2）/L=KAI（5.1）式中：Q为渗透流童（出口处流量，即通过 砂柱各断面的体枳流量）：A为过水断面的面积（砂柱的横断 面积，包括砂颗粒和孔隙面积）；Hi比分别为上、卜游过水断面的水 头：L为渗透途径（上、卜游过水断面的 距离）：I为水力梯度;图5. 1达西实验装置示意图（据 Bear, 1979）K为渗透系数。由水力学：Q=vA得到 v=Q/A （对地下水也适用）(5.2)#(5.3)达西定律也可以另一种形式表达（流速）: 由公式（5.1）及Q=A得：v=KI式中：渗透流速，m/d, cm/s；
3、K渗透系数，m/d, cm/s：I水力梯度，无量纲（比值）。 具体到实际问题：#计算流量:H _ hQ = Kw (单位一般为：m3/d, L/s)L微分形式:v=-KdH#式中：负号表示水流方向与水力梯度方向相反，水流方向（坐标方向）：由水位高一 低:而水力梯度方向：由等水位线低一高。在三维空间中（向量形式）:K. k = -KgradH dz#或V = -KVH ,式中：K一为渗透系数张最:gradH =二更i+更了+更二西。dady&L若用标量表示，V的三个分最分别为:#Vy = K- dyK罗* dz2. 渗透流速（V） （seepage velocity, Daicy velocit
4、y）与实际流速（u） 渗透流速一水流通过整个过水断面（包括砂砾和孔隙）的流速。（1）颗粒一无水通过：实验中过水断面3 JI 2）孔隙有水通过。水流实际流过的面积（扣除结合水）一水流实际过水断面是扣除结合水所占范闱以外的 空隙面积An即：An = A De（5.4）式中：ne为有效孔（空）隙度。仃效孔隙度（a）为重力水流动的孔隙体枳（不包括结合水占据的空间）与岩石体图5. 2假想过水斯巾；与实际过水斯血一假想过水斷面（斜阴线）；h实际过水晰面rfiSi 线部分；图中義粒边缘涂黑祁分为夸圧冷示的給合水）积之比。（对重力水的运动有效） 关于有效孔隙度小：1）n/Cn：2）般重力释水时，空隙中冇结 合
5、水、毛细水，所以pne：3）对于粘性土，空隙细小、结合 水所占的比例人，所以心很小， 尽管II很人：巾）对于空隙大的岩层（如人的溶 隙、裂隙），心卩11。由于A不是实际过水断 而，V不是真实流速（假设 水流通过背架与空隙在内的流速），虎拟流速渗透流速。A A An（因ne为v）令实际过水断面面积为An （孔隙面枳），则渗透流速V与实际流速u之间的关系为:3. 水力梯度（I）（hydiaulic gradient）水力梯度沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度的比值。I=- dH/dii式中：n为等水头面（线）的外法线方向，也是水头降低的方向。水在岩石空隙中运动需要克服2个阻力：1)隙璧与水的摩擦
6、阻力；=能量损失O水头损失。.2)水质点之间的摩擦阻力。4 渗透系数(coefficient of permeability hydraulic conductivity)与渗透率(k) 渗透系数一水力梯度等于1时的渗透流速。关系：1) I为定值时，K大,V大；K小，V小(V=KI)；2) V为定值时，K人，I小口等水位线疏；K小，I大口等水位线密。渗透系数可定量说明岩石的渗透性：K大渗透性强；K小一渗透性弱。 一般，松散岩石，岩石颗粒愈粗，渗透系数K愈大。 测定：a.室内土柱试验(达西试验)：b.野外抽水试验。表51部分岩土的港透系数与透水性岩上名称潅透系散(m/i)透水n分级卵石.ft/i
7、.衲砂.HJffiM的灰岩10独透水砂.裂曲岩石10-1中等透水护砂土W f.泥灰料.砂层1 *0.01射透水亚粘上.帖上质抄岩0.01 -0.001徵透水帖土.致密的汹阳岩泥毁岩500(据地质矿产部水文地质工悍地质技术方法研究队197趴 冇修改我们引入渗透率k (permeability)表征岩层对不同流体的固有潑透性能(intrinsic permeability),渗透率k仅仅取决于岩石的空隙性质，与渗流的液体性质无关。滲透系数与渗透性任 1)岩石的空隙性质；、2)水的物理性质(如粘滞性)，.般可忽略。J G k仅与岩石性质有关。#与渗透率的关系为:K=k(p g/p )#式中：P为液体
8、密度；g为重力加速度：k为液体动力粘滞系数；k的最纲为L2,常用单 位为达西或cm:o5.适用范围达西定律：V=KIV与I的一次方成正比一线性渗透定律。适用于层流：ReKP K2=3K1；弋川h隔水层.1弱含水圧L强含水辰Fl流线E23等木头线卜.1测丿h水位线图5. 5层状作均质介质一维流条件下的流网心中流线密度为K1的3倍，因此，K?径流强，流屋人，更多的流量通过渗透性好的介 质。2）两块介质：a.K中等水位（头）线密，间隔数为K?的3倍；Ki中水力梯度人，g中水力梯度小:b.在渗透较差的Ki中.消耗的机械能人，是氐的3倍。3) 流线与岩层界面斜交流线发生折射，服从卜列规律：0 =竺(证明
9、见地卜.水动力学)K2 tanqe为流线与分界面法线的夹角。3. 含水层中存在透镜体时透镜体：a. 渗透性强一流线向其汇聚；b. 渗透性弱一流线绕流。5. 4饱水粘土中水的运动规律b根据实验.渗透流速v与水力梯度I主要存在三种关系:图5.9饱水粘性上渗透实验的各类关系曲线(据 KutTkA, 1969； Miller 1963； Olsen, 1966)1) V-I为通过原点的直线，服从达西定律：2) VI 不通过原点：a.V=0, KI,； b.V0, II。：3) VI通过原点：a.曲线，IIo： 式中：I。称为起始水力梯度：V：直线部分可表示为：V=K(1-10)0思考题1. 渗流？2. 渗流场？3. 层流运动？4. 紊流运动？5. 稳定流？6. 非稳定流？7. 渗透流速？8. 实际流速？9. 有效孔隙度？10. 水力梯度？11渗透系数？12. 流网？13. 流线?14. 迹线？15. 据地下水流动状态，地下水运动分为和o16. 据地卜水运动要素与时间的关系，地下水运动分为和o17. 水力梯度为定值时，渗透系数，渗透流速就。18. 渗透流速为定值时，渗透系数,水力梯度o19. 渗透系数可以定量说明岩石的.渗透系数愈大，岩石的透水能力_。20. 流网是由一系列与组成的网格。21. 在均质各向同性介质中，地卞水必定沿着水头变化域人的方
