第五章 地下水
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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(Darcy'sLaw)1856年达西通过实验得到达西定律。
实验在砂柱中进行(P36:图4-1),根据实验结果(流量):Q=KA(H r H2)/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):图5. 1I为水力梯度;达西实验装置示意图(据Bear, 1979)K 为渗透系数。
由水力学:Q=vA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 ;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:m 3/d, L/s)L微分形式: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。
或V = -KVH ,式中:K 一为渗透系数张最:gradH = 二更i+更了+更二西。
da dy &L若用标量表示,V 的三个分最分别为:得到 v=Q/A (对地下水也适用)(5.2)(5.3)v=-KdHK. —k = -KgradH ■ dz在三维空间中(向量形式):Vy= ~K - dy—K 罗**■ dz2. 渗透流速(V ) (seepage velocity, Daicy velocity )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。
第五章地下水运动的基本规律5. 1 渗流基本概念渗流––––地下水在岩石空隙中的运动称为渗流(渗透,地下径流)。
渗流场––––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––––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。
地下水总是从能量较高处流向能量较低处。
能态差异是地下水运动的驱动力。
地下水的机械能包括动能和势能,水力学中用总水头(hydraulic 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(Darcy’s Law)1856年达西通过实验得到达西定律。
实验在砂柱中进行(P36:图4—1),根据实验结果(流量):Q=KA(H1-H2)/L=KAI(5.1)式中:Q为渗透流量(出口处流量,即通过砂柱各断面的体积流量);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);H1 H2分别为上、下游过水断面的水头;L为渗透途径(上、下游过水断面的距离);I为水力梯度;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)达西定律也可以另一种形式表达(流速): 由公式(5.1)及Q=V A 得:v=KI (5.3)式中:V ––––渗透流速,m/d ,cm/s ;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:LH H KwQ 21-=(单位一般为:m 3/d ,L/s ) 微分形式:dxdHKv -= 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→低;而水力梯度方向:由等水位线低→高。
在三维空间中(向量形式):KgradH k zHK j y H K i x H K V z y x-=∂∂-∂∂-∂∂-= 或H K V ∇-=,式中:K ––––为渗透系数张量;H k zHj y H i x H gradH ∇=∂∂+∂∂+∂∂=。
第五章地下水的地质作用一、概述定义:以各种形式埋藏在地表下面土中孔隙、岩石孔隙和裂隙种的水,称为地下水。
研究地下水意义:全地球表层的地下水量估计4亿立方km。
1、地下水是改造地壳表层的地质动力,它的地质作用可以形成千奇百怪的地质景观供人们欣赏;同时是一种重要的矿产,是人畜饮用、农业灌溉及工业供水的重要水源之一。
它不仅可以形成矿产,同时还可以利用它找到矿产。
2、在对人类有利的同时,它还具有不利的一面。
如:1降低岩土体的强度与稳定性,表现:地基沉降,沙土液化,边坡失稳;2道路冻胀与翻浆:温差较大的寒冷地区;3潜蚀作用:冲蚀水颗粒,溶蚀。
3破坏岩土体的整体性,降低其强度和稳定性。
4地下开挖(基坑、隧道)涌水5侵蚀性地下水对工程的腐蚀作用。
6同时还会产生静水、动水压力-对挡墙、桥墩。
二、地下水的形成条件-形成环境(一)地下水的来源:1渗透水:大气降水、冰雪融水、地面流水(江、河、湖、海)等从地面渗入地下积聚成。
2凝结水:水蒸汽凝结成水滴后渗于地下。
3岩浆水:(原生水)地下岩浆活动形成的水(结晶水、水气)。
4埋藏水:(古水)地史中沉积物空隙中的水,被封闭保存下来。
(二)形成条件1)土石条件:1土石体必须有空隙(空隙的大小、多少、连通情况对地下水的形成及储存的影响) 2土体颗粒大小,级配、形状及孔隙度决定透水性(透水层与隔水层及其作用)。
2)构造条件:决定地下水的补、排及径流的情况褶皱构造的情形:背斜、向斜断裂构造的情形:透水性张性>扭性>压性3)气候条件:决定地下水的补给及蒸发量-决定水量4)地貌条件:不仅控制地下水的径流及排泄,而且影响地下水的形成。
5)人为条件:直接影响地下水的水位变化。
(三)地下水的赋存状态1吸着水:靠分子引力及静电引力吸附在土和岩石颗粒表面上的水。
不受重力影响,不被植物吸收。
2薄膜水:包围在吸着水的外层,可以从原处向薄处“移动”,少部分可被植物吸收。
3毛细管水:受表面张力影响,保留在毛细管中,易被植物吸收。