当前位置：文档之家 › 1地下水渗流基本概念与基本定律

1地下水渗流基本概念与基本定律

  • 格式：ppt
  • 大小：4.16 MB
  • 文档页数：72

下载文档原格式

  / 72

合集下载

1渗流基本理论

1渗流基本理论

§1 渗流的基本概念
3、多孔介质中地下水的运动 比较复杂（源于多孔介质的广义性），包括两大类， 运动特点各不相同。 （1）第一类为地下水在孔隙、细小裂隙或发育微弱、 分布均匀的溶隙中运动，具有统一的流场，运动方 向基本一致，符合达西定律，称为达西流。 （2）第二类为地下水沿较大裂隙和溶隙的运动，仍 具有统一的流场，运动方向基本一致，但已不符合 达西定律，流态仍为层流。
§1 渗流的基本概念
根据岩石空隙的性质及其成因，含水介质可划分为： ①孔隙介质：含有孔隙的岩石松散沉积物（黄土：特 殊的孔隙—裂隙介质）。 ②裂隙介质：含有裂隙的坚硬岩石（碎屑岩、火成 岩）。 ③溶隙（岩溶）介质：含有溶隙（穴）的可溶性岩石 （石灰岩、白云岩）。
§1 渗流的基本概念
（3）多孔介质 狭义：孔隙介质 广义：包括孔隙介质、裂隙介质（细小裂隙）和某些 岩溶不十分发育（溶隙分布较均匀）的由石灰岩和 白云岩组成的岩溶介质，都称为多孔介质。 2、多孔介质的特征 （1）空（孔）隙性 ①有效孔隙（Effective pores） 多孔介质中相互连通的，不为结合水所占据的 那部分孔隙。 有效孔隙中存在的是重力水和少量毛细水。
§1 渗流的基本概念 一、地下水在多孔介质中的运动
1、什么是多孔介质？ （1）介质 一种物质存在于另一种物质的内部时，后者就 是前者的介质。 《辞海》中的解释：“物体系统在其间存在或物理 过程（力、能量的传递）在其间进行的物质”。 （2）含水介质 地下水存在并运动于岩土空隙中，具有空隙的 岩土称之为含水介质。
§1 渗流的基本概念
4、一点异议 还有一种运动形式：地下水沿大裂隙和发育良好的 岩溶管道的运动，方向没有规律，分属不同的地下 水流动系统，流态为紊流。 属于非多孔介质中地下 水的运动。 地下水在多孔介质和非多孔介质中地下水的运动形 式不同—流态不同（根据雷诺数Re可判断流态）。 @教材上一直将多孔介质中的运动分为： （1）在孔隙和裂隙中运动 （2）大裂隙和管道（岩溶发育好）中运动 我个人认为不妥：多孔介质而非含水介质。

渗流力学知识点总结

渗流力学知识点总结

渗流力学知识点总结一、渗流基本理论1.渗流的基本概念渗流是指流体在多孔介质中的流动现象。

多孔介质是由孔隙和固体颗粒组成的介质，流体可以通过孔隙和固体颗粒之间的空隙进行流动。

渗流现象在自然界和工程领域都有着广泛的应用，如地下水的运移、石油的开采、地下储层的注水等。

2.渗透性与渗透率渗透性是指单位压力下单位面积介质对流体的渗透能力，通常用渗透率来描述。

渗透率是介质内渗流速度与流体粘滞力之比。

一般来说，渗透性越大，渗透率越高，介质对流体的渗透能力越强。

3.渗透压力与渗透率渗透压力是指多孔介质内部由于孔隙中流体分布不均匀而产生的压力。

渗透压力的大小与介质的孔隙结构、流体的性质、地下水位等因素有关，它是影响渗流速度和方向的重要因素。

4.达西定律达西定律是描述渗透性与渗流速度之间关系的定律，它指出在流体粘滞力不考虑的条件下，渗透速度与渗透压力成正比，与渗透率成反比。

达西定律为渗流理论研究提供了重要的基础。

二、多孔介质渗流规律1.多孔介质的渗流特性多孔介质是由孔隙和固体颗粒组成的介质，它具有复杂的微观结构和介质性质。

渗流在多孔介质中受到许多因素的影响，如介质的孔隙度、渗透率、渗透性等，这些因素决定了渗流规律的复杂性和多样性。

2.渗流方程渗流方程是描述多孔介质中流体运移规律的方程，它通常由渗流方程和质量守恒方程两部分组成。

渗流方程描述了流体在多孔介质中的流动规律，它是渗流力学研究的核心内容。

3.多孔介质的稳定性多孔介质中的渗流现象可能受到介质本身的稳定性限制。

孔隙结构、流体的性质以及渗透压力等因素都会影响介质的稳定性，这对渗流速度和方向产生重要影响。

4.非均质多孔介质中的渗流非均质多孔介质中的渗流现象通常较为复杂，其渗透率、孔隙度、渗透性等参数都可能在空间上呈现非均匀性。

对非均质多孔介质中渗流规律的研究对于实际工程应用具有重要意义。

三、非线性渗流1.非线性渗流模型非线性渗流模型是描述介质非线性渗流现象的数学模型。

水文地质学基础 第四章 地下水运动的基本规律.

水文地质学基础 第四章 地下水运动的基本规律.
第四章 地下水运动的基本规律
1.渗透与渗流
渗透： 地下水在岩石空隙中的运动
渗流是一种假想水流。
假想水流应满足下列条件： （1）性质（如密度、粘滞
性等）和真实地下水相同； （2）充满含水层的整个空
间； （3）运动时，在任意岩石
体积内所受的阻力与真实水流 相同；
（4）通过任一断面的流量 及任一点的压力或水头均和实 际水流相同。 渗流区或渗流场：假想水流所 占据的空间。
• 流线：是渗流场中某一瞬时的一条线，线上各水 质点在此瞬时的流向均与此线相切。
• 迹线：则是对水质点运动所拍的电影。在稳定流 条件下，流线与迹线重合。
一、均质各向同，流线与等水头线构成 正交网格。 • 分析均质各向同性介质中的稳定流网。 • 徒手绘制定性流网
地下水的运动绝大多数服从Darcy定律。
二、非线性渗透定律—哲才（Chezy）定律
地下水在较大的空隙中运动且流速较大时，呈紊 流运动，此时的渗流服从哲才定律。有：
1
Q KI 2
1
V KI 2
即此时渗透流速V与水力梯度I的1/2次方成正比.
4.2 流 网
• 流网：在渗流场的某一典型剖面或切面上，由一 系列等水头线与流线组成的网格.
2.层流和紊流
层流运动：水质点作有秩序的、互不混杂的流动. 紊流运动：水质点无秩序的、互相混杂的流动.
地下水在岩石空隙中的运动速度一般较慢，大多为层流 运动。只有在大裂隙、溶洞中地下水流速大，才可能出现紊 流运动。此外，在抽水井附近小范围内，当降深很大时，流 速增大，也可出现紊流现象。
3. 稳定流和非稳定流
实际流速，ω有：
Q Kw h KwI Vw L
Q＝ ω／·u＝ ω·ne·u＝

渗流力学 第一章 渗流基本概念和定律

渗流力学 第一章 渗流基本概念和定律
2）有效渗透率Ko、Kw、Kg：岩石中同时有两种或以上的流 体流动，则岩石对其中一相的通过能力。是饱和度的函数。
3）相对渗透率Krw、Kro：多相同时流动时，相渗透率与绝对 渗透率的比值。
3、大的比面
多孔介质比面很大，使得流体流动时粘滞阻力很大。
多孔介质的分类：
1）单纯介质：由孔隙或纯裂缝组成，渗流形式简单。
1、孔隙性
储层岩石具有孔隙性，并被流体所充满，孔隙性大小用孔隙
度表示：
a
Vt V
Φa—绝对孔隙度；Φ—有效孔隙度；
V0 V
V—岩石视体积；Vt—岩石总孔隙体积； V0—岩石有效孔隙体积。
2、渗透性
多孔介质让流体通过的性质，叫渗透性。渗透性的大小用渗透 率表示。
1）绝对渗透率K：岩石孔隙中液体为一相时，岩石允许流体 通过的能力。绝对渗透率只与岩石本身性质有关。
二、渗流的分类
1）地下渗流：存在于地层中，如油气水在地层中的流动； 2）工程渗流：化工、冶金、环保中的渗流问题； 3）生物渗流：动物和植物中的渗流问题。
三、渗流力学的发展（地下渗流）
1、古典渗流力学： 1920年以前 动因：开发利用地下水； 代表：法国水利工程师达西（Darcy）； 定律：达西定律（Darcy’s Law，1856）。
F—内摩擦力（粘滞力），N； μ—粘滞系数（又称绝对粘度），Pa·s。
• 粘度单位通常用mPa·s表示： 1Pa·s＝103mPa·s
• 粘度单位以g／(cm·S)表示时称为“泊”： 1泊＝100厘泊（cP）
• cP与mPa·s的换算关系为： 1mPa·s＝lcP
• 在渗流中，粘滞力为阻力，且动力消耗主要用于渗流 时克服流体粘滞阻力。
1.2 渗流中的力学分析及驱动类型

地下水的渗流运动

地下水的渗流运动
雷 诺 数 （ Re ） 为 1-10 的 层 流 才 符合达西定律。
天然条件下地下水的渗流速度通 常很缓慢，绝大部分为层流运动， 一般可用线性定律描述其运动规 律。
19
10.2 地下水运动的基本定律
二、非线性渗透定律
➢ 紊流：
哲才公式
v Kc i
➢ 混合流：介于层流与紊流之间的水流。
斯姆莱盖尔公式 v K c m i
三、水力坡度
指沿渗透途径上的水头降低值(损失)与相应的渗流长度之
比。
IH1H2 Hh
L12
LL
物理含义：代表渗流过程中，单位渗透途径上机械能的损 失。
渗流过程中总机械能的损耗原因(与水力学相近)：液体的粘 滞性(水质点间的摩檫阻力)及固体颗粒表面对水流的反作用力 (水与隙壁间的阻力)。
8
10.1 渗流的基本概念
11
10.1 渗流的基本概念
四、流线与流网
流网：渗流场某一典型剖面或切面上，由一系列等水头 线与流线组成的正交网格。（剖面流网、平面流网）
流 网 示 意 图
平行流网
辐射流网
12
10.1 渗流的基本概念
四、流线与流网
流网特点：
1. 流线与等水头线垂直（正交）； 2. 相邻两条等势线间的势差为常量，相邻两条流线
3
概化后的理想渗流
ห้องสมุดไป่ตู้
图1-1-0b 在一般管道中的普通水流
颗粒
孔隙
A
图1-1-3a 地下水实际流线
颗粒
孔隙
B
4
10.1 渗流的基本概念
二、过水断面和渗透速度 ➢ 过水断面
指含水层中水与渗流流向垂直的的断面，包括骨架和空 隙在内的断面。可以是平面，也可是曲面，其大小可随渗 流方向变化。

水文地质学基础中国地质大学(武汉)4_渗流基本定律

水文地质学基础中国地质大学(武汉)4_渗流基本定律

13
在研究地下水运动时，由于地下水的流速非常缓慢，
速度水头相对于测压水头是微不足道的，因此，可忽略速
度水头，而用测压水头代替总水头，即
H Z p
伯诺里能量方程适用条件
➢ 水是不可压缩的理想液体；
➢ 水流是稳定流；
➢ 作用在流体上的质量力只考虑重力；
➢ 水流为均匀流或缓变流，其中流线几乎是平行的，并 且流线曲率很小，流线几乎是直线，流量沿程不变。
流线反映的是某时刻流体的流速向量，迹线是反 映流体中某一质点不同时间走过的轨迹；因此流线 可看作水质点运动的摄影，迹线则可看作对水质点 运动所拍摄的电影。
水文地质学基础
5
过水断面与流量 垂直于所有流线的横截面，称为过水断面(渗流断
面)。
3
1
2
过水断面
单位时间内通过渗流断面的地下水体积称为渗透
流量。
水文地质学基础
16
4.3 地下水运动的研究方法
特点： 流线不能相交；流线不 能是一条折流线示意图
水文地质学基础
3
基本概念
迹线：渗流场中某一时段内某一质点的运动轨迹。
迹线的特点： 对于每一个水质点都有一
个运动轨迹，所以迹线是一簇 曲线，而迹线只随质点不同而 异，与时间无关。
地下水迹线示意图
水文地质学基础
4
流线和迹线都是流场中的一簇曲线，都与流体的 运动有关，但各自代表了不同的概念：
Re
d
v
从层流转化为紊流时的临界 雷诺数，称为上临界雷诺数；
Re：雷诺数，是一个无因次量； υ：断面上水的平均流速，L/T ；
从紊流转化为层流时的临界雷 诺数，称为下临界雷诺数。
ν：运动粘滞系数，L2/T，表征

渗流的基本定律(达西定律)

渗流的基本定律(达西定律)

岩层按渗透性分类
同一点各方向上渗透性相同的介质称为各向同性
介质(isotropy medium)；
同一点各方向上渗透性不同的介质称为各向异性 介质(anisotropy medium) 。 均质(homogeneity)、非均质(inhomogeneity): 指K于空间坐标的关系，即不同位置K是否相同； 各向同性、各向异性: 指同一点不同方向的K是否 相同。
2.1912年克拉斯诺波里斯基提出紊流公式：
四、达西定律的微分形式
微分形式：
渗水力梯度I 是无因次的，故渗 透系数K的因次与渗透流速V 相同。一般采用 m/d 或 cm/s 为单位。令 I = 1 ，则V =K 。意即渗透系数为水力梯度等
于 1 时的渗透流速。水力梯度为定值时，渗透系数愈大。
地下水通过非均质界面的折射现象
定义：地下水在非均质岩层中运动，当水流通过渗透系数突变的
分界面时，出现流线改变方向的现象 1. 折射定理
1. 几点讨论： (1) 当K1≠K2，α1≠0,流线才会折射 (2)当K1=K2，α1= α2 (3) 只有在0< α1<90，才会折射
(4)在层界面上发生的流线折射并不改变地下水流总方向，总体
多孔介质概念与特性
我们把孔隙岩层称为多孔介质(porous media). •多孔介质特性: 彼此连通的网络，几何形态及连通情况异常复杂， 难以用精确的方法来描述。 由固体骨架和孔隙组成，孔隙通道是不连续的。
因此，无论是固体骨架，还是空隙空间，微观上讲都不是连续函数
普通水流与渗流
共同点： 1.总体流向取决于水头差 2.流量取决于水头差及沿程损耗 区别：水在管道中运动取决于 管道大小、形状及粗糙度；渗流运动取决于空隙大小、形状、 连通性。

渗流的基本定律(达西定律)

渗流的基本定律(达西定律)

影响渗透系数大小的因素
f(孔隙大小 多少、液体性质) 孔隙大小、 K= f(孔隙大小、多少、液体性质) 岩层空隙性质（孔隙大小、多少） 岩层空隙性质（孔隙大小、多少） 由流体的物理性质决定, 由流体的物理性质决定,与γ成正比，与μ成 成正比， 反比.流体的物理性质与所处的温度、压力有关。 反比.流体的物理性质与所处的温度、压力有关。
vx = Kxx Jx + Kxy Jy vy = Kyx Jx + Kyy Jy
v = Kε Jε ε ε v = K η Jη η η
si θ n co θ s
o c sθ 设R为旋转矩阵 R = −si θ n
设R为旋转矩阵
vx v ε =[R ] v η vy Jx Jε =[R ] J η Jy
多孔介质概念与特性
我们把孔隙岩层称为多孔介质(porous media). 我们把孔隙岩层称为多孔介质 •多孔介质特性 多孔介质特性: 多孔介质特性 8彼此连通的网络，几何形态及连通情况异常复杂， 彼此连通的网络，几何形态及连通情况异常复杂， 彼此连通的网络 难以用精确的方法来描述。 难以用精确的方法来描述。 8由固体骨架和孔隙组成，孔隙通道是不连续的。 由固体骨架和孔隙组成，孔隙通道是不连续的。 由固体骨架和孔隙组成
z
a. 一维流：仅沿一个方向存在流速 一维流： b. 二维流：沿两个方向存在分流速 二维流： 分：平面二维流、剖面二维流） 平面二维流、剖面二维流） c. 三维流： 三维流： 三个方向均存在分流速
图 1-2-8a
x y
一维流
岩层按渗透性分类
6. 按岩层渗透性随空间和方向变化特点，分 均质各向同性、均质各向异性、 均质各向同性、均质各向异性、 非均质各向同性、 非均质各向同性、非均质各向异性 几个概念： 各向同性、各向异性、均质、非均质

地下水渗流原理

地下水渗流原理

地下水渗流原理地下水是指地球表面以下的水体，包括地下河流、地下湖泊、地下水库等。

地下水的存在对于维持陆地生态系统的平衡和人类生活的发展至关重要。

而地下水的渗流是指地下水在地下岩石、土壤中的流动过程，它是地下水资源形成和分布的重要因素。

地下水的渗流是受到多种因素的影响的，主要包括孔隙度、渗透系数、水头差和地下水位等。

孔隙度是指岩石或土壤中的空隙所占的比例，它决定了地下水的储存容量。

渗透系数是指岩石或土壤对水的渗透能力，它反映了地下水渗流的速度和方向。

水头差是指地下水位之间的高差，它是地下水渗流的动力来源。

地下水位是指地下水面的高度，它对地下水的渗流方向和速度有着重要影响。

地下水的渗流可以分为自由渗流和强迫渗流两种情况。

自由渗流是指地下水在没有外力作用下，根据水头差自然流动的过程。

强迫渗流是指地下水受到外力作用，如泵站抽水或地下水层被压力水体（如河流、湖泊）影响而流动的过程。

地下水渗流的速度可以通过达西定律进行计算。

达西定律是描述地下水渗流速度与水头差、渗透系数和孔隙度之间关系的一个基本定律。

根据达西定律，地下水渗流速度与水头差成正比，与渗透系数和孔隙度成反比。

因此，提高地下水渗流速度的方法可以通过增加水头差、提高渗透系数和孔隙度来实现。

地下水渗流对地下水资源的开发和利用具有重要意义。

通过研究地下水渗流原理，可以预测地下水资源的分布和储量，为地下水的合理开发和利用提供科学依据。

同时，地下水渗流的研究还可以帮助解决地下水污染和地下水位下降等问题，保护地下水资源的可持续利用。

地下水渗流原理是地下水资源形成和分布的重要因素。

通过研究地下水渗流原理，可以更好地了解地下水的运动规律和分布特点，为地下水资源的合理开发和利用提供科学依据。

同时，地下水渗流的研究也对保护地下水资源的可持续利用具有重要意义。

渗流的基本定律(达西定律)ppt课件

渗流的基本定律(达西定律)ppt课件
15
§1-2 渗流的基本定律—达西定律
1856 年，法国水力学家达西(H. Darcy)通过大量的实验，得 到线性渗透定律。根据实验结果，得到下列关系式：
式中： Q——渗透流量(出口处流量，即为 通过砂柱各断面的流量) ；
ω——过水断面(在实验中相当于砂柱 横断面积) ；
h——水头损失( h =H1 −H 2 ，即上下 游过水断面的水头差) ；
L— — 渗 透 途 径 ( 上 下 游 过 水 断 面 的 距 离) ；
I ——水力梯度(相当于h / L，即水头 差除以渗透途径) ；
K——渗透系数。 此即达西公式。
16
二、达西实验条件
l 稳定达西实验：得出渗透流速与水力坡度成 正比即线性渗流定律，说明此时地下水的流 动状态呈层流。
l 实验条件：均匀介质，一维流动，稳定流， 层流。
36
典型流网特征
37
各向异性介质中的流网
38
22
渗透系数K
从达西定律V = KI可以看出。水力梯度I 是无因次的，故渗 透系数K的因次与渗透流速V 相同。一般采用 m/d 或 cm/s 为单位。令 I = 1 ，则V =K 。意即渗透系数为水力梯度等 于 1 时的渗透流速。水力梯度为定值时，渗透系数愈大。 渗透流速就愈大；渗透流速为一定值时，渗透系数愈大， 水力梯度愈小。由此可见，渗透系数可定量说明岩石的渗 透性能。渗透系数愈大，岩石的透水能力愈强。
31
小结
– 上述分类标准不同，无从属关系，可以 组合
– 均质与非均质，各向同性与各向异性概 念容易混淆
– 各向同性K为标量，各向异性K为张量 – 各向同性流场， J与v共线 – 各向异性流场， J与v一般不共线
32

1渗流基本理论-7

1渗流基本理论-7

§6 渗流基本微分方程
§6 渗流基本微分方程
2、假设 除与承压含水层基本微分方程有相同假设条件外： （1）当弱透水层的渗透系数K1比主含水层的渗透系数 K小很多时，近似认为水基本上是垂直地通过弱透水 层，折射90º 后在主含水层中基本上是水平流动的。 （如K1与K相差较小时，用等效渗透系数，非越流） （2）主含水层中水头看作是整个含水层厚度上水头的 平均值，即： 1 M H H ( x, y , t ) H ( x, y, z , t )dz M 0 （3）和主含水层释放的水及相邻含水层的越流量相比 ，弱透水层本身释放的水量小到可以忽略不计。
§6 渗流基本微分方程
（2）渗流场中任何一个局部，都必须满足质量守恒和 能量守恒。 4、数学意义 表示渗流空间内任一点任一时刻的渗流规律。 5、讨论 （1）各向同性介质
∂ ∂H ∂ ∂H ∂ ∂H ∂H ( K )+ ( K )+ ( K ) =μ s ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z ∂t
§6 渗流基本微分方程
上次课复习
1、渗流连续性方程—地下水质量守恒定律 （1）表达式
ρ v y ) ∂( ∂( ρ v x ) ∂( ρ vz ) ∂ [ + + ] Δ xΔ yΔ z = ( ρ nΔ xΔ yΔ z ) ∂x ∂y ∂z ∂t
（2）物理含义 某一渗流场中，流入流出单元体的质量差等于单元 体内液体质量的变化。 （3）实质（机理） 水头变化引起含水层弹性释水（贮水）
§6 渗流基本微分方程
3、微分方程的物理意义
∂ ∂H ∂ ∂H ∂ ∂H ∂H ( K xx )+ ( K yy )+ ( K zz ) =μ s ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z ∂t

地下水渗流的基本规律

地下水渗流的基本规律

等水头线、流线与各类边界的关系
地表水体—定水头边界: 河流湿周为等水头线
隔水边界—零流量边界： 流线
潜水面边界 —稳定的侧向补给：流线 —入渗补给：既不是流线 也不是等水头线
（2）流网特点
在各向同性介质中流线与等水头线正交， 在 各向异性介质中流线与等水头线斜交
按一定规则绘制的：等水头线—相邻两条等水 头线间的势差为常量，流线—相邻两条流线间 的通量为常量
张量：是几何与代数中的基本概念之一。
从代数角度讲， 它是向量的推广。向量可以看成一维的 “表格”（即分量按照顺序排成一排），矩阵是二维的“表 格”（分量按照纵横位置排列），那么n阶张量就是所谓的n 维的“表格”。张量的严格定义是利用线性映射来描述的。
从几何角度讲，它是一个真正的几何量，也就是说，它是 一个不随参照系的坐标变换而变化的东西。向量也具有这种 特性。
流网绘制步骤
地下水在岩石孔隙中的运动（渗流）
普通水流与渗流
颗粒 孔隙
图1-1-0b 在一般管道中的普通水流
图1-1-3a 地下水实际流线
共同点：1.总体流向取决于水头差 2.流量取决于水头差及沿程损耗
区别：水在管道中运动取决于管道大小、形状及 粗糙度；渗流运动取决于空隙大小、形状、连 通性。
2.1 基本概念
也愈大; 反过来，水力梯度I愈大时，驱动水流运动与速
度也愈大 注意：水头损失一定要与渗流途径相对应
2.2.2 达西公式中各项的物理意义
（3）渗透系数K（coefficient of permeability） 也称为水力传导率（hydraulic conductivity）
定义：水力梯度为I =1 时的渗透流速（V=KI） 具有速度量纲L/ T（m/d；cm/s）

1渗流基本理论-7

1渗流基本理论-7
H H Q x KhB , Q y KhB x y
§6 渗流基本微分方程
3、 Boussinesq方程—潜水基本微分方程 （1）假设条件 ①符合Dupuit假设； ②忽略水的压缩和骨架的压缩—不符合弹性释（贮）水 规律。原因：潜水面是个自由面，相对压强为0； ③潜水含水层隔水底板水平； ④潜水面存在水量的垂向交换W（ W为潜水面处单位水 平面积、单位时间的入渗量, W> 0 ，入渗；W< 0 ， 蒸发） 。
（6）各向同性柱坐标系（x = rcosθ、y = rsin θ） 1 H 1 2 H 2 H s H (r ) 2 2 2 r r r r K t z 2 H 1 H 1 2 H 2 H s H 或 2 2 2 2 K t r r r r z
导压系数（a）—压力传导系数 描述含水层水头变化的传导速度的参数，其数值等 于含水层的导水系数与贮水系数之比或渗透系数与贮 水率之比。
a=
T
μ
*
=
K
μs
（2）均质各向同性介质
∂2H ∂2H ∂2H μ s ∂H 1 ∂H + 2 + 2 = = 2 K ∂t a ∂t ∂x ∂y ∂z
§6 渗流基本微分方程
§6 渗流基本微分方程
（7）有源（流入）汇（流出）项W或 一般指垂向补给或排泄。 和W分别为三维流和平面二维流的源汇。分别定义 为单位体积含水层和单位水平面积含水层柱体中，单 位时间内产生（为正值）或消耗（为负值）的水量。
∂ ∂H ∂ ∂H ∂ ∂H ∂H ( xx K )+ ( yy K )+ ( zz K )+W =μ s ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z ∂t

第九章 渗流

第九章 渗流

裘皮 幼公 式
h0
无压均匀流场
u v kJ ki
整个流场各点 流速相等
3、流量
Q v0 ki0
矩形河槽
Q bh0ki
1
q kh0i
2
二、地下水渐变流
1、断面流速分布？ 任一断面流速分布 为矩形；不同断 面平均流速不等
非均匀渗流场
2、渐变渗流的基本微分方程
h z z dz h dh hw hw H dH H dH ids dh dH dh 所以 J i ds ds
k 2 2 s h1 h2 2q
dh Q q ds k kh
h1 h2 q s k 2
k 2 2 q h1 h2 2s
2
2




逆坡略
第四节 集水廊道和井
一、集水廊道

井和集水廊道，是吸取地下水源的建筑物，应用 甚广。从这些建筑物中抽水，会使附近天然地下 水位降落，也起着排水的作用。
正坡为a型和b型， 平坡为b0型， 负坡为 b 型。


a型为壅水曲线，上游以N—N线为渐近线， 下游趋于水平线。b型为降水曲线，上游以 N—N线为渐近线，下游从理论上与槽底正 交，由下游具体边界条件确定。
b0和 b 型为降水曲线，上游趋于水平线， 下游从理论上与槽底正交，由下游具体边 界条件确定。
二、地下水的形态
汽态水：以蒸汽状态存在于土壤孔隙中的水 附着水：以极薄的分子层吸附在土颗粒周围 薄膜水：以厚度不超过分子作用半径的膜层包围着土颗粒 毛细水：保持在土壤毛细管中的水 重力水：重力作用下沿土壤孔隙运动的水，渗流研究的主 要对象。
三、渗透性质与岩土分类

地下水运动的基本规律名词解释渗流地下水在岩石

地下水运动的基本规律名词解释渗流地下水在岩石

第四章地下水运动的基本规律一、名词解释1．渗流：地下水在岩石空隙中的运动。

2．渗流场：发生渗流的区域。

3．层流运动：在岩层空隙中流动时，水的质点作有秩序的、互不混杂的流动。

4．紊流运动：在岩层空隙中流动时，水的质点作无秩序地、互相混杂的流动。

5．稳定流：水在渗流场内运动，各个运动要素（水位、流速、流向）不随时间改变。

6．非稳定流：水在渗流场中运动，各个运动要素随时间变化的水流运动。

7．渗透流速：地下水通过某一过水断面的平均流速。

8．迹线：渗流场中某一段时间内某一质点的运动轨迹。

9．水力梯度：沿渗透途径水头损失与相应渗透途径之比。

10．渗透系数：水力坡度等于1时的渗透流速。

11．流网：在渗流场的某一典型剖面或切面上由一系列流线和等水头线组成的网。

12．流线：流场中某一瞬时的一条线，线上各水质点的流向与此线相切。

二、填空1．据地下水流动状态，地下水运动分为层流和紊流。

2．据地下水运动要素与时间的关系，地下水运动分为稳定流和非稳定流。

3．水力梯度为定值时，渗透系数愈大，渗透流速就愈大。

4．渗透流速为定值时，渗透系数愈大，水力梯度愈小。

5．渗透系数可以定量说明岩石的渗透性能。

渗透系数愈大，岩石的透水能力愈强。

6．流网是由一系列流线与等水头线组成的网格。

7．如果规定相邻两条流线之间通过的流量相等，则流线的疏密可以反映径流强度，等水头线的疏密则说明水力梯度的大小。

8．在均质各向同性介质中，地下水必定沿着水头变化最大的方向，即垂直于等水头线的方向运动，因此，流线与等水头线构成正交网格。

9．流线总是由源指向汇。

三、判断题1．当含水层中存在强渗透性透镜体时，流线将向其汇聚。

（√）2．两层介质的渗透系数相差越大，则其入射角和折射角也就相差越大。

（√）3．达西定律中的过水断面是指包括砂颗粒和空隙共同占据的面积。

（ √ ）4．在渗流场中，一般认为流线能起隔水边界作用，而等水头线能起透水边界的作用。

（ √ ）5．渗透流速是指水流通过岩石空隙所具有的速度。

渗流的基本定律(达西定律)

渗流的基本定律(达西定律)
续体，这样多孔介质就处处有孔隙度了。
REV究竟有多大？ REV相对于单个孔隙是相当大的，但相
对于渗流场又是非常小的。
精选课件
7
概化后的理想渗流
精选课件
8
二、地下水实际流速、渗透流速
渗透流速——假想渗流的速度，是假想的平均流速。实际
流速在REV上的平均值。
地下水实际流速—质点流速在以P点为中心REV体积上的平均 值称为地下水在P点的实际流速。
因此，无论是固体骨架，还是空隙空间，微观上讲都不是连续函数
精选课件
3
普通水流与渗流
共同点： 1.总体流向取决于水头差
2.流量取决于水头差及沿程损耗 区别：水在管道中运动取决于
管道大小、形状及粗糙度；渗流运动取决于空隙大小、形状、
连通性。
精选课件
4
渗流特点
– 通道是曲折的，质点运动轨迹弯曲； – 流速是缓慢的，多数为层流； – 水流仅在空隙中运动，在整个多孔介质中不连续； – 通常是非稳定的； – 通常为缓变流。
透途径上，因此求算水力梯度I 时，水头差必须与相应的渗透
途径相对应。
精选课件
15
§1-2 渗流的基本定律—达西定律
1856 年，法国水力学家达西（H. Darcy）通过大量的实验，得 到线性渗透定律。根据实验结果，得到下列关系式：
式中：Q——渗透流量（出口处流量，即为
通过砂柱各断面的流量） ；
ω——过水断面（在实验中相当于砂柱
精选课件
23
Hale Waihona Puke 影响渗透系数大小的因素K= f(孔隙大小、多少、液体性质) ➢ 岩层空隙性质（孔隙大小、多少）
➢ 由流体的物理性质决定,与γ成正比，与μ成 反比.流体的物理性质与所处的温度、压力有关。
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

（4）实际平均流速（Mean actual velocity）是多孔介质中地下水通过空隙面积 的平均速度；地下水流通过含水层过水断面的平均流速，其值等于流量除以过水断 面上的空隙面积，量纲为L/T。记为。它描述地下水锋面在单位时间内运移的距离
，是渗流场空间坐标的离散函数。表示为：
渗流速度 = n 实际平均流速
包括两大类，运动特点各不相同，分别满足于孔隙水和裂隙 岩溶水的特点。 (1) 第一类为地下水在多孔介质的孔隙或遍布于介质中的裂 隙运动，具有统一的流场，运动方向基本一致； (2) 另一类为地下水沿大裂隙和管道的运动，方向没有规律 ，分属不同的地下水流动系统。
地下水动力学
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
(2) 连通性：封闭和畅通，有效和无效。
(3) 压缩性：固体颗粒和孔隙的骨架具有压缩性。 (4) 多相性：固、液、气三相可共存。其中固相的成为骨架，气相主要分
布在非饱和带中，地下水可以吸着水、薄膜水、毛管水和重力水等形式
存在。 固相—骨架 matrix
气相—空气，非饱和带中
地下水动力学
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
2、水力坡度[水力梯度]（hydraulic gradient）：在渗流场中大小等于梯 度值，方向沿等水头面的法线并指向水头下降方向的矢量，用J表示。
式中 分别为：
——法线方向单位矢量。在空间直角坐标系中，其三个分量
2、层流与紊流 层流（laminar flow）：水流流束彼此不相混杂、运动迹线呈近似 平行的流动。 紊流（turbulent flow）：水流流束相互混杂、运动迹线呈不规则 的流动。
地下水动力学
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
图1-4 空隙岩石中地下水的层流和紊流
(2) 渗流的要素可以微分、积分，可以用微分方程来描述渗流要 素。
地下水动力学
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
图1-2 REV( Representative Elementary Volume)
地下水动力学
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
液相—水：吸着水 Hygroscopic water 薄膜水 pellicular water
毛管水 capillary water
重力水 gravitational water
地下水动力学
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
分选良好， 排列疏松的砂
分选良好， 排列紧密的砂
地下水动力学
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
4、一、二、三维流 根据渗流方向与所选坐标轴方向之间的关系来划分。 一维流运动：当地下水沿一个方向运动，将该方向取为坐标轴， 此时地下水的渗透速度只有沿该坐标轴的方向有分速度，其余坐标轴 方向的分速度为0。 一维流（one-dimensional flow），也称单向运动，指渗流场中 水头、流速等渗流要素仅随一个坐标变化的水流，其速度向量仅有一 个分量、流线呈平行的水流。 二维流运动：若地下水的渗透速度沿两个坐标轴方向都有分速度 ，仅一个坐标轴方向的分速度为0。
3、等水头面与等水头线 等水头面：渗流场中水头值相同的各点相互连接所形成的一个面。可以 是平面也可为曲面。 等水头线（groundwater contour）：等水头面与某一平面的交线。 等水头面上任意一条线上的水头都相等。等水头面（线）在渗流场中是 连续的，不同大小的等水头面（线）不能相交。
地下水动力学
根据Reynolds number判别地下水流态，通常
式中：
—地下水的渗流速度(cm/s)； d—含水层颗粒的平均粒径(cm)； d0—含水层颗粒的有效粒径(cm)； —地下水的运动粘度（粘滞系数）(cm2/s)。
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
地下水动力学
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
速度水头（velocity head）：在含水层中的某点水所具有的动能转变为势能 时所达到的高度，量纲为L，即 ，式中u为地下水在该点流动的速度；g
为重力加速度。
由于在地下水中水流的运动速度很小，故速头 似等于H，即: 可以忽略，所以h近
意义：渗流场中任意一点的水头实际上反映该点单位质量液体具有的总机械 能，地下水在运动过程中不断克服阻力，消耗总机械能，因此沿地下水流程，水 头线是一条降落曲线。
地下水动力学
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
地下水动力学
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
3、 典型单元体（REV，Representative Elementary Volume）：又称 代表性单元体，是渗流场中其物理量的平均值能够近似代替整个渗流场 的特征值的代表性单元体积。
地下水动力学
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
二维流（two-dimensional flow），也称平面运动，地下水的渗透 流速沿空间二个坐标轴方向都有分速度、仅仅一个坐标轴方向的分速度 为零的渗流；水头、流速等渗流要素随两个坐标变化的水流，其速度向 量可分为两个分量，流线与某一固定平面呈平行的水流。 平面二维流（Two-dimensional flow in plane），由两个水平速 度分量所组成的二维流。
地下水动力学
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
2、多孔介质的性质
(1) 孔隙性：有效孔隙和死端孔隙。
孔隙度（Porosity）是多孔介质中孔隙体积与多孔介质总体积之比 （符号为n），可表示为小数或百分数，n=Vv/V。
有效孔隙（Effective pores）是多孔介质中相互连通的、不为结合水
REV具备两个性质：
(1) 其体积和面积，大于个别空隙而小于渗流场，其中的渗流可以 从一点连续运动到另一点；
(2) 通过单元体的运动要素（流量Q、水头h、压力p、实际水头受 到的阻力R）与真实水流相等，运动要素是坐标的函数，孔隙度n、导水系数T、给水 度和渗透系数均连续。
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
二、 渗透与渗流
1、渗透:地下水在岩石空隙或多孔介质中的运动，这种运动是在弯 曲的通道中，运动轨迹在各点处不等。为了研究地下水的整体运动特征 ，引入渗流的概念。
图1-1 岩石中的渗流 （a）实际渗透 (b)假想渗流
地下水动力学
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
若Re<Re临界，则地下水处于层流状态，此时液体质点互不混杂，呈 有秩序地层状运动； 若Re>Re临界，则地下水处于紊流状态，此时液体质点无秩序地相 互混杂地流动。 Re临界≈ 150~300。天然地下水多处于层流状态。
3、稳定流与非稳定流
根据渗流运动要素是否与时间有关而进行的划分。 稳定流（steady flow）：渗流运动要素不随时间变化；在一定的 观测时间内水头、渗流速度等渗透要素不随时间变化的地下水运动。 非稳定流（unsteady flow）：渗流运动要素随时间变化；水头、 渗透速度等任一渗透要素随时间变化的地下水运动。
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
2、渗流（seepage flow）：具有实际水流的运动特点（流量、水头、压 力、渗透阻力），并连续充满整个含水层空间的一种虚拟水流；以此代替 真实地下水流的一种假想水流。 假想水流代替渗流三个假定： （1）假想水流的性质与真实地下水流相同； （2）充满含水层空隙空间和岩石颗粒所占据的空间； （3）小范围内运动时所受的阻力与实际水流所受阻力相等； （4）通过任一断面的流量及任一点压力或水头与实际水流相同。 渗流场（flow domain）：假想水流所占据的空间区域，包括空隙和岩 石颗粒所占的全部空间。
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
4、渗流速度 （1）过水断面（Cross-sectional area）是渗流场中垂直于渗流 方向的任意一个岩石截面，包括空隙面积（Av）和固体颗粒所占据的面 积(As)，A= Av + As。渗流平行流动时为平面，弯曲流动时为曲面。
图1-3 渗流过水断面
（2）渗流量（Seepage discharge）是单位时间内通过过水断面的 水体积，用Q表示，单位m3/d。
地下水动力学
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
若确定渗流场中任一点的渗流速度，可以按以下方法进行讨论： 设以P点为中心的REV的平均渗流速度矢量为v，令REV的体积为V0， 其中空隙体积为nV0，在空隙中的不同地点，流速u不同，将u 在全部空 隙体积nV0中求积分，再除以REV体积V0，即为渗流速度，表示为:
所占据的那一部分孔隙。 有效孔隙度（Effective Porosity）是多孔介质中有效孔隙体积与多
孔介质总体积之比（符号为ne），可表示为小数或百分数，ne=Ve/V。
死端孔隙（Dead-end pores ）是多孔介质中一端与其它孔隙连通、 另一端是封闭的孔隙。
地下水动力学
安徽理工大学 地球与环境学院 水资源与规划系
Ch1 地下水渗流基本概念与基本定律
§1-1 渗流的基本概念
一、多孔介质及其特性
1、多孔介质的概念
多孔介质(Porous medium)：地下水渗流动力学中指具有空隙的岩 （土）体。如孔隙介质、裂隙介质和溶隙介质。
孔隙介质：含有孔隙的岩层，砂层、疏松砂岩等，如第三系、第四 系沉积物。