水文地质学-第4章-地下水运动规律13课件.ppt
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- 水文地质学 地下水 运动 规律 13 课件
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1、 1 地下水的运动特征与基本规律地下水的运动特征与基本规律 2 地下水流向井的稳定运动地下水流向井的稳定运动 3 地下水流向井的非稳定流动地下水流向井的非稳定流动 4 水文地质参数的确定水文地质参数的确定第四章第四章 地下水的运动规律地下水的运动规律 曲折、复杂的渗流通道曲折、复杂的渗流通道 迟缓的流速迟缓的流速空隙中实际水流空隙中实际水流方向和水流通道方向和水流通道等效平均直线水流等效平均直线水流方向和水流通道方向和水流通道第第1节节 地地下水的运动特征与基本规律下水的运动特征与基本规律v 紊流紊流水质点的运动方向不一致、流线随机交叉。水质点的运动方向不一致、流线随机交叉。v 层流层流水质点
2、的运动平行一致、流线无交叉现象。水质点的运动平行一致、流线无交叉现象。紊流紊流层流层流 一般为紊流,很少出现层流一般为紊流,很少出现层流1.地地下水的运动特点下水的运动特点 绝大多数为非稳定流运动,极少数为稳定流运动。绝大多数为非稳定流运动,极少数为稳定流运动。天然条件下,一般均呈缓变流动,有时为非缓变流动。天然条件下,一般均呈缓变流动,有时为非缓变流动。1.地地下水的运动特点下水的运动特点过水断面过水断面流线流线过水断面过水断面 流线流线缓变流动缓变流动v 稳定流运动稳定流运动运动要素不随时间而变化的运动。v 非稳定流运动非稳定流运动运动要素随时间而变化的运动。v 缓变流动缓变流动流线弯曲度
3、很小而近似直线、相邻流线间夹角很小而近似平行、各过水断面近似平面、同一过水断面上各点水头近似相等的地下水流动。地下水渗透受控于水位差地下水渗透受控于水位差地下水渗流随地形变化地下水渗流随地形变化地表水体地表水体潜水面潜水面地表水补给地下水地表水补给地下水地下水补给地表水地下水补给地表水旱季潜水面旱季潜水面雨季潜水面雨季潜水面平均潜水面平均潜水面潜水面随地形和季节变化潜水面随地形和季节变化v 一般情况下,地下水在地层空隙中运移速度极其缓慢,因而一般情况下,地下水在地层空隙中运移速度极其缓慢,因而特称为特称为渗透或渗流渗透或渗流。v 地下水的渗透受控于含水层的产状、水力坡度地下水的渗透受控于含水层
4、的产状、水力坡度【水位差水位差】、空隙度、透水性、空隙大小、地温等多种因素。空隙度、透水性、空隙大小、地温等多种因素。v 地层的孔隙度与岩土的颗粒形状、堆积程度、分选性有关。地层的孔隙度与岩土的颗粒形状、堆积程度、分选性有关。v 地层的透水性与空隙的连通程度有关。地层的透水性与空隙的连通程度有关。颗粒形状颗粒形状 颗粒堆积程度颗粒堆积程度 颗粒分选性颗粒分选性 在研究地下水运动规律时,不可能研究每个实际渗流通道中的在研究地下水运动规律时,不可能研究每个实际渗流通道中的水流运动,而是水流运动,而是研究等效平均直线水流通道中的水流运动研究等效平均直线水流通道中的水流运动。也就是说,采用充满整个含水
5、层也就是说,采用充满整个含水层【包括空隙和岩土颗粒所占据包括空隙和岩土颗粒所占据的全部空间的全部空间】的的假想水流,代替仅在空隙中运动的实际水流假想水流,代替仅在空隙中运动的实际水流。等效等效实际水流实际水流 假想水流假想水流空隙中实际水流空隙中实际水流方向和水流通道方向和水流通道等效平均直线水流等效平均直线水流方向和水流通道方向和水流通道采用充满整个含水层的假想水流代替仅在空隙中运动的实际水采用充满整个含水层的假想水流代替仅在空隙中运动的实际水流的流的前提条件前提条件。流量条件流量条件假想水流假想水流通过任一过水断面的流量必需等于通过任一过水断面的流量必需等于实实际水流际水流通过同一过水断面
6、的流量。通过同一过水断面的流量。水头条件水头条件假想水流假想水流在任一过水断面上的水头必需等于在任一过水断面上的水头必需等于实实际水流际水流在同一过水断面上的水头。在同一过水断面上的水头。阻力条件阻力条件假想水流假想水流在流动过程中所受的阻力必需等于在流动过程中所受的阻力必需等于实实际水流际水流在渗流过程中所受的阻力。在渗流过程中所受的阻力。等效等效实际水流实际水流 假想水流假想水流2 地下水运动的基本规律地下水运动的基本规律达西定律达西定律 Darcy法国水利工程师,法国水利工程师,1802。达西定律为达西定律为水文学、水文地质学、地下水动力学、岩水文学、水文地质学、地下水动力学、岩体水力学
7、体水力学的核心。的核心。现代的基坑与隧道降水设计、地下水开采设计、地下现代的基坑与隧道降水设计、地下水开采设计、地下水资源管理与评价、水文地质勘察等的绝大多数计算水资源管理与评价、水文地质勘察等的绝大多数计算公式,均是基于达西定律推导出来的。公式,均是基于达西定律推导出来的。达西定律基本假设达西定律基本假设v 地层的岩土属于多孔介质。地层的岩土属于多孔介质。v 地下水在地层中运移表现为渗透或地下水在地层中运移表现为渗透或渗流。渗流。v 自然条件下,地下水在地层中运移自然条件下,地下水在地层中运移的阻力较大,因而为层流运动。的阻力较大,因而为层流运动。LH1H2L基准面VA渗流Q v I-水头梯
8、度(标量。渗流单位长度的水头损失)。v K-渗透系数(m/s。当水头梯度I1时,渗透速度)。v V=KI(m/s。水头梯度为I时的渗透速度)v A渗流断面积(m2。与流线垂直)。v Q单位时间渗流量(m3/s)。12HHQVAKAKAIL达西定律适用条件达西定律适用条件110evdR雷诺系数式中:式中:v为地下水实际流动速度;为地下水实际流动速度;d为孔隙直径;为孔隙直径;地下水运动的粘滞系数。地下水运动的粘滞系数。QKA i当雷诺系数当雷诺系数Re10时:时:v 据达西定律计算的渗透速度据达西定律计算的渗透速度V V与地下水在地层中的实际流速与地下水在地层中的实际流速v v之之间关系间关系。
9、根据流量相等假设:Q=AV=nAv n为地层的空隙率;A为过水断面积 V=nv由于nV,即由达西定律计算的渗透速度V远小于地下水在地层中的实际流速v。达西定律假设地层达西定律假设地层全部由空隙组成。全部由空隙组成。过水断面积为过水断面积为A。QAV。实际地层由土粒和实际地层由土粒和空隙组成。空隙组成。地层的空隙率为地层的空隙率为n。实际的过水断面积实际的过水断面积为为nA。Q=nAv。等效等效垂直取水构筑物垂直取水构筑物 潜水完整井 潜水非完整井 承压水完整井 承压水非完整井垂直取水构筑物地下水取水构筑物的基本类型地下水取水构筑物的基本类型第第2节节 地地下水流向井的稳定流动下水流向井的稳定流
10、动水平取水构筑物水平取水构筑物水平取水构筑物 渗水管 渗渠RHyxrshPPx,y地下水流向潜水完整井的计算公式地下水流向潜水完整井的计算公式裘布依公式裘布依公式裘布依稳定流理论潜水井裘布依稳定流理论潜水井 在潜水完整井中长时间抽水后,井中动水位和出水量均达到稳定状态,并在井周围形成稳定降水漏斗。H潜水层厚度。R降水漏斗半径,即影响半径。s井中水位下降值。h抽水稳定后,井中水位。r井半径。Px,y降水漏斗面上任一观测点。裘布依公式推导假设简化条件裘布依公式推导假设简化条件 抽水前,含水层天然水力坡度为零。含水层为各向同性的均质体。含水层底板为隔水层。影响半径范围内,无渗入、无蒸发,各过水断面上
11、流量不变。影响半径范围外,流量为零。影响半径圆周上为定水头。井内及其附近为二维流,即井内不同深度的水头降均相同。井附近的水力坡度不大于1/4。为了简化问题,抽水时,采用流线倾角为了简化问题,抽水时,采用流线倾角的正切代替正弦,的正切代替正弦,tgsin,150。a实际流线。实际流线。b简化流线。简化流线。RHyxrshPPx,y裘布依公式推导裘布依公式推导 基于达西定律Q=ki,推导裘布依公式。由于渗透系数k对于各向同性均质体是一个定常数,因而公式推导关键在于如何确定水头i和过水断面积。过水断面实际为一系列弯曲程度不同的曲面,但是根据井附近的水力坡度不大于1/4的假设,可以认为过水断面为一系列
12、垂直于含水层底板的圆柱面。=2xy。i=dy/dx。RHyxrshPPx,yxyyx0RHyxrshPPx,yxydxdykkiQ2kydyxdxQ22RHrhdxQK y dyx222222223.141.36lnlnln2.3lglgK HhK HhK HhHhQKRRRRrrrr21.36lgH s sQKRr边界条件y:hHx:rRh=H-s 222222223.1 41.3 6l nl nl n 2.3 l gl gK H hK H h K H hH hQKRRRRrrrr21.36lgH s sQKRr裘布依公式裘布依公式的应用 计算含水层的渗透系数K。Q、H、R、s、r由抽水试验
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