ch4-地下水的运动课件.ppt
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- ch4 地下水 运动 课件
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1、供水水文地质供水水文地质第四章 地下水的运动(重点)地下水的运动就是地下水在岩层空隙中流动过程的特征和规律。研究地下水运动特征和规律是水文地质学的重要内容。重点:地下水流向完整井稳定流运动,地下水流向井无越流非稳定流运动,水文地质参数确定。4.1 地下水运动特征及其基本规律一、地下水运动的特点(一)曲折复杂的水流通道研究方法研究方法:用假想水流(充满含水层全部空隙和岩石颗粒所占空间)来代替真正水流(仅在岩石空隙中流动的水流)用假想水流代替真正水流的条件用假想水流代替真正水流的条件:1.假想水流通过任意断面的流量必须等于真正水流通过同一断面的流量。2.假想水流在任意断面的水头必须等于真正水流在同
2、一断面的水头。3.假想水流通过岩石所受到的阻力必须等于真正水流所受到的阻力。(二)流速慢(m/d)也称渗透水流。过水断面:渗透水流通过的含水层横断面称为。(三)流态:层流和紊流 层流:地下水在岩层空隙中流动时,水质点有秩序地呈相互平行而不混杂的运动;紊流:水质点相互混杂而无秩序的运动。大多数都呈层流运动。只有当地下水流通过漂石、卵石的特大孔隙或岩石的大裂隙及可溶岩的大溶洞时,才会出现紊流状态。另外,取水构筑物附近由于过水断面减小使地下水流速增加很大,常成为紊流区。层流的临界Re为150300,天然地下水多处于层流状态)(地下水的运动粘滞系数孔隙直径;地下水实际流速(d/m:);m(:d)d/m
3、:Re2uud(四)稳定流、非稳定流运动、缓变流运动稳定流运动 在渗流场内各运动要素(流速、流量、水位)不随时间变化的地下水运动,称为稳定流非稳定流运动 运动要素随时间改变的地下水运动,称之为非稳定流缓变流 流线弯曲很小、近似直线,相邻流线之间夹角很小、近似于平行。缓变流动中,地下水的各过水断面可当作一个直面,缓变流动中,地下水的各过水断面可当作一个直面,同一过水断同一过水断面上各点的水头亦可当作是相等的。面上各点的水头亦可当作是相等的。这样假设的结果就可把本来这样假设的结果就可把本来属于空间流动(或叫三维流运动)的地下水流,简化成为平面流属于空间流动(或叫三维流运动)的地下水流,简化成为平面
4、流(或叫二维流运动),这样假设会使计算简单化。(或叫二维流运动),这样假设会使计算简单化。二、地下水运动的基本规律(一)线性渗透定律(Darcy定律)实际流速u=v/n即uv(渗透速度)由于水力坡度i是变化的,Darcy定理常用下式表示:Darcy定律得适用范围过去一直以为Darcy定律是地下水层流运动的基本定律,其实1Re10时地下水运动才服从Darcy定律自然界中地下水运动速度都很小,Re10,紊流:如地下水在大空隙、大裂隙、大溶洞及取水建筑物附近的运动 哲才公式:或 思姆莱公式:m的取值范围为12。m=1,Darcy公式;m=2,哲才公式iKv m1iKv4.2 地下水向井的稳定运动一、
5、地下水取水构筑物的基本类型 提取地下水的工程设施称为取水构筑物(一)垂直取水构筑物(井):设置方向大致与地表相垂直。潜水井1 潜水完整井:凿井至潜水含水层底板(隔水层),水流从井的四周流入井内。2 潜水非完整井:凿井未到含水层底板,地下水可以从井底及井的四周进入井内。承压水井:3 承压水完整井 凿穿承压含水层的顶板,并穿透整个含水层到隔水底板,水流从四周流入井内。4 承压水非完整井 凿穿承压含水层的顶板后仅穿透一部分含水层,地下水可从井的四周及井底进入井内。(二)水平取水构筑物(渗水管、渗渠等):设置方向大致与地表相平行,地下水从一侧或两侧进入构筑物内 潜水完整井稳定流计算公式(Dupuit)
6、的推导假设条件:1.天然i=0,抽水时井附近的i小于1/4,计算i时可用流线的正切代替正弦;2.缓变流,这样各弯曲的过水断面可近似用直面代替,如BB用BB代替。且同一过水断面上各点的水头可认为是相等的。2.含水层均质各向同性,含水层底板隔水。3.抽水时影响半径范围内无渗入、无蒸发,每个过水断面上流量不变;影响半径之外流量为零;影响半径的周围上为定水头边界。4.抽水井内及附近都是二维流,即:抽水井内不同深度处的水头降低是相同的。二、地下水流向潜水完整井的稳定流运动降落漏斗r:抽水井半径R:影响半径s:水位降深QH:含水层厚度h:井内动水位至含水层底板距离Q:抽水量公式推导:(以Darcy为基础,
7、Q=Ki)K:由于假设含水层均质各向同性,所以K为常数 i:由于i0.3M)式中:=L/M L:过滤器有效进水长度 A=f()RMA)rM(KMs.Q4lg4lg221732 Muskat公式的应用范围a、从图4-14可知当=1时,A=0,Muskat公式变为Dupuit公式b、当很小时,A很大,Muskat公式变为即和半径为4M的承压完整井的流量一样,但不合理,Muskat公式不适用实际情况证明,Muskat公式适用的范围为:L/r5及r/M0.01MRKMs.RMKMs.Q4lg7324lg73204lg2 ArM2 其它计算公式a、适用范围:M150r及L/M0.1b、适用范围:过滤器在
8、含水层底部或顶部 rM.LM-LrRKMs.Q121lglg732)rM.(LM-LrRKMs.Q201lglg732(二)潜水非完整井(圆形补给条件)根据潜水非完整井的流线,可以用通过过滤器中部的平面把水流区分为上下两段:上段为潜水完整井,下段为承压水非完整井潜水完整井的流量:承压非完整井的流量(L/20.3M)总流量rRsLsKrRssL.sKQlg)(36.1lg)502(36.11RMArMsKMQ00024lg4lg22173.2RMArMMrRsLKs.QQQ000214lg4lg2212lg3610022MLLsHM式中其它公式rh.L-LhrR-hHKQ201lglg)(36.
9、12210150.L/hrh;rh.L-LhrR-hHKQ121lglg)(36.122适用范围:潜水含水层在自然情况下和抽水试验时的厚度平均值(m)适用范围:过滤器位于含水层的顶部或底部。(1)(2)h(三)直线边界附近的完整井河流边界的抽水井,如果井距河边的距离b0.3Mb、适用于:M150r;L0.1Mc、适用于:过滤器位于含水层的顶部或底部,抽水井直径不受限制 其中:=L/M A=f()201lg(lg3660KrM.LLMrRMsQ.rM.LLMrRMsQ121lglg366.0KRMArMMsQ4lg)4lg2(1366.0KMsrR-Q.K)lglg(3660(3)潜水完整井 (
10、4)潜水非完整井 a、适用于:L/20.3M0b、适用于:c、适用于:过滤器位于含水层的顶部或底部10150.hL/rh;RMArMMrRsLQ.K0004lg4lg2212lg7330rh.L-LhrR-hHQ.K121lglg733022222)lglg(7330)lglg(7330或)2()lglg(7330hrR-Q.-hHrR-Q.KsH-srR-Q.Krh.L-LhrR-hHQ.K201lglg733022(5)实例某地区有一承压完整井,井半径r=0.21m,过滤器长度L=35.82m;含水层为砂卵石,厚度M=36.42m;影响半径R=300m,抽水试验结果为:s1=1.00m Q
11、1=4500m3/d;s2=1.75m Q2=7850m3/d;s3=2.50m Q3=11250m3/d;求K?由于Q-s关系呈直线,属完整井直接采用公式计算 m/d65142)lglg(3660.MsrR-Q.K 2.当当Qs(或或h2)为曲线关系为曲线关系(h2=H2-h2)在抽水井附近为三维紊流,不符合裘布依的基本假定条件,因此不能直接利用稳定流运动公式计算,需采用消除阻力法(截距法)u(1)承压水:绘制s/QQ关系曲线;如果曲线为直线,求出截距a;用1/a代替承压水井稳定流计算公式中的Q/s。A、承压水完整井 B、承压水非完整井a、适用于:M150r;L0.1Mb、适用于:过滤器位于
12、含水层的顶部或底部,抽水井直径不受限制rM.LLMrRaM.K201lglg13660rM.LLMrRaM.K121lglg13660aMrR-.Klglg3660Qs/Qau(2)潜水:绘制h2/QQ关系曲线;如果曲线为直线,求出截距a;用1/a代替潜水井稳定流计算公式中的Q/(H2-h2)。A、潜水完整井 B、潜水非完整井a、适用于:b、适用于:过滤器位于含水层的顶部或底部其中:H:自然条件下潜水含水层的厚度 h:抽水时潜水含水层的厚度0.1150hL/rh;arR-.Klglg7730rh.L-LhrRa.K121lglg7330rh.L-LhrRa.K201lglg73302)(/Hh
13、hQh2/Qau(3)实例某一水源井,含水层为卵石层,上部被37m厚的粘土层覆盖,含水层平均厚度M=30m,井直径2r=380mm,过滤器长度L=23.05m,位于含水层顶部,影响半径R=700m,抽水试验结果为:s1=0.99m Q1=4173m3/d;s2=2.06m Q2=7465m3/d;s3=3.62m Q3=11146m3/d;求K?解:此井为承压水非完整井K=266m/d rM.LLMrRaM.K201lglg136601.03005.23;150019.030MLrM)2)()/lg(736.0lg)2)(36.1lg)(36.1lg)(36.1ln)(111111121212
14、211221ssHssrrQKrrssHssKQrrhhKQrrhhKrrhhKQ2.设一个观测孔潜水稳定流公式)2)()/lg(736.0lg)2)(36.1lg)(36.1lg)(36.1ln)(212112122121122221122122122122ssHssrrQKrrssHssKQrrhhKQrrhhKrrhhKQ3.设两个观测孔s)sHrRQKrRs)sHKQrRhKQrRhHKrRhHKQ2(/lg736.0lg2(36.1lg36.1lg)(36.1ln)(222221.无观测孔(二)单井稳定抽水设观测孔试验的计算渗透系数(二)单井稳定抽水设观测孔试验的计算渗透系数K1.设
15、一个观测孔)(/lg366.0lg)(73.2,lg)(73.2lg31.2)(28.6ln)(2)(2)ln(ln221111111111111111ssMrrQKrrssMKQhHshHsrrhhMKQrrhhKMrrhhKMQhhKMrrQdyKMxdxQxMdxdyKKiQhhrr令)(/lg366.0lg)(73.2,lg)(73.2lg31.2)(28.6ln)(2)(2)ln(ln2221121221221112121212121212122121ssMrrQKrrssMKQhHshHsrrhhMKQrrhhKMrrhhKMQhhKMrrQdyKMxdxQxMdxdyKKiQhh
16、rr令2.设两个观测孔)(/lg366.0lg)(73.2lg)(73.2ln)(211111111ssMrrQKrrssMKQrrhhMKrrhhKMQ)(/lg366.0lg)(73.2lg)(73.2ln)(22112122112121212ssMrrQKrrssMKQrrhhMKrrhhKMQMsrRQKrRMsKQrRhHMKrRhHKMQ)/lg(366.0lg73.2lg)(73.2ln)(22.设一个观测孔承压水稳定流公式3.设两个观测孔1.无观测孔(二)单井稳定抽水设观测孔试验的计算渗透系数(二)单井稳定抽水设观测孔试验的计算渗透系数K1.设一个观测孔)(/lg366.0lg
17、)(73.2,lg)(73.2lg31.2)(28.6ln)(2)(2)ln(ln221111111111111111ssMrrQKrrssMKQhHshHsrrhhMKQrrhhKMrrhhKMQhhKMrrQdyKMxdxQxMdxdyKKiQhhrr令)(/lg366.0lg)(73.2,lg)(73.2lg31.2)(28.6ln)(2)(2)ln(ln2221121221221112121212121212122121ssMrrQKrrssMKQhHshHsrrhhMKQrrhhKMrrhhKMQhhKMrrQdyKMxdxQxMdxdyKKiQhhrr令2.设两个观测孔(二)单井稳
18、定抽水设观测孔试验的计算渗透系数(二)单井稳定抽水设观测孔试验的计算渗透系数K 1.有一个观测孔 观测孔位置:距抽水井太近,易受三维紊流影响,K偏小;太远,易受边界条件影响,K偏大。最近孔距一般为含水层厚度的一倍,也不宜太远,以保证观测孔内有一定的水位下降值,并使水位下降值在 s(h2)lgr 曲线的直线段内。(1)承压水完整井(2)潜水完整井其中:sw-抽水井内水位下降值s1-观测孔内水位下降值rw-抽水井的半径r1-抽水井与观测孔德距离h-抽水井内含水层自底板算水头高h1-观测孔内含水层自底板算水头高wrrhhQK1212ln)-(wwrr)-sM(sQK11ln2 2.有两个观测孔(1)
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