5第五篇地下水运动的大体规律Word文档下载推荐.docx
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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
取得v=Q/A(对地下水也适用)
达西定律也能够另一种形式表达(流速):
由公式()及Q=VA得:
v=KI
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:
(单位一样为:
m3/d,L/s)
微分形式:
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):
或
,
K––––为渗透系数张量;
。
假设用标量表示,
的三个分量别离为:
2.渗透流速(V)(seepagevelocity,Darcyvelocity)与实际流速(u)
渗透流速––––水流通过整个过水断面(包括砂砾和孔隙)的流速。
水流实际流过的面积(扣除结合水)––––水流实际过水断面是扣除结合水所占范围之外的间隙面积An即:
An=Ane
ne为有效孔(空)隙度。
有效孔隙度(ne)––––为重力水流动的孔隙体积(不包括结合水占据的空间)与岩石体积之比。
(对重力水的运动有效)
关于有效孔隙度ne:
1)ne<
n;
2)一样重力释水时,间隙中有结合水、毛细水,因此<ne;
3)关于粘性土,间隙细小、结合水所占的比例大,因此ne很小,尽管n专门大;
4)关于间隙大的岩层(如大的溶隙、裂隙),ne≈≈n。
∵由于A不是实际过水断面,
∴V不是真实流速(假设水流通过骨架与间隙在内的流速),虚拟流速––––渗透流速。
令实际过水断面面积为An(孔隙面积),那么渗透流速V与实际流速u之间的关系为:
(
)(因ne为<
1的小数,故u>
v)
3.水力梯度(I)(hydraulicgradient)
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/dn
式中:
n为等水头面(线)的外法线方向,也是水头降低的方向。
水在岩石间隙中运动需要克服2个阻力:
4.渗透系数(coefficientofpermeability,hydraulicconductivity)与渗透率(k)
渗透系数––––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大,I小等水位线疏;
K小,I大等水位线密。
渗透系数可定量说明岩石的渗透性:
K大→渗透性强;
K小→渗透性弱。
一样,松散岩石,岩石颗粒愈粗,渗透系数K愈大。
测定:
a.室内土柱实验(达西实验);
b.野外抽水实验。
咱们引入渗透率k(permeability)表征岩层对不同流体的固有渗透性能(intrinsicpermeability),渗透率k仅仅取决于岩石的间隙性质,与渗流的液体性质无关。
渗透系数与渗透率的关系为:
K=k(ρg/μ)
ρ为液体密度;
g为重力加速度;
k为液体动力粘滞系数;
k的量纲为[L2],经常使用单位为达西或cm2。
5.适用范围
达西定律:
V=KI,V与I的一次方成正比→线性渗透定律。
适用于层流:
Re<
1~10。
雷诺数(Reynoldsnumber)一种可用来表征流体流动情况的无量纲数,以Re表示,Re=ρvd/η,其中v、ρ、η分别为流体的流速、密度与黏性系数,d为一特征长度。
例如流体流过圆形管道,则d为管道直径。
绝大多数地下水的运动都服从达西定律。
达西定律(小结):
1)水文地质定量计算的基础;
2)定性分析水文地质问题的依据;
3)深切把握其实质,灵活运用。
5.3流网
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––––渗流场中某一时段内,某一水质点的运动轨迹。
在稳固流条件下→流线与迹线重合。
流网––––在渗流场的某一断面上,由一系列等水头线与流线组成的网格。
流网的画法:
1.均质各向同性介质中的流网(稳固流)
均质各向同性介质中流线与等水头线组成正交网格。
水文地质边界:
a.定水头边界H(t)=c;
(一类边界)
b.隔水边界,零通量边界
;
(二类边界)
c.地下水面边界。
1)第一依照边界绘制:
a.等水位线平行于地表水体的湿周(图a);
b.等水位线垂直于隔水边界(图b);
地下水面:
c.无入渗补给及蒸发排泄,有侧向补给,稳固流动,地下水面是一条流线(图c);
d.有入渗补给时,地下水面既不是流线,也不是等水头线(图d)。
2)流线由源指向汇
依照补给区、排泄区判定流线的趋向(由补给区指向排泄区)。
从图可见:
1)分水岭处,流线从上指向下→水平→再向上(总的趋向:
流线由补给区指向排泄区);
2)在分水岭打井,井中水位随井深加大而降低;
河谷地带井水位随井深加大而举高;
3)由分水岭到河谷,流线加密,流量增大,地下径流增强;
4)由地表向深部,地下径流减弱;
5)河谷下方,地下水的矿化度最高。
2.层状非均质介质中的流网
1)两层介质,渗透系数K2>
K1,K2=3K1;
K2中流线密度为K1的3倍,因此,K2径流强,流量大,更多的流量通过渗透性好的介质。
2)两块介质:
a.K1中等水位(头)线密,距离数为K2的3倍;
K1中水力梯度大,K2中水力梯度小;
b.在渗透较差的K1中,消耗的机械能大,是K2的3倍。
3)流线与岩层界面斜交
流线发生折射,服从以下规律:
(证明见地下水动力学)
θ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→流线向其汇聚;
b.渗透性弱→流线绕流。
5.4饱水粘土中水的运动规律
依如实验,渗透流速V与水力梯度I要紧存在三种关系:
1)V—I为通过原点的直线,服从达西定律;
2)V—I不通过原点:
a.V=0,I<
Io;
b.V>
0,I>
3)V—I通过原点:
a.曲线,I<
b.直线,I>
Io––––称为起始水力梯度;
V—I直线部份可表示为:
V=K(I—Io)。
试探题
1.渗流?
2.渗流场?
3.层流运动?
4.紊流运动?
5.稳固流?
6.非稳固流?
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。
16.据地下水运动要素与时刻的关系,地下水运动分为和。
17.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。
19.渗透系数能够定量说明岩石的。
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,地下水必然沿着水头转变最大的方向,即垂直于的方向运动,因此,流线与等水头线组成。
22.流线老是由指向。
23.若是规定相邻两条流线之间通过的流量相等,那么流线的疏密能够反映,等水头线的疏密那么说明水力梯度的。
24.说明达西定律中各项物理意义?
25.渗流的驱动力是什么?
如何表征其大小?
26.地下水的质点流速、实际流速、渗透流速有何关系?
如何确信这些流速?
27.达西公式的应用条件是什么?
28.如何明白得达西定律表现了质量守恒和能量守恒原理?
29.图为河间地块剖面二维地下水稳固流动,两河水位相等、均匀稳固入渗。
试在剖面图上示意画出潜水水位线与流网,标明地下分水岭,并用达西定律简述理由;
以隔水底板为基准面,请依照你绘制得出的流网标出A点的测压水头H、位置水头z及压力水头h。
30.流网有何特性与用途?
各向同性介质与各向异性介质的流网有何异同?
31.需要在图所示条件下选择垃圾填埋场,试说明该垃圾场放在什么位置上对地下水的污染风险最小?
32.何为渗透流速?
渗透流速与实际流速的关系如何?
33.有效孔隙度与孔隙度、给水度有何关系?
34.阻碍渗透系数大小的因素有哪些?
如何阻碍?
35.简述绘制流网图的一样步骤?
36.流网图一样能够反映什么信息?
37.在层状非均质岩层中,流线与岩层界限以必然角度斜交时,发生折射,试写出折射定律,并说明各项的物理意义?
38.表达粘性土渗透流速(V)与水力梯度(I)要紧存在的三种关系?
39.表达流网的画法,和利用流网图可解决的问题?
40.在等厚的承压含水层中,实际过水断面面积为400平方米的流量为10000立方米/天,含水层的孔隙度为,试求含水层的实际水流速度和渗透速度。
41.一底板水平的含水层,观测孔A、B、C彼此相距1000米,A位于B的正南方,C那么在AB线的东面。
A、B、C的地面高程别离是95、ll0和135米,A中水位埋深为5米,B中和C中的水位埋深别离是30米和35米,试确信通过三角形ABC的地下水流的方向,并计算其水力梯度。
42.有三个地层,每一个25米厚,相互叠置,若是在那个层组中设置一个不变流速的垂向水流场,使其顶部h=120米,底部h=100米,试计算内部两个边界处的h值(设顶部地层的渗透系数为米/天,中部地层为米/天,底部地层为米/天)。
43.考虑一个饱和、均质、各向同性、长方形、垂向剖面ABCDA。
其上部边界为AB,底部边界为DC,左侧边界为AD,右边边界为BC,使DC的距离为AD的两倍。
BC和DC是不透水的。
AB是一个不变水头边界,h=100米。
AD被分为两个相等的长度,其上半部份为不透水,下半部份是不变水头边界,h=40米。
试示意绘出流网图。
44.已知一等厚、均质、各向同性的承压含水层,其渗透系数为15米/天,孔隙度为,沿着水流方向的两观测孔A、B间距L=1200米,其水位标高别离为Ha=米,Hb=3米。
试求地下水的渗透速度和实际速度。
45.已知一等厚、均质、各向同性的承压含水层,其渗透系数为20米/天,A、B两断面间距为5000米,两断面处的承压水头别离为米和米。
试计算两断面间的水力梯度和单宽流量。