1、2023-2-32OUTLINE 与地下水运动有关的几个基本概念 重力水运动的基本规律 Darcy试验与Darcy定律 渗透、渗透速度及渗透系数的概念 流网 流网的基本概念与绘制原则 流网的用途 饱和粘性土中水的运动规律本章的核心问题 地下水是如何运动的？你想象一下，是怎样一个状况？如何去认识地下水的运动？如何刻画地下水的运动？在实际工程应用中，如何运用地下水运动的规律？2023-2-34几个基本概念 地下水在岩石空隙中的运动称为渗流渗流，或者渗透。渗流比地表水的运动缓慢得多。层流与紊流：在岩石空隙中渗流时，水的质点作有序的、互不混杂的流动，称作层流运动层流运动。在岩石空隙中渗流时，水的质点无
2、序地、互相混杂的流动，称作紊流运动紊流运动。稳定流与非稳定流：水在渗流场中运动时，各个运动要素（水位、流速、流向等）不随时间而改变的渗流，称作稳定流稳定流；运动要素随时间而变化的渗流称作非稳定流非稳定流。2023-2-35重力水运动的基本规律 1856年法国水力学家达西通过大量的试验，总结得出重力水运动的线性渗透规律。达西试验：在装有砂的圆筒中进行；圆筒上下各设置一个测压管；采取溢流措施来控制常水头；达西定律试验2023-2-37达西定律重力水运动的基本规律根据大量的试验，得到如下关系式：ikLhkQ上式即为达西公式，等式两边除以面积，得另一个表达式：达西定律可表述为：地下水的渗透流速与水力梯
3、度的一地下水的渗透流速与水力梯度的一次方成正比。次方成正比。故又称作线性渗透定律。故又称作线性渗透定律。ikv2023-2-38达西定律要素分析：渗透流速（v）达西公式中的过水断面是指砂柱的横断面积，其中包括颗粒所占面积和空隙所占面积；而水流通过的实际断面是扣除结合水所占面积的空隙面积。二者有如下关系：en上式中的有效空隙度是指重力水流动的空隙体积（不包括结合水所占体积）与岩石体积（包括空隙体积）之比，因此小于岩石的空隙度，但大于给水度。特别是对粘性土尤其如此。渗透流速渗透流速 v 不是真实流速，而是假设水流通过岩石整个断面时所具有的不是真实流速，而是假设水流通过岩石整个断面时所具有的虚拟流速
4、虚拟流速。与真实流速u有如下关系：unve2023-2-39达西定律要素分析：水力梯度（i）水力梯度（i）定义为沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度的比值。强调水头损失（水头差）与渗透途径（长度）的相对应。水头梯度可以理解为水流通过单位长度渗透途径为克服阻力而消耗的机械能；也可从另一角度，理解为克服阻力使水能以一定速度流动的驱动力。为什么会有水头损失？A:地下水在岩石空隙中运动时，必须克服水与隙壁之间，以及流动快慢不一的水质点之间的摩擦力，从而消耗机械能，造成水头（能量）损失。Lhi2023-2-310达西定律要素分析：渗透系数（K）渗透系数可以定量地描述岩石的渗透性能，渗透系数越大，则岩石的
5、透水能力越强。从达西公式可知，水力梯度为无因次的，因此渗透系数可以定义为水力梯度等于1时的渗透流速。渗透系数与渗透的液体有关吗？地下水运动时，须克服水与隙壁之间及水质点之间的摩擦力，因此渗透系数不仅与岩石空隙性质有关，而且与渗透的液体某些性质，如黏度有关。一般情况下，水的物理性质变化不大，在研究地下水时，把渗透系数看作单纯是说明岩石渗透性能的参数。2023-2-311 达西定律并不适用于所有层流运动的地下水。而是指适用于雷诺数小于 110 之间某一数值的层流运动，当超过此范围，渗透流速 v 与水力梯度 i 之间不再是线性关系。值得庆幸的是，绝大多数情况下地下水运动都非常缓慢，都服从达西定律。达
6、西定律是水文地质定量计算的基础，也是定性分析各种水文地质过程的依据。需要深刻理解，灵活运用。达西定律要素分析：渗透系数（K）Darcy定律的应用软土的排水固结问题软土的排水固结问题 软土，正如其名称所示，是工程力学性能很弱（差）的土，包括饱和粘土和饱和粉质粘土（液性指数大于1.0，孔隙比大于1.0）。软土作为建筑物或构筑物的地基，其承载力低，变形大，因此必须事先进行加固或处理（地基处理）。软土地基加固的最常用方法，就是排水固结法，包括荷载系统和排水系统两部分。这是地基处理中最具有理论和技术含量的方法。其核心除了土力学中土的强度理论外，就是深刻理解软土的渗透特性和渗透规律。这就是土力学中的固结理
7、论。2023-2-312FILL(Draining)SETTLEMENTdeCOMPRESSIBLESOFT CLAYDRAINING LA YERHVertical Consolidation Drains(wick drains)基坑降水2023-2-315流 网 几个问题：水头是什么？等水头线怎么来的？能否在渗流场中作出等水头面？流线与迹线 流线是渗流场中某一时刻的一条线，线上各水质点在此时刻的瞬时流向均与此线相切。因此没有水质点穿过流面（线）。迹线是渗流场中某一时间段内某一水质点的运动轨迹。在稳定流条件下流线与迹线重合。流网：在渗流场的某一典型剖面上，由一系列等水头线与流线相交组成的网
8、格称为流网。2023-2-316均质各向同性介质中的流网 均质与非均质介质：均质介质：在空间中任何位置，介质的性质都相同的介质（往往相对应某一个物理量）。非均质介质：在空间中至少可选出两个位置，介质的性质或某一特定性质不相同的介质。各向同性与各向异性介质：各向同性介质：指介质的物理量不具有方向性，在各个方向上均相同（往往相对应某一个物理量）。各向异性介质：指介质的物理量或某一特定物理量至少在两个方向上不相等。均质各向同性介质，这里即指其中的渗流在任何位置和沿任何方向受到的阻力都是相同的。2023-2-317均质各向同性介质中的流网（2）地下水必定是沿水头变化最大的方向流动，即垂直于等水位线的方
9、向。则流线与等水位线垂直，流网为正交网格。作流网的方法：根据边界条件绘制易于确定的等水头线和流线。图4-3。定水头边界，如地表水体的断面一般可以看作是等水头线 隔水边界为零通量的面，因此平行隔水边界可绘出流线 地下水面边界，当无降水补给、蒸发排泄，而有侧向补给作稳定渗流时，可看作流线？！。而有垂直补给或排泄时，既非流线，亦非等水位线。流线总是由补给区指向排泄区，依此确定流线的趋势；当渗流场中不止一个补给区或排泄区时，首先应确定分流线。再根据流线与等水位线正交的原则，在已知流线和等水位线基础上，插补其余的部分。2023-2-318均质各向同性介质中的流网（3）如果规定相邻两条流线之间的流量相等，
10、则流线的疏密可表征渗流的强弱。越密，径流越强。等水头线的疏密代表水力梯度的大小。以河间地块流网图，图4-4：说明示意流网的绘制方法。说明流网在实际工作中的应用。2023-2-319层状非均质介质中的流网层状非均质介质是指每一层介质是均质各向同性的，但不同层的渗透性不同的介质。图4-5a：上下两层组成的层状非均质介质中的流网；图4-5b：前后两层组成的层状非均质介质中的流网。图4-6：流线与岩层界面既不垂直，也不平行。则流线穿越界面时服从折射定律：2023-2-3202121tantankk例子一，图4-7。例子二，含水层中存在强/弱透水性的透镜体的情况，图4-8。2023-2-3212023-
11、2-322饱和软粘土中水的运动规律根据目前已有的试验结果，粘性土渗透流速与水力梯度之间有如下三种关系：通过原点的直线，服从达西定律；不通过原点，只有水力梯度大于某一值后才开始渗流，开始阶段为向I轴凸出的曲线，然后转为直线通过原点，I 较小时为向 I 轴凸出的曲线，I 大时变为直线。在实际实验中，也可能得到其他类型的试验曲线。2023-2-323饱和软粘土中水的运动规律对于图4-9c的解释（张忠胤）：K 趋于定值前的渗流称为隐渗流；之后的渗流为显渗流。由于结合水的抗剪强度随着离颗粒表面的距离的增大而降低，因此当施加的水力梯度较小时，只有孔隙中心抗剪强度小的那部分结合水发生运动；随着I的增大，参与
12、渗流运动的结合水厚度加大，即水流动的有效孔隙面积扩大，隐渗流阶段的 K 是 I 的函数。由于内层结合水的抗剪强度随着靠近颗粒表面而迅速增大，当 I 进一步增大时，参与运动的结合水厚度将不再有明显扩大。此时，K 趋于定值。2023-2-324复习思考题复习思考题 牢记达西定律及达西定律表达式 掌握渗透流速、水力梯度、渗透系数的涵义 流线、流网的概念，掌握流网绘制的基本步骤，了解边界条件在流网绘制中的意义和应用。掌握饱和粘性土中的水的运动规律（图4-9c），熟悉张忠胤的观点。A Quiz 为什么说“一个地区水资源的丰富程度主要取决于当地降水量的多寡”？结合水有什么特点（与重力水比较）？为什么只根据等测压线图无法判断承压水与其他水体之间的补排关系？从储水与释水的角度，潜水与承压水含水层的机制有什么不同？2023-2-3252023-2-326Any questions?
