水文地質(zhì)學(xué)之地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律簡(jiǎn)明

水文地質(zhì)學(xué)第五講地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律2022/12/32OUTLINE與地下水運(yùn)動(dòng)有關(guān)的幾個(gè)基本概念重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律Darcy試驗(yàn)與Darcy定律滲透、滲透速度及滲透系數(shù)的概念流網(wǎng)流網(wǎng)的基本概念與繪制原則流網(wǎng)的用途飽和粘性土中水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律本章的核心問題地下水是如何運(yùn)動(dòng)的？你想象一下，是怎樣一個(gè)狀況？如何去認(rèn)識(shí)地下水的運(yùn)動(dòng)？如何刻畫地下水的運(yùn)動(dòng)？在實(shí)際工程應(yīng)用中，如何運(yùn)用地下水運(yùn)動(dòng)的規(guī)律？2022/12/34幾個(gè)基本概念地下水在巖石空隙中的運(yùn)動(dòng)稱為滲流，或者滲透。滲流比地表水的運(yùn)動(dòng)緩慢得多。層流與紊流：在巖石空隙中滲流時(shí)，水的質(zhì)點(diǎn)作有序的、互不混雜的流動(dòng)，稱作層流運(yùn)動(dòng)。在巖石空隙中滲流時(shí)，水的質(zhì)點(diǎn)無(wú)序地、互相混雜的流動(dòng)，稱作紊流運(yùn)動(dòng)。穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流：水在滲流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)運(yùn)動(dòng)要素（水位、流速、流向等）不隨時(shí)間而改變的滲流，稱作穩(wěn)定流；運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間而變化的滲流稱作非穩(wěn)定流。2022/12/35重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律1856年法國(guó)水力學(xué)家達(dá)西通過(guò)大量的試驗(yàn)，總結(jié)得出重力水運(yùn)動(dòng)的線性滲透規(guī)律。達(dá)西試驗(yàn)：在裝有砂的圓筒中進(jìn)行；圓筒上下各設(shè)置一個(gè)測(cè)壓管；采取溢流措施來(lái)控制常水頭；達(dá)西定律試驗(yàn)2022/12/37達(dá)西定律——重力水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律根據(jù)大量的試驗(yàn)，得到如下關(guān)系式：上式即為達(dá)西公式，等式兩邊除以面積，得另一個(gè)表達(dá)式：達(dá)西定律可表述為：地下水的滲透流速與水力梯度的一次方成正比。故又稱作線性滲透定律。2022/12/38達(dá)西定律要素分析：滲透流速（v）達(dá)西公式中的過(guò)水?dāng)嗝姒厥侵干爸臋M斷面積，其中包括顆粒所占面積和空隙所占面積；而水流通過(guò)的實(shí)際斷面是扣除結(jié)合水所占面積的空隙面積ω’。二者有如下關(guān)系：上式中的有效空隙度是指重力水流動(dòng)的空隙體積（不包括結(jié)合水所占體積）與巖石體積（包括空隙體積）之比，因此小于巖石的空隙度，但大于給水度。特別是對(duì)粘性土尤其如此。滲透流速v不是真實(shí)流速，而是假設(shè)水流通過(guò)巖石整個(gè)斷面時(shí)所具有的虛擬流速。與真實(shí)流速u有如下關(guān)系：2022/12/39達(dá)西定律要素分析：水力梯度（i）水力梯度（i）定義為沿滲透途徑水頭損失與相應(yīng)滲透途徑長(zhǎng)度的比值。強(qiáng)調(diào)水頭損失（水頭差）與滲透途徑（長(zhǎng)度）的相對(duì)應(yīng)。水頭梯度可以理解為水流通過(guò)單位長(zhǎng)度滲透途徑為克服阻力而消耗的機(jī)械能；也可從另一角度，理解為克服阻力使水能以一定速度流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。為什么會(huì)有水頭損失？A:地下水在巖石空隙中運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須克服水與隙壁之間，以及流動(dòng)快慢不一的水質(zhì)點(diǎn)之間的摩擦力，從而消耗機(jī)械能，造成水頭（能量）損失。2022/12/310達(dá)西定律要素分析：滲透系數(shù)（K）滲透系數(shù)可以定量地描述巖石的滲透性能，滲透系數(shù)越大，則巖石的透水能力越強(qiáng)。從達(dá)西公式可知，水力梯度為無(wú)因次的，因此滲透系數(shù)可以定義為水力梯度等于1時(shí)的滲透流速。滲透系數(shù)與滲透的液體有關(guān)嗎？

地下水運(yùn)動(dòng)時(shí)，須克服水與隙壁之間及水質(zhì)點(diǎn)之間的摩擦力，因此滲透系數(shù)不僅與巖石空隙性質(zhì)有關(guān)，而且與滲透的液體某些性質(zhì)，如黏度有關(guān)。一般情況下，水的物理性質(zhì)變化不大，在研究地下水時(shí)，把滲透系數(shù)看作單純是說(shuō)明巖石滲透性能的參數(shù)。2022/11/2611達(dá)西定律并不不適用于所有有層流運(yùn)動(dòng)的的地下水。而而是指適用于于雷諾數(shù)小于于1~10之間某一數(shù)值值的層流運(yùn)動(dòng)動(dòng)，當(dāng)超過(guò)此此范圍，滲透透流速v與水力梯度i之間不再是線線性關(guān)系。值得慶幸的是是，絕大多數(shù)數(shù)情況下地下下水運(yùn)動(dòng)都非非常緩慢，都都服從達(dá)西定定律。達(dá)西定律是水水文地質(zhì)定量量計(jì)算的基礎(chǔ)礎(chǔ)，也是定性性分析各種水水文地質(zhì)過(guò)程程的依據(jù)。需需要深刻理解解，靈活運(yùn)用用。達(dá)西定律要素素分析：滲透系數(shù)（K）Darcy定律的應(yīng)用軟土的排水固固結(jié)問題軟土，正如其其名稱所示，，是工程力學(xué)學(xué)性能很弱（（差）的土，，包括飽和粘粘土和飽和粉粉質(zhì)粘土（液液性指數(shù)大于于1.0，孔隙比大于于1.0）。軟土作為建筑筑物或構(gòu)筑物物的地基，其其承載力低，，變形大，因因此必須事先先進(jìn)行加固或或處理（地基基處理）。軟土地基加固固的最常用方方法，就是排排水固結(jié)法，，包括荷載系系統(tǒng)和排水系系統(tǒng)兩部分。。這是地基基處理中最具具有理論和技技術(shù)含量的方方法。其核心除了土土力學(xué)中土的的強(qiáng)度理論外外，就是深刻刻理解軟土的的滲透特性和和滲透規(guī)律。。這就是土力力學(xué)中的固結(jié)結(jié)理論。2022/11/2612VerticalConsolidationDrains(wickdrains)基坑降水2022/11/2615流網(wǎng)幾個(gè)問題：水頭是什么？？等水頭線怎么么來(lái)的？能否在滲流場(chǎng)場(chǎng)中作出等水水頭面？流線與跡線流線是滲流場(chǎng)場(chǎng)中某一時(shí)刻刻的一條線，，線上各水質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在此時(shí)刻刻的瞬時(shí)流向向均與此線相相切。因此沒有水質(zhì)質(zhì)點(diǎn)穿過(guò)流面面（線）。跡線是滲流場(chǎng)場(chǎng)中某一時(shí)間間段內(nèi)某一水水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)軌跡。在穩(wěn)定流條件件下流線與跡跡線重合。流網(wǎng)：在滲流流場(chǎng)的某一典典型剖面上，，由一系列等等水頭線與流流線相交組成成的網(wǎng)格稱為為流網(wǎng)。2022/11/2616均質(zhì)各向同性性介質(zhì)中的流流網(wǎng)均質(zhì)與非均質(zhì)質(zhì)介質(zhì)：均質(zhì)介質(zhì)：在空間中任任何位置，介介質(zhì)的性質(zhì)都都相同的介質(zhì)質(zhì)（往往相對(duì)對(duì)應(yīng)某一個(gè)物物理量）。非均質(zhì)介質(zhì)：在空間中至至少可選出兩兩個(gè)位置，介介質(zhì)的性質(zhì)或或某一特定性性質(zhì)不相同的的介質(zhì)。各向同性與各各向異性介質(zhì)質(zhì)：各向同性介質(zhì)質(zhì)：指介質(zhì)的物物理量不具有有方向性，在在各個(gè)方向上上均相同（往往往相對(duì)應(yīng)某某一個(gè)物理量量）。各向異性介質(zhì)質(zhì)：指介質(zhì)的物物理量或某一一特定物理量量至少在兩個(gè)個(gè)方向上不相相等。均質(zhì)各向同性性介質(zhì)，這里里即指其中的的滲流在任何何位置和沿任任何方向受到到的阻力都是是相同的。2022/11/2617均質(zhì)各向同性性介質(zhì)中的流流網(wǎng)（2）地下水必定是是沿水頭變化化最大的方向向流動(dòng)，即垂垂直于等水位位線的方向。。則流線與等等水位線垂直直，流網(wǎng)為正正交網(wǎng)格。作流網(wǎng)的方法法：根據(jù)邊界條件件繪制易于確確定的等水頭頭線和流線。。圖4-3。定水頭邊界，，如地表水體體的斷面一般般可以看作是是等水頭線隔水邊界為零零通量的面，，因此平行隔隔水邊界可繪繪出流線地下水面邊界界，當(dāng)無(wú)降水水補(bǔ)給、蒸發(fā)發(fā)排泄，而有有側(cè)向補(bǔ)給作作穩(wěn)定滲流時(shí)時(shí)，可看作流流線？！。而而有垂直補(bǔ)給給或排泄時(shí)，，既非流線，，亦非等水位位線。流線總是由補(bǔ)補(bǔ)給區(qū)指向排排泄區(qū)，依此此確定流線的的趨勢(shì)；當(dāng)滲滲流場(chǎng)中不止止一個(gè)補(bǔ)給區(qū)區(qū)或排泄區(qū)時(shí)時(shí)，首先應(yīng)確確定分流線。。再根據(jù)流線與與等水位線正正交的原則，，在已知流線線和等水位線線基礎(chǔ)上，插插補(bǔ)其余的部部分。2022/11/2618均質(zhì)各各向同同性介介質(zhì)中中的流流網(wǎng)（3）如果規(guī)規(guī)定相相鄰兩兩條流流線之之間的的流量量相等等，則則流線線的疏疏密可可表征征滲流流的強(qiáng)強(qiáng)弱。。越密密，徑徑流越越強(qiáng)。。等水水頭線線的疏疏密代代表水水力梯梯度的的大小小。以河間間地塊塊流網(wǎng)網(wǎng)圖，，圖4-4：說(shuō)明示示意流流網(wǎng)的的繪制制方法法。。說(shuō)明流流網(wǎng)在在實(shí)際際工作作中的的應(yīng)用用。2022/11/2619層狀非非均質(zhì)質(zhì)介質(zhì)質(zhì)中的的流網(wǎng)網(wǎng)層狀非非均質(zhì)質(zhì)介質(zhì)質(zhì)是指指每一一層介介質(zhì)是是均質(zhì)質(zhì)各向向同性性的，，但不不同層層的滲滲透性性不同同的介介質(zhì)。。圖4-5a：上下下兩層層組成成的層層狀非非均質(zhì)質(zhì)介質(zhì)質(zhì)中的的流網(wǎng)網(wǎng)；圖4-5b：前后后兩層層組成成的層層狀非非均質(zhì)質(zhì)介質(zhì)質(zhì)中的的流網(wǎng)網(wǎng)。圖4-6：流線線與巖巖層界界面既既不垂垂直，，也不不平行行。則則流線線穿越越界面面時(shí)服服從折折射定定律：：2022/11/2620例子一一，圖圖4-7。例子二二，含含水層層中存存在強(qiáng)強(qiáng)/弱透水水性的的透鏡鏡體的的情況況，圖圖4-8。2022/11/26212022/11/2622飽和和軟軟粘粘土土中中水水的的運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)規(guī)規(guī)律律根據(jù)據(jù)目目前前已已有有的的試試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)結(jié)果果，，粘粘性性土土滲滲透透流流速速與與水水力力梯梯度度之之間間有有如如下下三三種種關(guān)關(guān)系系：：通過(guò)過(guò)原原點(diǎn)點(diǎn)的的直直線線，，服服從從達(dá)達(dá)西西定定律律；；不通通過(guò)過(guò)原原點(diǎn)點(diǎn)，，只只有有水水力力梯梯度度大大于于某某一一值值后后才才開開始始滲滲流流，，開開始始階階段段為為向向I軸凸凸出出的的曲曲線線，，然然后后轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為為直直線線通過(guò)過(guò)原原點(diǎn)點(diǎn)，，I較小小時(shí)時(shí)為為向向I軸凸凸出出的的曲曲線線，，I大時(shí)時(shí)變變?yōu)闉橹敝本€線。。在實(shí)實(shí)際際實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)中中，，也也可可能能得得到到其其他他類類型型的的試試驗(yàn)驗(yàn)曲曲線線。。2022/11/2623飽和和軟軟粘粘土土中中水水的的運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)規(guī)規(guī)律律對(duì)于于圖圖4-9c的解解釋釋（（張張忠忠胤胤））：：K趨于于定定值值前前的的滲滲流流稱稱為為隱隱滲滲流流；；之之后后的的滲滲流流為為顯顯滲滲流流。。由于于結(jié)結(jié)合合水水的的抗抗剪剪強(qiáng)強(qiáng)度度隨隨著著離離顆顆粒粒表表面面的的距距離離的的增增大大而而降降低低，，因因此此當(dāng)當(dāng)施施加加的的水水力力梯梯度度較較小小時(shí)時(shí)，，只只有有孔孔隙隙中中心心抗抗剪剪強(qiáng)強(qiáng)度度小小的的那那部部分分結(jié)結(jié)合合水水發(fā)發(fā)生生運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)；；隨隨著著I的增增大大，，參參與與滲滲流流運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)的的結(jié)結(jié)合合水水厚厚度度加加大大，，即即水水流流動(dòng)動(dòng)的的有有效效孔孔隙隙面面積積擴(kuò)擴(kuò)大大，，隱隱滲滲流流階階段段的的K是I的函函數(shù)數(shù)。。由于于內(nèi)內(nèi)層層結(jié)結(jié)合合水水的的抗抗剪剪強(qiáng)強(qiáng)度度隨隨著著靠靠近近顆顆粒粒表表面面而而迅迅速速增增大大，，當(dāng)當(dāng)I進(jìn)一一步步增增大大時(shí)時(shí)，，參參與與運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)的的結(jié)結(jié)合合水水厚厚度度將將不不再再有有明明顯顯擴(kuò)擴(kuò)大大。。此此時(shí)時(shí)，，K趨于于定定值值。。2022/11/2624復(fù)習(xí)習(xí)思思考考題題牢記記達(dá)達(dá)西西定定律律及及達(dá)達(dá)西西定定律律表表達(dá)達(dá)式式掌握握滲滲透透流流速速、、水水力力梯梯度度、、滲滲透透系系數(shù)數(shù)的的涵涵義義流線線、、流流網(wǎng)網(wǎng)的的概概念念，，掌掌握握流流網(wǎng)網(wǎng)繪繪制制的的基基本本步步驟驟，，了了解解邊邊界界條條件件在在