水文地質(zhì)學(xué)之地下水運(yùn)動的基本規(guī)律簡明

水文地質(zhì)學(xué)第五講地下水運(yùn)動的基本規(guī)律2023/5/172OUTLINE與地下水運(yùn)動有關(guān)的幾個基本概念重力水運(yùn)動的基本規(guī)律Darcy試驗與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)動規(guī)律本章的核心問題地下水是如何運(yùn)動的？你想象一下，是怎樣一個狀況？如何去認(rèn)識地下水的運(yùn)動？如何刻畫地下水的運(yùn)動？在實(shí)際工程應(yīng)用中，如何運(yùn)用地下水運(yùn)動的規(guī)律？2023/5/174幾個基本概念地下水在巖石空隙中的運(yùn)動稱為滲流，或者滲透。滲流比地表水的運(yùn)動緩慢得多。層流與紊流：在巖石空隙中滲流時，水的質(zhì)點(diǎn)作有序的、互不混雜的流動，稱作層流運(yùn)動。在巖石空隙中滲流時，水的質(zhì)點(diǎn)無序地、互相混雜的流動，稱作紊流運(yùn)動。穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流：水在滲流場中運(yùn)動時，各個運(yùn)動要素（水位、流速、流向等）不隨時間而改變的滲流，稱作穩(wěn)定流；運(yùn)動要素隨時間而變化的滲流稱作非穩(wěn)定流。2023/5/175重力水運(yùn)動的基本規(guī)律1856年法國水力學(xué)家達(dá)西通過大量的試驗，總結(jié)得出重力水運(yùn)動的線性滲透規(guī)律。達(dá)西試驗：在裝有砂的圓筒中進(jìn)行；圓筒上下各設(shè)置一個測壓管；采取溢流措施來控制常水頭；達(dá)西定律試驗2023/5/177達(dá)西定律——重力水運(yùn)動的基本規(guī)律根據(jù)大量的試驗，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。2023/5/178達(dá)西定律要素分析：滲透流速（v）達(dá)西公式中的過水?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)水流通過巖石整個斷面時所具有的虛擬流速。與真實(shí)流速u有如下關(guān)系：2023/5/179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)滲透途徑長度的比值。強(qiáng)調(diào)水頭損失（水頭差）與滲透途徑（長度）的相對應(yīng)。水頭梯度可以理解為水流通過單位長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的驅(qū)動力。為什么會有水頭損失？A:地下水在巖石空隙中運(yùn)動時，必須克服水與隙壁之間，以及流動快慢不一的水質(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。2023/5/1710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，水力梯度為無因次的，因此滲透系數(shù)可以定義為水力梯度等于1時的滲透流速。滲透系數(shù)與滲透的液體有關(guān)嗎？

地下水運(yùn)動時，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，把滲透系數(shù)看作單純是說明巖石滲透性能的參數(shù)。2023/5/1711達(dá)西定律并不適用于所有層流運(yùn)動的地下水。而是指適用于雷諾數(shù)小于1~10之間某一數(shù)值的層流運(yùn)動，當(dāng)超過此范圍，滲透流速v與水力梯度

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之間不再是線性關(guān)系。值得慶幸的是，絕大多數(shù)情況下地下水運(yùn)動都非常緩慢，都服從達(dá)西定律。達(dá)西定律是水文地質(zhì)定量計算的基礎(chǔ)，也是定性分析各種水文地質(zhì)過程的依據(jù)。需要深刻理解，靈活運(yùn)用。達(dá)西定律要素分析：滲透系數(shù)（K）Darcy定律的應(yīng)用

軟土的排水固結(jié)問題軟土，正如其名稱所示，是工程力學(xué)性能很弱（差）的土，包括飽和粘土和飽和粉質(zhì)粘土（液性指數(shù)大于1.0，孔隙比大于1.0）。軟土作為建筑物或構(gòu)筑物的地基，其承載力低，變形大，因此必須事先進(jìn)行加固或處理（地基處理）。軟土地基加固的最常用方法，就是排水固結(jié)法，包括荷載系統(tǒng)和排水系統(tǒng)兩部分。這是地基處理中最具有理論和技術(shù)含量的方法。其核心除了土力學(xué)中土的強(qiáng)度理論外，就是深刻理解軟土的滲透特性和滲透規(guī)律。這就是土力學(xué)中的固結(jié)理論。2023/5/1712VerticalConsolidationDrains(wickdrains)基坑降水2023/5/1715流網(wǎng)幾個問題：水頭是什么？等水頭線怎么來的？能否在滲流場中作出等水頭面？流線與跡線流線是滲流場中某一時刻的一條線，線上各水質(zhì)點(diǎn)在此時刻的瞬時流向均與此線相切。因此沒有水質(zhì)點(diǎn)穿過流面（線）。跡線是滲流場中某一時間段內(nèi)某一水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。在穩(wěn)定流條件下流線與跡線重合。流網(wǎng)：在滲流場的某一典型剖面上，由一系列等水頭線與流線相交組成的網(wǎng)格稱為流網(wǎng)。2023/5/1716均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)均質(zhì)與非均質(zhì)介質(zhì)：均質(zhì)介質(zhì)：在空間中任何位置，介質(zhì)的性質(zhì)都相同的介質(zhì)（往往相對應(yīng)某一個物理量）。非均質(zhì)介質(zhì)：在空間中至少可選出兩個位置，介質(zhì)的性質(zhì)或某一特定性質(zhì)不相同的介質(zhì)。各向同性與各向異性介質(zhì)：各向同性介質(zhì)：指介質(zhì)的物理量不具有方向性，在各個方向上均相同（往往相對應(yīng)某一個物理量）。各向異性介質(zhì)：指介質(zhì)的物理量或某一特定物理量至少在兩個方向上不相等。均質(zhì)各向同性介質(zhì)，這里即指其中的滲流在任何位置和沿任何方向受到的阻力都是相同的。2023/5/1717均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)（2）地下水必定是沿水頭變化最大的方向流動，即垂直于等水位線的方向。則流線與等水位線垂直，流網(wǎng)為正交網(wǎng)格。作流網(wǎng)的方法：根據(jù)邊界條件繪制易于確定的等水頭線和流線。圖4-3。定水頭邊界，如地表水體的斷面一般可以看作是等水頭線隔水邊界為零通量的面，因此平行隔水邊界可繪出流線地下水面邊界，當(dāng)無降水補(bǔ)給、蒸發(fā)排泄，而有側(cè)向補(bǔ)給作穩(wěn)定滲流時，可看作流線？！。而有垂直補(bǔ)給或排泄時，既非流線，亦非等水位線。流線總是由補(bǔ)給區(qū)指向排泄區(qū)，依此確定流線的趨勢；當(dāng)滲流場中不止一個補(bǔ)給區(qū)或排泄區(qū)時，首先應(yīng)確定分流線。再根據(jù)流線與等水位線正交的原則，在已知流線和等水位線基礎(chǔ)上，插補(bǔ)其余的部分。2023/5/1718均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)（3）如果規(guī)定相鄰兩條流線之間的流量相等，則流線的疏密可表征滲流的強(qiáng)弱。越密，徑流越強(qiáng)。等水頭線的疏密代表水力梯度的大小。以河間地塊流網(wǎng)圖，圖4-4：說明示意流網(wǎng)的繪制方法。說明流網(wǎng)在實(shí)際工作中的應(yīng)用。2023/5/1719層狀非均質(zhì)介質(zhì)中的流網(wǎng)層狀非均質(zhì)介質(zhì)是指每一層介質(zhì)是均質(zhì)各向同性的，但不同層的滲透性不同的介質(zhì)。圖4-5a：上下兩層組成的層狀非均質(zhì)介質(zhì)中的流網(wǎng)；圖4-5b：前后兩層組成的層狀非均質(zhì)介質(zhì)中的流網(wǎng)。圖4-6：流線與巖層界面既不垂直，也不平行。則流線穿越界面時服從折射定律：2023/5/1720例子熊一，聽圖4-7。例子隊二，雁含水界層中騾存在驕強(qiáng)/弱透悟水性強(qiáng)的透余鏡體繪的情扇況，荒圖4-瘡8。202噸3/5撇/32120詠23吵/5蔥/322飽和散軟粘拐土中戴水的灰運(yùn)動蓮規(guī)律根據(jù)目病前已有頃的試驗勇結(jié)果，椒粘性土剛滲透流帖速與水爹力梯度核之間有昂如下三足種關(guān)系素：通過絞原點(diǎn)坡的直串線，皇服從控達(dá)西途定律踩；不通爸過原效點(diǎn)，木只有膏水力因梯度另大于蜓某一耍值后銳才開掌始滲酷流，擔(dān)開始狠階段戲為向I軸凸出傳的曲線騰，然后蓋轉(zhuǎn)為直姐線通過靠原點(diǎn)紡，I較小時陸為向I軸凸界出的獵曲線途，I大時鄰變?yōu)橄ブ本€宋。在實(shí)亞際實(shí)肝驗中光，也腐可能嗎得到販其他揮類型飽的試塘驗曲忙線。202托3/5魔/323飽和軟散粘土中御水的運(yùn)榆動規(guī)律對于削圖4-衡9c的解釋萬（張忠穗胤）：K趨于宿定值敬前的昨滲流聰稱為區(qū)隱滲宜流；肅之后謙的滲勢流為精顯滲耗流。由于結(jié)藍(lán)合水的西抗剪強(qiáng)姿度隨著盈離顆粒劇表面的漸距離的栗增大而頑降低，算因此當(dāng)新施加的幟水力梯趕度較小爹時，只腥有孔隙究中心抗鄭剪強(qiáng)度福小的那虜部分結(jié)吹合水發(fā)擋生運(yùn)動搭；隨著I的增大嶺，參與夸滲流運(yùn)絲式動的結(jié)蜓合水厚催度加大見，即水辜流動的躬有效孔媽隙面積際擴(kuò)大，尊隱滲流掘階段的K是I的函數(shù)舒。由于內(nèi)汽層結(jié)合闖水的抗倘剪強(qiáng)度贏隨著靠謎近顆粒蜜表面而味迅速增劫大，當(dāng)I進(jìn)一步蓄增大時蕩，參與市運(yùn)動的恭結(jié)合水獸厚度將盯不再有座明顯擴(kuò)視大。此鬼時，K趨于定逗值。20稅23正/5樂/324復(fù)習(xí)頂思考襖題牢記達(dá)牧西定律糠及達(dá)西尺定律表政達(dá)式掌握界滲透御流速淹、水晝力梯倡度、李滲透盈系數(shù)疏的涵密義流線仔、流運(yùn)網(wǎng)的罷概念注，掌憤握流古網(wǎng)繪程制的棉基本泊步驟物，了霉解邊毯界條劣件在際流網(wǎng)狠繪制呼中的給意義戲和應(yīng)華用。掌握點(diǎn)飽和痕粘性梯土中記的水同的運(yùn)幸動規(guī)錯律（繭圖4-9腫c），房誠熟悉飽張忠招胤的四觀點(diǎn)笛。A猶Qu厲iz為什么疊說“一缸個地區(qū)揚(yáng)水資源枝的豐富勁程度主餃要取決欄于當(dāng)?shù)厣そ邓坷醯亩喙鸭摇?？結(jié)合水質(zhì)有什么航特點(diǎn)（縫