地下水运动的基本规律
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2018/11/11 12
Vertical Consolidation Drains (wick drains)
de
FILL (Draining)
SETTLEMENT
COMPRESSIBLE SOFT CLAY
H
DRAINING LAYER
基坑降水
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？
水文地质学
第五讲
地下水运动的基本规律
OUTLINE
• 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
2018/11/11 2
本章的核心问题
• 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格称为流网。
2018/11/11
11
Darcy定律的应用 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 理论。
•
ne
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 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 虚拟流速。与真实流速u有如下关系：
•
v ne u
– 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；
2018/11/11
5
达西定律试验
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：
Q k
h k i L
• 上式即为达西公式，等式两边除以面积，得另一个表达式：
v k i
• 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； – 运动要素随时间而变化的渗流称作非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：
2018/11/11
15
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。
• 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？
几个基本概念
• 地下水在岩石空隙中的运动称为渗流，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。 – 在岩石空隙中渗流时，水的质点无序地、互相混杂的流动， 称作紊流运动。
2018/11/11 8
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？ h i • A:地下水在岩石空隙中运动时，必须克服水与隙壁之 L 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。
• 各向同性与各向异性介质：
• 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。
• 达西定律可表述为：地下水的渗透流速与水力梯度的一 次方成正比。故又称作线性渗透定律。
2018/11/11
7
达西定律要素分析：渗透流速（v）
• 达西公式中的过水断面ω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 ω’。二者有如下关系：
2018/11/11 10
达西定律要素分析：渗透系数（K）
• 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 1~10 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。
2018/11/11 9
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。
Vertical Consolidation Drains (wick drains)
de
FILL (Draining)
SETTLEMENT
COMPRESSIBLE SOFT CLAY
H
DRAINING LAYER
基坑降水
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？
水文地质学
第五讲
地下水运动的基本规律
OUTLINE
• 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
2018/11/11 2
本章的核心问题
• 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格称为流网。
2018/11/11
11
Darcy定律的应用 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 理论。
•
ne
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 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 虚拟流速。与真实流速u有如下关系：
•
v ne u
– 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；
2018/11/11
5
达西定律试验
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：
Q k
h k i L
• 上式即为达西公式，等式两边除以面积，得另一个表达式：
v k i
• 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； – 运动要素随时间而变化的渗流称作非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：
2018/11/11
15
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。
• 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？
几个基本概念
• 地下水在岩石空隙中的运动称为渗流，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。 – 在岩石空隙中渗流时，水的质点无序地、互相混杂的流动， 称作紊流运动。
2018/11/11 8
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？ h i • A:地下水在岩石空隙中运动时，必须克服水与隙壁之 L 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。
• 各向同性与各向异性介质：
• 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。
• 达西定律可表述为：地下水的渗透流速与水力梯度的一 次方成正比。故又称作线性渗透定律。
2018/11/11
7
达西定律要素分析：渗透流速（v）
• 达西公式中的过水断面ω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 ω’。二者有如下关系：
2018/11/11 10
达西定律要素分析：渗透系数（K）
• 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 1~10 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。
2018/11/11 9
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。