1-1渗流基本概念

面上的平均流速，为假想的流速，并不代表真实水流速
度,量纲[L/T]。
实际上，地下水仅在空隙中流动，其实际平均流速 u 和渗透速度 v 之间有如下关系：
v nu
n 为孔隙度 图
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➢渗流水头
测压管
流速
水头
水头
水力学知识，H z p v2 (能量方程)
r 2g
由于地下水运动极缓，v较小，流速水头可忽略不
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➢重力水（gravitational water）
距离土粒固体表面更远的那部分水分子，重 力对它的影响大于固体表面对它的吸引力，能够 在自身重力作用下运动，这部分水就是重力水。
上层滞水(有关详细信息)
指包气带局部隔水层上积聚的具有自由水面的重 力水。
潜水（phreatic water）
孔隙率(度)n：指有效孔隙（指互相连通且不为结合水占 据的孔隙 ）的体积Vv与多孔介质总体积Vb之比：
n Vv 100 % Vb
孔隙比e：指孔隙的体积Vv与固体颗粒体积Vs之比：
二者关系：
e Vv Vs
n e 100% 1 e
e n 1- n
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由土力学中的有效应力原理可知，上覆荷重引
V V0[1 ( p p0 )]
0[1 ( p p0 )]
因为密度和体积的乘积为常数：即d(pV)=0， 所以密度和压强变化的关系为：
d dV dp
V
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5.渗流(seepage flow)
复杂 不一
弯曲
天然条件下，多孔介质的形状、大小、连通性 不同，所以不同空隙或同一空隙不同部位中地下水 运动状况不同，研究个别质点运动特征困难且无实 际价值，人们不直接研究个别质点的运动规律，而 是研究地下水在多孔介质中具有平均性质的水分运 动规律。
a.平面图
b.剖面图
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上层滞水
上层滞水分布最接近地表，接受大气降水的补 给，通过蒸发或向弱透水层底板的边缘下渗排泄。 雨季获得补充，积存一定水量，旱季水量逐渐耗失。 当分布范围小且补给不很经常时，不能保持终年有 水。由于其水量小，动态变化显著，只有在缺水地 区才能成为小型供水水源或暂时性供水水源。因为 其极易受污染，利用其作为饮用水源时要格外注意 卫生保护。

含水层颗粒 平均直径
运动粘滞 系数
求得数大于临界雷诺数为紊流，小于为层流
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思考题
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本节思考题
1、地下水在多孔介质中运动，所以多孔介质就是含水层。
2、地下水运动时的有效孔隙度等于排水时的有效孔隙度？
3、对含水层来说，压缩性主要表现在空隙和水的压缩上。
4、什么决定地下水流向，压力大小、位置高低还是水头大小？
计。例如：当地下水流速v＝1cm/s＝864m/d，此时的流
速水头仅为0.0005左右，比测压管水头小几个数量级，
显然可忽略不计。所以，
地下水水头H用测压管水头表示，即
H z p r
实际计算中常选含水层隔水底板为基准面，此处
z0
H p
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r
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➢等水头面
由于渗流具有粘滞性，在流动过程中水头会 不断降低，因此渗流场中各点水头并不都是相同 的。 渗流场中水头相同的各点连成一个面称 为等水头面，可以是平面也可以是曲面。
一般地，含水层和隔水层的划分是相对的。例 如，某种岩层的渗透性比较低，从供水角度其可能被 看做隔水层，但从水库渗漏的角度来说，由于水库的 周界长，渗漏时间长，其渗漏量不可忽视，这时就必 须将该岩层看做含水层。
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3.地下水(groundwater)
结合水 毛细水 重力水
➢ 广义：指埋藏在地面以下岩石空隙中的水,
Bear称为“有孔洞的固体”，其固体称为骨架。 多孔介质的特点： ①孔隙性；②压缩性；③连通性
在地下水动力学中，将具有孔隙的岩石称为多孔 介质。
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多孔介质的三种类型
松 散 沉 积 物 颗 粒 构 成 的孔 隙 网 络

固 结 的 坚 硬 岩 石 中 有 水力

联系的小节理、裂隙
二维流(平面流)：在两个方向上有分速度(承压完整井抽水)
三维流(空间流)：三个方向均有运动分速度(承压非完整井抽 水)
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8.地下水流态判别
地下水在多孔介质中或岩层的裂隙中运动和水
在管道中运动一样，存在层流和紊流两种状态，通
常用Reynolds数来判别：
Re V d
起的总应力等于作用在骨架颗粒上的粒间应力与孔 隙水压力P之和，即
' p
如果含水层的水头下降 H ，由于上覆荷重不
变，则作用在骨架上的有效应力增加 H，因此多
孔介质压缩。
用压缩系数 来表示多孔介质的压缩性, (1 n)s n p n p
骨架压缩系数,比孔隙
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➢渗流量（discharge or seepage discharge）
单位时间内通过某一过水断面的流量,量纲[L3/T]， 单位m3/d或l/s。
➢渗透速度（seepage velocity or specific discharge）
通过单位过水断面的流量
v

Q A
，即渗流在过水断
孔隙压
的压缩性小得多
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缩系数
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毛细管现象
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包气带水分分布
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承压水的一维运动
a.平面图
b.剖面图
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渠道向河流渗漏的二维运动
a.平面图
b.剖面图
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河弯处潜水的三维运动
5、水力坡度是否可定义为单位渗流路径的水头下降值？
6、地下水可从低压处流向高压处，也可从高压处流向低压处。
7、在等厚的承压含水层中，过水断面面积为400m2，流量
1×104m3/d，含水层孔隙率0.25，求水流的渗透速度和实际
速度？
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附
多孔介质的孔隙性常用孔隙率n和孔隙比e来表示。
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7.地下水运动特征的分类 ➢ 按运动要素随时间的变化，分稳定流和非稳定流；
H、Q、J、v
H f (x，y，z）, H 0 t
至少有一个运动要素 随时间t变化）
➢ 按地下水运动方向与空间坐标的关系，分如下三种：
一维流(单向流)：流向平行坐标轴(均质等厚的承压水层中地 下水运动)
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➢结合水
指受固相表面引力大于水分子自身重力的那部分水。
➢毛细水
图
将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面即会 上升到一定高度，这便是毛细现象。松散岩石中细 小的孔隙通道构成毛细管，因此在地下水面以上的 包气带中广泛存在毛细水。
支持毛细水：毛细水下部有地下水面支持
图
悬挂毛细水：细粒层次与粗粒层次交互成层时，细 土层中与地下水面不相连结的毛细水
指饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水。
承压水（confined water）
指充满于两个隔水层(弱透水层)之间的含水层中的 水。
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4. 地下水的状态方程
由水力学可知，在等温条件下水的压缩系数：
1 dv
V dp
设初始压强为p0时，水的体积为V0，p0 p，v0 v 那么：
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➢水力坡度(水力梯度 hydraulic gradient)：
地下水动力学中，将大小等于梯度值，方向
沿着等水头面法线指向水头降低方向的矢量称为
水力梯度。数值上等于单位渗流途径上的水头降低值，
其计算公式为：
J dH dL
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例题
1.确定地下水流向 2.求水力坡度


可 溶 岩 溶 洞 、 溶 孔 、 溶隙

孔隙水
构 造 裂 隙 水风 化
成 岩 岩 溶 水(karst)
特殊地，断裂带、岩溶管道、地下暗河，具有 地表水的流动特性，研究方法采用地表水的方法。
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2.含水层(aquifer)
含有水并允许大量水通过的岩层称为含水层 (aquifer)；反之，不允许水通过的岩层称为隔水层 (aquifuge)，介于二者之间的岩层称为弱透水层 (aquitard)。
第一章 渗流理论基础
本章知识结构：
➢渗流的基本概念 ➢基本定律 ➢介质透水性分类 ➢流网 ➢渗流基本微分方程
本章是地下 水动力学的基础 理论部分，要求 牢固掌握基本概 念、基本原理、 基本微分方程及 基本方法，并学 会分析实际问题。
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§1.1 渗流基本概念
1.多孔介质(porous medium)
断面上的水头H、压力P与真实水流相同
在多孔介质中运动所受阻力f与真实水流相同
则称该假想水流为渗流。
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6.渗流的运动要素
指描述渗流场中渗流运动特征的物理量，包括 渗流量Q、渗透速度v、水头H、水力坡度J等。
➢过水断面
指垂直渗流方向的含水层断面面积，用A表示。
v dv
p
dp
v v0
p0
v e ( p p0 ) v0
V V0e ( p p0 )
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同理


e ( p p0 ) 0
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Ex的Taylor级数展开式为：
ex 1 x x2 ... xn ...
2!
n!
当压强变化不大时，可取其前两项：
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为了便于研究地下水，采用统计方法将地下水在 多孔介质的运动用一种假想的水流代替，如果满足以 下6个条件：
假想水流连续充满整个介质空间
假想水流的性质和真实水流相同(密度、粘滞性)
不考虑地下水实际运动途径的迂回曲折及方向多变， 只考虑运动的总体方向
任一过水断面的流量Q与真实水流相同
包括土壤水(非饱和带地下水)和重力水。
强结合水(吸湿水) 弱结合水(薄膜水)
毛细水
饱和带水
上层滞水 潜水
承压水
➢ 狭义：指潜水面以下的重力水。
地下水的划分：
按存在形式，分为结合水、毛细水、重力水； 按埋藏条件，分为包气带水、潜水、承压水； 按含水介质，分为孔隙水、裂隙水、岩溶水。
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