第四章-1 地下水的运动

第一节 地下水运动特征及其基本规律
• 层流和紊流 实验表明，当流速较小，液 体质点作有秩序地，互不混杂地流动时， 称为层流；相反，当流速较大，液体质点 运动无秩序，互相混杂时，称为紊流。
• 稳定流和非稳定流 稳定流是指流速场中 任意点的运动要素均不随时间而变化的水 流。从数学角度看，稳定流中任意点的运
面面积ω乘以该过水断面上的平均流速v。
第一节 地下水运动特征及其基本规律
二、地下水运动的特点
1、曲折复杂的地下水通道
地下水储存并运动于岩 石颗粒间像串珠管状的 孔隙和岩石内纵横交错 的裂隙之中，由于这些 空隙形状、大小和连通 程度的变化，造成地下 水水流通道十分复杂。
第一节 地下水运动特征及其基本规律
➢水的运动要素:流速场中水流的特征用流速、流量、动 水压强等物理量描述，并称其为水的运动要素。
➢在应用中或实验室研究时，常用（流网）流线和 等水位线来直观描述水流特征
流线 是指在某一瞬时流速场内相邻水流质点
沿流动方向所连成的几何线，如图4-1所示。
因为流线描述的是不同水质点在同一时刻的状态， 流线上任意一点的切线方向就是该点此时的水流 方向，所以，流速场中同时刻的流线是彼此不相 交的光滑曲线。
第一节 地下水运动特征及其基本规律
• 重力水在岩土空隙中的运动，称为渗透或渗流。它 的运动形式，常随水流速度不同而分为层流运动和 紊流运动。
（1）层流运动 水在岩土空隙中流动时，水质点有秩 序地、互不混杂地流动，称为层流运动。
第一节 地下水运动特征及其基本规律
（2）紊流运动 水在岩土空隙中流动时，水质 点无秩序地、互相混杂的流动，称为紊流运动。 地下水在绝大多数自然条件下，流速较小， 故多同层流运动。一般认为地下水的平均渗透 速度小于 l000m/d时，可视为层流运动。只有 在大裂隙、大溶洞中或水位高差极大的情况下， 地下水的渗透才出现紊流运动。
对地下水流的几点假想： a：假想水流流过任意断面的流量等于真正水流流过该 断面的流量。 b：假想水流流过任意断面的水头等于真正水流流过该 断面的水头。 c：假想水流通过岩石所受的阻力必须等于真正水流流 过所受的阻力。
通过假想水流的研究可达到掌握真正水流的运动规律。
图4-2 岩石中的渗流 （a）实际渗透 (b)假想渗流
（二）渗流速度和实际流速
• 据渗流特点：渗流场中过水断面ω包括地下水实际
流过岩土空隙面积（ｎ）和骨架所占的面积。而流 量Ｑ相同，渗流速度v和地下水实际速度ｕ，
二者关系为: v nu
u
Q
n
v
Q
由于空隙度ｎ＜１，故v永远<ｕ。
第一节 地下水运动特征及其基本规律
（三）水头和流网
• 在渗流中，地下水的实际流速非常缓慢， 每昼夜只有几m、几十m，最大也不超过 1000m，流速水头小，可忽略。地下水 运动可近似认为总水头在数值上等于测 压管水头。简称水头。
✓ 地表水流中水质点充满于整个流速场，水流是连 续的。
第一节 地下水运动特征及其基本规律
地
（一）渗流和渗流场
下
水 运
（二）渗流速度和实际流速
动
的 基
（三）水头和流网
本
概
（四）水流类型
念
第一节 地下水运动特征及其基本规律
（一）渗流和渗流场
等效
• 引入渗流来代替岩土中实际水流运动的总体效果。渗流是一 种假想的水流，它是把运动于岩土空隙中的水流假想为充满 于岩土整个空间（包括空隙空间和岩土颗粒所占的全部空 间）、性质和作用与真实地下水流相同的水流。
第一节 地下水运动特征及其基本规律
2、迟缓的流速
地表水流速通 常以m/s来计算，其 流速通常大于1m/s ，而地下水在曲折 的地下通道中运行 ，受到非常大的阻 力，因而流速非常 缓慢，常以m/d来表 示。
第一节 地下水运动特征及其基本规律
3、地下水的运动
地下水的运动形式一般分为两种：一种是层流运动，一种是紊流运 动。地下水在岩石空隙中的运动速度比地表水慢得多，除了在宽大 裂隙或空洞中具有较大速度而成为紊流外，一般都为层流。地下水 的这种运动称渗透。 渗透系数K (m/日），用以衡量岩石的渗透能力。
动要素仅是空间坐标的函数（v ＝ｆ（x， y，z）），随时间的变化率为零。相反地，
如果有任意一项运动要素随时间而变化， 则称为非稳定流。
第一节 地下水运动特征及其基本规律
二、地下水运动的基本规律
✓ 地下水运动是发生在岩石土壤空隙中的。
✓ 和地表水流的区别是运动缓慢，运动空间既有水 流又有岩土颗粒存在，运动的阻力很大，地下水流 在岩土空隙中作弯弯曲曲的复杂运动，研究地下水 每个质点的运动情况既不可能又没必要。
图4-1 流线示意图
过水断面：把垂直于水流方向（即流线）的水流
截面称为过水断面。它是平面或曲面，如图4-2。
流速：指水流在单位时间内所流动的距离（m/s）。
实际的点流速 VS 平均流速
图4-2流线及过水断面
流量：是指单位时间内通过某一过水断面
的水量（m3/s）。
QW h v
tt
上式表明：某过水断面所通过的流量Ｑ等于过水断
• 渗流所占据的空间区域称为渗流场。渗流场可用渗流量Ｑ、 渗流速度v、水头Ｈ等运动要素描述。
假想水流应具备条件：
1）它通过任何一个断面的流量以及任意点的动水压力或水头均和实际水 流相同；
2)它在任意的岩土体积内所受的阻力等于真实水流所受的阻力。渗流的 作用效果与实际水流的作用效果相同。
第一节 地下水运动特征及其基本规律
H Z p
图4-5 流网示意图
在渗流场中，把水头值相等的点连成线或面就构成
了等水头线或等水头面.
流网是由等水头线和流线所组成的正交网格。流网直观地
描述了渗流场（或流速场）的特征。它可以是正方Hale Waihona Puke Baidu、长
方形或曲边方形。
第一节 地下水运动特征及其基本规律
• 流网基本特征： (1)流线和等水头线处处正交； (2)两等水头线间所夹的各流段的水头损失均相等； (3)相邻两条流线间的流量是常数； (4)由流线所组成的流面有隔水性质，由等水头线所
第四章 地下水的运动
➢ 地下水运动特征及其基本规律 ➢ 地下水流向井的稳定运动 ➢ 地下水流向井的非稳定运动 ➢ 水文地质参数的确定
第一节 地下水运动特征及其基本规律 一、水文学相关的几个概念
1、流线、流速、流量
➢流速场:在水体中，若某两点的测压管水头不相等
时，水便会流动，把流动的水体所占有的连续空间 称为流速场。