地下水在平面渗流状态下的流速测定

地下水在平面渗流状态下的流速测定

摘要:地下水实际流速在地质灾害的评价和治理、水污染及水治理、区域环境监测评价等相关领域工作中是一个重要的参数。本文以在“地下水渗流模拟装置”测的地下水流速为例,结合达西定律计算的流速对比,表明二者之间存在一定的差异。通过对实验过程等方面的分析研究,初步分析造成理论流速和实际流速二者之间差异的原因。

关键词:渗流地下水渗流模拟装置达西定律

渗流是指地下水受重力、毛细力等作用,在多孔介质空隙中渗透运动[1]。达西定律一般可以表示为Q=KIω=ωV(ω为过水断面,V为渗流速度),为了研究地下水实际流速引入有效空隙度概念μ=ω´/ω(ω´为重力水可通过的有效孔隙面积)得出通过实际过水断面ω´的实际流速u,u=V/μ[2]。二维流(平面运动)的达西定律可以表示为[3]:

Q=Kb(-)/2L

Q=Kω=KωI

Q为渗流水量,K为渗流系数,b为模拟含水层厚度,为最上游含水层厚度,为最下游含水层厚度,L为第一断面到最末断面的距离,ω为过水断面,h为水头损失,I为水力梯度。

由于水在途中沿空隙流动的实际路径十分复杂,在通过实际过水

断面修正后流速也并非真正的流速[4]。严格地说,在较大水力坡降下,达西定律都不适用,但是在工程实用上,由于和整个流畅相比,这些超出达西定律的局部区域通常不大,而且自然状态的渗流均能符合层流规律或偏离不远,故一般仍按照达西定律处理问题[5]。根据在“地下水渗流模拟装置”中测得的实际流速与理论流速相比存在一定的差异。

1 实验过程

“地下水渗流模型装置”的边框是用角钢焊接而成的,分为上下两层。主要由渗流实验箱,给排水溢流箱、测压管、由闭路循环的给、排水系统等组成的。渗流实验箱中放置模型实验的渗透介质(本模型采用经过筛分的中粒石英砂)。在渗流实验箱体的首端和末端附有可升降的给排水溢流箱。渗流实验箱的一侧及底板7个断面设有测压管,可利用测压管测定相应测点的水位值。渗流量可在渗流箱体下游末端的排水溢流箱用流量计测得。

确定地质体密实后,稳定流供排水测流系统的位置调至最高点,向模拟含水层、稳定流供排水测流系统中加水,将整个模拟地质体浸没在水中,记录加入模拟含水层水的体积。再将稳定流排水测流系统调至最低点,排尽储水箱、稳定流供排水系统中的水,并测定排出水的体积。用表示有效孔隙度,V表示模拟含水层的体积,则可知: 实验测得=0.1192

打开水阀,调节实验装置,使稳定流供、排水系统处于同一水平面

上,观察每个测压管中水面的高度。若每个测压管的高度都处于同一平面上,证明仪器性能良好,否则,需排除系统误差。

保持稳定流供水系统高度不变,降低稳定流排水测流系统的高度。等装置内流速稳定,用量筒和秒表测算流量,连续测量两次,如果连续两次测得流量值误差小于5%,说明水流已稳定。

从插入地质体的管中加入示踪剂,当示踪剂从玻璃管中流出并沿着仪器壁流过约10cm后开始记录。示踪剂每走过一段距离,记录时间,并测量示踪剂所流过的距离,用胶带标记。记录第一个截面和最后一个截面处测压管中的水位高度及二者之间的水平距离。

保持稳定流供水系统高度不变,降低稳定流排水测流系统的高度,以不同的水力坡度重复以上步骤。

利用以下公式求地下水实际流速:

V=s/t

V为实际流速,S为示踪剂流过的距离,T为通过某一段距离所经历时间。

2 实验结果对比

将由示踪剂测得的地下水实际流速和同条件下用理论公式求得

的理论流速进行对比如表1所示。

地下水流速理论值比用示踪剂测出的地下水流速实测值大。经过分析,认为达西公式给出的描述的地质体模型,认为地质体中不同断面上的有效空隙是相互联通的,然而在实际情况下,地下水不同的断面中流动需要绕流,这就增长了流动的距离,分析认为实测流速比理论流速慢的原因。

3 实验过程可靠性分析

模型遵循相似模拟的原则。即,几何相似、运动相似、动力相似、边界相似。其运动规律都可以用裘布依井流方程形式来描述,实验可靠。在实验过程中,周围环境温度的变化,将影响实验仪器中水温的变化,继而导致水的粘稠度发生变化。但是整个实验过程时长1～2个小时,时间较短,外界温度的变化对实验结果的影响小,可忽略不计。为了便于观测,示踪剂是依靠着有机玻璃流动的。由于地质体边缘有机玻璃的限制,使模拟地质体边缘处的孔隙度比模拟地质体中间的孔隙度大,流速变大。在此情况下,实验所得的地下水实际流速仍然比理论公式算出的流速值小,所以实验结果可靠。

4 结语

在地下水在平面渗流状态下,满足层流和稳定流条件时(即符合达

西渗流定律),可知以下几点。

(1)改变水力坡度,实际测得的地下水流速小于理论流速。

(2)改变示踪剂滴入的位置(实验仪器中间处和实验仪器边壁处),实际侧地的地下水流速小于理论流速。

(3)在实际工作中,若仅仅运用理论公式,其算得的地下水流速可能大于地下水实际流速,需结合实际情况,在现场做实验,再得出结论。

参考文献

[1] 张元禧,施鑫源.地下水水文学[M].中国水利水电出版社,2006,8.

[2] 肖明葵,等.水力学[M].重庆大学出版社.

[3] 虞修竞,等.水文地质学实验教程[M].西南交通大学出版社.

[4] 东南大学,浙江大学,湖南大学,苏州科技学院合编.土力学(第2版)[M].中国建筑工业出版社.

[5] 赵永富,田恩龙,张国栋.达西定律与渗流控制[J].黑龙江水利科技,2008年.