黄河滩地砂卵石介质非达西渗流forchheimer模型参数预测

《黄河滩地砂卵石介质非达西渗流forchheimer模型参数预测》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、黄河滩地砂卵石介质非达西渗流Forchheimer模型参数预测第一章引言1.1问题的提出与研究意义随着山西省经济的不断发展，水资源短缺问题逐渐成为限制山西省发展的制约性因素。为了能够满足区域经济和人民生活的发展需求，山西省提出黄河地区柳林滩地取水工程来增加柳林地区的可用水总量，其取水方式之一就是在黄河滩地上抽取河床地下水。在抽取河床底下水的过程中，遇到的较难解决的技术问题是取水量的计算问题，即实际取水量和理论取水量总是相差过大。这是由于在渗流流量的计算过程中遵守传统的达西线性定律，而由于黄河滩地砂卵石介

2、质粒径范围较大且粒径级配较不均匀，故渗流不一定遵守传统的达西定律，而是呈现出非达西规律，此时需要研究能够描述非达西渗流规律的渗流模型并可通过渗流模型能够较为容易地计算出渗流流量，以为抽取河床地下水、计算取水量提供理论指导。本文研究能够较为精确地描述非达西渗流规律的渗流模型，是对达西渗流定律的补充和完善。1856年法国科学家达西提出在室内饱和砂柱渗流中，渗流遵循达西定律即渗透流速与水力梯度呈线性关系，其物理模型的特点是均质、同性。由于在一般的渗流分析中，渗流通过的介质细小且渗流速度较小，故通常将渗流这一过

3、程处理为线性和稳态过程，达西渗流定律也得到了各个相关技术领域非常广泛的应用[1]，成为了渗流理论和渗流研究的基础定律。但是越来越多的监测资料和实验资料[2-3]表明，在非均匀介质中的渗流中，渗透流速与水力梯度呈现非线性的关系，即渗流偏离了达西线性渗流定律。而本文所研究的试验对象是黄河滩地粒径变化较大的多孔介质，具有不均匀性、大尺度性和一定的代表性的特点，研究发现多孔介质中的渗流呈现出非达西的现象，故本文的研究成果对多孔介质中的水分运动理论具有一定的科学价值和理论贡献。..1.2国内外研究动态从仅适用于达

4、西线性定律的多孔介质渗流到需要考虑非达西定律的多孔介质渗流，国内外学者都做了大量的研究，多孔介质中的水流运动理论也得到了不断的发展。早在1856年，法国科学家达西用大量的室内饱和砂柱入渗试验，揭示了多孔介质的渗流规律，这一规律是研究流态为层流时的多孔介质渗流理论，也是所有渗流理论的基础。其试验对象为粒径偏粗、颗粒构成均匀且无粘性的砂，其发现的结论为：水在均质砂柱中的渗透流速与砂样两端面之间的水位差成正比关系，与渗流路径成反比关系[4]，研究显示，达西线性定律适用或近似适用于自然界中的多数渗流。但随着对多

5、孔介质中渗流的进一步研究，特别是对粒径较大，且不太均匀的堆石坝、堆石排水体及堆石坝下的深厚覆盖层等大孔隙中的渗流的研究，中外学者发现，达西线性定律并不能很好地解释在这些多孔介质中的渗流规律，即在这些多孔介质中的渗透流速和水力梯度之间不能很好地满足线性关系。对这一偏离达西线性定律的问题，中外学者在进行了大量的渗流研究之后，提出了适用于非达西现象的公式。第二章试验条件与方案2.1河床砂卵石介质本次试验的研究对象砂卵石介质是采自黄河中游段（山西省吕梁市柳林段）河床上的天然沉积物，所含的大粒径砂卵石介质大多呈现

6、次棱状和棱角状，所含的小粒径砂卵石介质大多圆磨程度较好，其干容重为22.93kN/m3。在室内采用筛分和比重计两种方法相结合的方式对天然沉积物进行了粒径分析，粒径筛分曲线如图2-1所示，结果见表2-1所示，其不均匀系数为=156uC，曲率系数为=4.33cC，天然沉积物级配不良。根据《土的分类标准》（GBJ145-90），结合表2-1所示筛分结果可知，所研究的黄河滩地砂卵石介质属于巨粒混合土中的卵石混合土。试验中利用9cm、5㎝、3㎝、1㎝、0.6cm﹑0.3cm、0.1cm、0.025cm和0.01c

7、m的筛子将所取砂卵石介质分成十个等级，以此研究不同粒径和不同级配条件下砂卵石介质中的渗流特性，为渗流模型参数选择、确定和预报提供试验数据上的支撑。同时，为了使研究更加具有针对性，本试验还进一步研究了剔除了粒径<0.01cm（特细颗粒）和粒径>9cm（大漂石）的砂卵石介质渗流特性，试验所用的黄河滩地河床砂卵石介质是在自然条件下通过河流冲积或洪积而沉积下来的，其广泛分布在河床及岸坡滩地上，通常具有颗粒浑圆、粒径范围大、棱角少、颗粒间的孔隙大等特征。在大多数情况下，大颗粒构成其基本骨架，中、细颗粒

8、填充其空隙，较小的颗粒则可以随水流在其间自由运动。一部分砂卵石介质在沉积作用的影响下，便形成了砂层或泥砂层，各个分层的厚度随深度的不同而会有变化，一些呈透镜体状，一些则直接尖灭。.2.2试验方案本试验对渗流模型参数的研究以研究好黄河滩地砂卵石介质中的渗流特性为前提，故要对砂卵石介质中的渗流特性进行总体的研究设计，本试验按照砂卵石介质的级配和粒径组成不同将分阶段进行。试验总体设计如下：试验的研究对象为黄河河床天然砂卵石介质和剔除了粒径<