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1、第一章渗流理论基础§1-1渗流的基本概念一、渗流及连续介质假说1多孔介质(porousmedium)与连续介质(continuousmedium)多孔介质很难给出其精确定义，在地下水动力学中，把具有孔隙的岩石称为多孔介质。它包括孔隙介质和裂隙介质。一般来说，具有以下特点的物质就称为多孔介质。（1）该物体为多相体：固体相-骨架，流体相-空隙；（2）固体相的分布遍及整个多相体所占据的区域；（3）空隙空间具有连通性。多孔介质由连续分布的多孔介质质点(图1-2)组成—多孔连续介质.此时孔隙度的表示公式为
2、:--为数学点P处多孔介质的表征体积元（简称为表征体元-REV），将其所包含的所有流体质点与固体颗粒的总体称为多孔介质质点.将其所包含的所有流体质点称为多孔介质流体质点。p图1-2REV的定义及孔隙度随体积的变化多孔介质的性质：1）孔隙性2)压缩性2渗透（seepage）渗透:地下水受重力作用在岩石空隙中的实际运动称为渗透。由于岩石空隙结构极为复杂,空隙的大小、延伸方向、形状无一定规律。渗透具有如下特征:(1)运动途径复杂多变；（2）状态函数非连续；（3）只有平均性质的渗透规律(图1-1)，研究
3、地下水质点的运动特征比较困难。因此,在当前经济技术条件下研究单个孔隙中的水或单个水质点的运动是十分困难的,也没有必要。Vuuu20uV=u*n图1-2岩石中地下水的渗透针对这种极为复杂的地下水运功，在地下水动力学中一般可采用两种研究方法。1)研究微观情况下的运动，即研究地下水在以孔隙介质中的骨架为边界孔隙或裂隙中的运动。由于空隙介质的结构具有随机性，所以用统计平均方法来确定地下水运动的宏观规律性；2)从宏观角度出发，采用试验及数学分析方法，对大量微观运动进行宏观研究得出各种运动条件下地下水运动的
4、基本规律。3渗流(seepageflow)前面已经提到,要研究实际的渗透十分困难,因此,我们用一种假想水流来代替真实水流,这种假想水流是在连续介质的基础上通过概化得出的:(1)假定水流充满整个含水层空间(既包括空隙所占据的空间,也包括颗粒/骨架所占据的空间);(2)只考虑水流运动的总体方向,不考虑水流实际运动途径的复杂变化.将通过上述概化后所得到的假想水流—渗流。为了使假想的渗流能够正确地反映实际水流的特征,渗流必须满足如下条件:(1)假想水流的性质与真实水流相同;(2)假想水流运动时所受阻力与
5、真实水流相同;(3)通过任一断面的流量和任一点的压力或水头和实际水流相同。为了满足上述三个条件，要求渗流场（渗流运动所占据的空间）与实际水流所占区域的边界条件相同。地下水实际平均流速（U）与渗流速度(V)之间的关系：二渗流的运动要素1渗流量(seepagedischarge)与渗流速度(seepagevelocity)渗流量(Q):--单位时间通过单位过水断面(即包括空隙所占据的面积,也包括骨架所占据的面积)的水的体积。[L3T-1]渗流速度(V):--通过单位过水断面(即包括空隙所占据的面积,
6、也包括骨架所占据的面积)的渗流量。[L1T-1](1-1)对渗流速度而言,仅仅按上式定义是不够的,上式只表示过水断面的平均渗流速度,对渗流场中任意一点,渗流速度应定义为:(1-2)式中:为特征单元体的体积;为全部空隙体积;u为地下水实际流速.若以表示地下水实际平均流速,则有:(1-3)2水头(Hydraulichead)与水力坡度(Hydraulicgradient)水头(H):--水头的概念来自贝努利方程的总水头,分别由位置水头、压强水头和流速水头组成,即(1-4)由于地下水运动缓慢,流速水头
7、可忽略不计,故在研究地下水运动时,将测压水头和总水头不加区别,统称为水头.水头值的大小与所取的基准面有关,决定地下水流向的控制因素是水头,而不是压强或位置高度,水力坡度(J):--在地下水动力学中,把大小等于水头梯度,方向沿着等水头面法线方向并指向水头降低方向的矢量称为水力坡度.20(1-5)水头梯度水力坡度水力坡度在空间直角坐标系中的三个分量为:(1-6)三地下水运动特征分类1按地下水运动要素是否随时间变化而变化稳定流(steadyflow)非稳定流(unsteadyflow)结论:一般来说,
8、当地下水为稳定流时,其流线和迹线是重合的,当地下水为非稳定流时,流线和迹线是不重合的.2按地下水运动速度是否随空间位置的变化而变化均匀流(Uniformflow)缓变流非均匀流急变流均匀流中,由于流速不随空间位置的变化而变化,其流线是一组平行的直线,过水断面为平面;非均匀流中,流线是一组曲线,过水断面为曲面.非均匀流又可根据其流线的弯曲程度分为缓变流和急变流.缓变流中,流线可看成近似平行的直线,过水断面则可看作平面,在任意铅直断面上,其测压水头满足:.缓变流和急变流的根本区别在于它们的动水压强分
