康-第一章 渗流基本理论

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1、第一章渗流的基本理论§1渗流的基本概念§2渗流基本定律§3地下水在均质各向异性介质中的运动特征§4地下水在非均质各向同性介质中的运动特征§5描述地下水运动的数学模型及解算方法§1渗流的基本概念1.1.1渗透及渗流渗透：地下水受重力作用在岩石空隙中的运动称为渗透。地下水在岩石孔隙中的运动（渗透）普通水流与渗透共同点：1.总体流向取决于水头差2.流量取决于水头差及沿程损耗区别：水在管道中运动取决于管道大小、形状及粗糙度；渗流运动取决于空隙大小、形状、连通性。渗透的特点ß通道是曲折的，质点运动轨迹弯曲；ß流速是缓慢的

2、，多数为层流；ß水流仅在空隙中运动，在整个多孔介质中不连续；ß通常是非稳定的；ß通常为缓变流。针对复杂的地下水渗透运动，提出两种研究方法：一种是以研究微观运动为主，采用统计平均的方法来确定地下水运动的宏观规律性；另一种是从宏观角度出发，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基本规律。根据第二种研究方法对实际的地下水流动进行概化研究，给出渗流模型：即假象的地下水在岩石空隙中的运动模型。发生渗流的区域称为渗流场。渗流场由固体骨架和岩石空隙中的水两部分组成。渗流只发生在岩石

3、空隙中。（理想）渗流模型ò理想渗流的概念：地下水充满整个含水层或含水系统（包括空隙和固体骨架），渗流充满整个渗流场。理想渗流等效简化原则：ò理想渗流通过某断面的流量应等于通过该断面内孔隙面积的实际流量：质量等效。ò理想渗流通过某岩层所受到的阻力与实际水流所受到的阻力相等：能量等效。ò作用于任一面积上的渗流压力或压强等于作用于该面积上的实际水流的渗透压力或压强。概化后的理想渗流A颗粒孔隙B地下水实际流速—质点流速在以P点为中心的微体积上的平均值称为地下水在P点的实际流速。渗透流速——假想渗流的速度，是假想的平均流

4、速。1v(P)=u'dV∫vVV0v0渗流速度：又称渗透速度、比流量，是渗流在过水断面上的平均流速。它不代表任何真实水流的速度，只是一种假想速度。它描述的是渗流具有的平均速度，是渗流场空间坐标的连续函数，是一个虚拟的矢量。实际平均流速：是多孔介质中地下水通过空隙面积的平均速度；地下水流通过含水层过水断面的平均流速，其值等于流量除以过水断面上的空隙面积，量纲为L/T。记为。它描述地下水锋面在单位时间内运移的距离，是渗流场空间坐标的离散函数。渗透流速与实际流速关系vA=uA=QvAvv=u=uneAv=nue1.1

5、.2渗流的运动要素渗流的运动要素是指描述渗流场中渗流运动特征的物理量，如渗流速度、渗流量、渗流压强、水头、水力坡度等。它们是时间和空间的函数。（1）渗流量及渗流速度渗流过流断面单位时间通过过水断面的水量称为通过该断面的渗流量，简称流量，用Q表示。过水断面系含水层断面，既包括空隙也包括固体骨架。通过单位过水断面的流量称为渗流速度，即v=Q/A（2）渗流压强、水头与水力坡度地下水水头：渗流场中任意一点的总水头近似等于测压水头，即:PH=Z+γ通常称为渗流水头。2总水头线在水力学中定义总水头:αVhw2gPu2测压管

6、水头线H=Z++γ2g2式中右端三项分别称为位头、1压头和速头。总水头为测压管水头和流速2Z水头之和。2Z1100P测压管水头为位置水头与压力水头之和，Hn=Z+。γ压力水头：含水层中某点的压力水头（h）指以水柱高度表示的该点水的压强，量纲为L，即：h=P/g　，式中P为该点水的压强；γ=ρg为水的容重。速度水头：在含水层中的某点水所具有的动能转变为势能时2所达到的高度，量纲为L，即u，式中u为地下水在该点h=v2g流动的速度；g为重力加速度。2u由于在地下水中水流的运动速度很小，故速头可以忽2g略，所以h近似

7、等于H，即:PPH≈H=Z+=Z+nγρg意义：渗流场中任意一点的水头实际上反映该点单位质量液体具有的总机械能，地下水在运动过程中不断克服阻力，消耗总机械能，因此沿地下水流程，水头线是一条降落曲线。潜水含水层压强与水头潜水含水层的压强与水头承压含水层压强与水头承压含水层的压强与水头水力坡度[水力梯度]：在渗流场中大小等于梯度值，方向沿等水头面的法线并指向水头下降方向的矢量，用J表示。dHvJ=−ndnv式中n——法线方向单位矢量。在空间直角坐标系中，其三个分量分别为：∂H∂H∂HJ=−,J=−,J=−xyz∂x

8、∂y∂z（3）流线与流网流线：某时刻在渗流场中画出的一条空间曲线，该曲线上各个水质点的流速方向都与这条曲线相切（某时刻各点流向的连线）。（区别于）迹线：流体水质点在渗流场中某一时间段内的运动轨迹。等水头面：渗流场中水头值相同的各点相互连接所形成的一个面。可以是平面也可为曲面。等水头线：等水头面与某一平面的交线。等水头面上任意一条线上的水头都相等。等水头面（线）在渗流场中是连续的，不同大