水文地质学基础中国地质大学（武汉）4-渗流基本定律

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1、第四章地下水运动的基本定律4.1基本概念4.2地下水运动的特点4.3地下水运动的研究方法4.4地下水运动的基本规律4.5流网4.6小结《水力学》《地下水动力学》基本概念地下水在岩石空隙中的运动称为渗流(seepageflow/groundwaterflow)。发生渗流的区域称为渗流场。渗流场(flowfield)由固体骨架和岩石空隙中的水两部分组成。渗流只发生在岩石空隙中。由于受到介质的阻滞，地下水的流动远较地表水的流动缓慢。描述渗流特征的物理量，称为地下水运动的运动要素。水位，渗透流速，过水断面，流量，等。流线：渗流场中

2、某一瞬时由所有流体质点组成的一条线，并且线上各流体质点在此瞬时的流向均与此线相切。地下水流线示意图特点：流线不能相交；流线不能是一条折线，它是一条光滑的曲线或直线。基本概念地下水迹线示意图迹线：渗流场中某一时段内某一质点的运动轨迹。迹线的特点：对于每一个水质点都有一个运动轨迹，所以迹线是一簇曲线，而迹线只随质点不同而异，与时间无关。基本概念流线和迹线都是流场中的一簇曲线，都与流体的运动有关，但各自代表了不同的概念：流线反映的是某时刻流体的流速向量，迹线是反映流体中某一质点不同时间走过的轨迹；因此流线可看作水质点运动的摄影，

3、迹线则可看作对水质点运动所拍摄的电影。过水断面与流量垂直于所有流线的横截面，称为过水断面(渗流断面)。过水断面123单位时间内通过渗流断面的地下水体积称为渗透流量。层流：在岩石空隙中渗流时，水的质点作有秩序、平行而互不混杂的流动。层流示意图紊流：在岩石空隙中渗流时，水的质点作无秩序、互相混杂、互相碰撞的流动。水作紊流运动时，水流所受到的阻力比层流状态大，消耗的能量较多。紊流示意图Re：雷诺数，是一个无因次量；υ：断面上水的平均流速，L/T；ν：运动粘滞系数，L2/T，表征水粘性的强弱；d：水力半径。层流与紊流流态判别：水流

4、的雷诺数从层流转化为紊流时的临界雷诺数，称为上临界雷诺数；从紊流转化为层流时的临界雷诺数，称为下临界雷诺数。实验表明下临界雷诺数比较稳定，因此采用下临界雷诺数(Rek)作为层流和紊流的判别标准:ReRek，水流状态为紊流。稳定流：在渗流场内，水质点经过它所占据的空间各点时的运动要素不随时间而变化的水流运动。也就是说，在渗流场内，任何一个空间点上，无论哪一个水质点通过时，其运动要素都是不变的，运动要素与时间无关，而仅是空间坐标的函数。非稳定流：在渗流场内，水质点的运动要素随时间而变化的水流运动

5、。非稳定流中，水质点的运动要素不仅是空间坐标的函数，而且也是时间的函数。稳定流条件下，流体的流线与迹线重合！稳定流与非稳定流严格说来，自然界中的地下水都属于非稳定流，但是，但为了便于分析和运算，也可以将某些运动要素变化微小的渗流，近似地看作稳定流。均匀流：在实际水流中，如果流线是彼此平行的直线，而且在同一流线上的点，其实际流速相等，即沿水流方向实际流速的大小和方向皆不变。显然，在均匀流中，质点的时变加速度和位变加速度都等于零。亦即流体在运动过程中，其运动要素不随坐标位置而改变！均匀流与非均匀流非均匀流：如果沿水流方向质点流

6、速的大小或方向发生变化，这种水流则称为非均匀流。缓变流：在实际水流中，流线之间的交角很小，流线间接近平行，且各流线的曲率半径很大，使得沿流程方向质点的流速不论大小和方向变化都是很缓慢的。显然，在缓变流中，质点的时变加速度等于零，位变加速度很小趋向于零，为近似的均匀流。缓变流与急变流急变流：在实际水流中，流线之间的交角相当大，或各流线弯曲的曲率很大，使得沿流程方向质点的流速不论大小和方向都急剧变化。显然，在急变流中，质点的时变加速度和位变加速度都很大。过水断面上某一位置处单位重量水体所具有的机械能(H)表达为：伯诺里能量方程

7、水头H——总水头；Z——位置水头，从某一基准面算起的单位位置势能，其大小与基准面的选取而变化；——压力水头，水体本身所形成的压强势能，其大小与基准面的选取无关；——速度水头，过水断面的平均单位动能，大小仅与水流速度的大小有关。——单位水具有的总势能，称为测压水头。伯诺里能量方程适用条件水是不可压缩的理想液体；水流是稳定流；作用在流体上的质量力只考虑重力；水流为均匀流或缓变流，其中流线几乎是平行的，并且流线曲率很小，流线几乎是直线，流量沿程不变。在研究地下水运动时，由于地下水的流速非常缓慢，速度水头相对于测压水头是微不足道的

8、，因此，可忽略速度水头，而用测压水头代替总水头，即含水层中的水头水头值的大小可用水柱高度表示，因而渗流场内任意水头值的大小可以从基准面到揭穿该点井孔(测压井)的水位处的垂直距离来表示。研究地下水水头的时空分布规律是水文地质学的重要研究内容之一。测压井(管)是测定地下水测压水头的最简单的测压计。4.2地下