《第一章渗流理论基础ppt课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第一章渗流理论基础ppt课件.ppt(33页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第一章 渗流理论基础 肖 长 来 吉林大学环境与资源学院 2009-9 第一章 渗流理论基础 1.1 渗流的基本概念 1.2 渗流基本定律 1.3 岩层透水特征及水流折射定律 1.4 流网及其应用 1.5 渗流连续方程 1.6 渗流基本微分方程 1.7 数学模型的建立及求解 1.1 渗流的基本概念 1.1.1 多孔介质及其特性 1.多孔介质的概念 多孔介质(Porous medium):地下水动力学中具有 空隙的岩石。广义上包括孔隙介质、裂隙介质和 岩溶不十分发育的由石灰岩和白云岩组成的介质 。 孔隙介质:含有孔隙的岩层,砂层、疏松砂岩等 ; 裂隙介质:含有裂隙的岩层,裂隙发育的花岗岩 、石灰
2、岩等。 (1) 孔隙性:多孔介质含有孔隙的性质。 孔隙度(Porosity)是多孔介质中孔隙体积与多孔 介质总体积之比(符号为n),可表示为小数或百分 数,n=Vv/V。 有效孔隙(Effective pores)是多孔介质中相互连 通的、不为结合水所占据的那一部分孔隙。 有效孔隙度(Effective Porosity)是多孔介质中 有效孔隙体积与多孔介质总体积之比(符号为ne) ,可表示为小数或百分数,ne=Ve/V。 死端孔隙(Dead-end pores )是多孔介质中一端与 其它孔隙连通、另一端是封闭的孔隙。 2.多孔介质的性质 岩石中的各种空隙(图1-1) Porosity the
3、 property of containing openings or interstices. In rock or soil, it is the ratio of the volume of openings in the material to the bulk volume of the material. Porosity, Effective The amount of interconnected pore space in a material available for fluid transmission; expressed as a percentage of the
4、 total volume occupied by the interconnecting interstices. Porosity may be primary, formed during deposition or cementation of the material, or secondary, formed after deposition or cementation, such as fractures. (2)多孔介质的性质 土的基本物理性质指标 (2) 连通性:封闭和畅通,有效和无效。 (3) 压缩性:固体颗粒和孔隙的压缩系数推导。 (4) 多相性:固、液、气三相可共存。
5、其中固相的成 为骨 架,气相主要分布在非饱和带中,液相的地下水可以吸 着水、薄膜水、毛管水和重力水等形式存在。 固相骨架 matrix 气相空气,非饱和带中 多孔介质 吸着水 Hygroscopic water 液相水 薄膜水 pellicular water 毛管水 capillary water 重力水 gravitational water 包括两大类,运动特点各不相同,分别满足于 孔隙水和裂隙岩溶水的特点。 (1)第一类为地下水在多孔介质的孔隙或遍布 于介质中的裂隙运动,具有统一的流场,运动 方向基本一致; (2)另一类为地下水沿大裂隙和管道的运动, 方向没有规律,分属不同的地下水流动
6、系统。 3. 多孔介质中的地下水运动 1.1.2 渗透与渗流 1.渗透 渗透是地下水在岩石空隙或多孔介质中的运动, 这种运动是在弯曲的通道中,运动轨迹在各点处 不等。为了研究地下水的整体运动特征,引入渗 流的概念。 图1-2 岩石中的渗流 (a)实际渗透 (b)假想渗流 2. 渗流(seepage flow):具有实际水流的运动特点 (流量、水头、压力、渗透阻力),并连续充满整 个含水层空间的一种虚拟水流;是用以代替真实地 下水流的一种假想水流。 渗流场(flow domain):假想水流所占据的空间 区域,包括空隙和岩石颗粒所占的全部空间。 渗流的特点是: (1)假想水流的性质与真实地下水流
7、相同; (2)充满含水层空隙空间和岩石颗粒所占据的空间 ; (3)运动时所受的阻力与实际水流所受阻力相等; (4) 通过任一断面的流量及任一点的压力或水头与 实际水流相同。 Seepage (1) The passage of water or other fluid through a porous medium, such as the passage of water through an earth embankment or masonry wall. (2) Groundwater emerging on the face of a stream bank. (3) The slo
8、w movement of water through small cracks, pores, Interstices, etc., of a material into or out of a body of surface or subsurface water. (4) The Interstitial movement of water that may take place through a dam, its foundation, or its Abutments. (5) The loss of water by infiltration into the soil from
9、 a canal, ditches, laterals, watercourse, reservoir, storage facilities, or other body of water, or from a field. Seepage is generally expressed as flow volume per unit of time. 典型单元体(REV,Representative Elementary Volume) 又称代表性单元体,是渗流场中其物理量的平均值能 够近似代替整个渗流场的特征值的代表性单元体积。 REV具备两个性质: (1) 其体积和面积,大于个别空隙而小
10、于渗流场,其中 的渗流可以从一点连续运动到另一点; (2) 通过单元体的运动要素(流量Q、水头h、压力p、实 际水头受到的阻力R)与真实水流相等,运动要素是连续 变化的。 REV的作用: (1) 把物理性质看作是坐标的函数,孔隙度n、导水系数 T、给水度和渗透系数均连续。 (2) 渗流的要素可以微分、积分,可以用微分方程来描 述渗流要素。 3. 典型单元体 典型单元体 图1-3 REV (Representative Elementary Volume) (modified after Bear, 1972) 4.渗流速度 (1)过水断面(Cross-sectional area)是渗流场中垂
11、 直于渗流方向的任意一个岩石截面,包括空隙面积(Av) 和固体颗粒所占据的面积(As),A= Av + As。渗流平行流 动时为平面,弯曲流动时为曲面。 (2)渗流量(Seepage discharge)是单位时间内通过过水 断面的水体积,用Q表示,单位m3/d。 图1-4 渗流过水断面 (a)实际渗透 (b)假想渗流 (3)渗流速度(Specific discharge/seepage velocity) 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。单位m/
12、d,表示为: (4)实际平均流速(Mean actual velocity)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。表示为: 渗流速度= n实际平均流速 (1-1) (1-2) 若确定渗流场中任一点的渗流速度,可以按以下方法进行 讨论: 设以P点为中心的REV的平均渗流速度矢量为v,令REV的体 积为V0,其中空隙体积为nV0,在空隙中的不同地点,流 速u不同,将u 在全部空隙体积nV0中求积分,再除以REV 体积V0,
13、即为渗流速度,表示为: 可得 V = n (1-3) (1-4) (1)地下水水头(hydraulic head):渗流场中任意一点 的总水头近似等于测压水头(piezometric head),即: 通常称为渗流水头。 在水力学中定义总水头(total head): 式中右端三项分别称为位头(potential head)、压头 (pressure head)和速头(velocity head)。 总水头(Total head )为测压管水头和流速水头之和 。 (1-5) (1-6) 1.1.3 地下水的水头与水力坡度 测压管水头(Piezometric head)为位置水头与压力水头之 和
14、, 。 压力水头(pressure head):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;g 为水的容重, 。 速度水头(velocity head):在含水层中的某点水所具有的 动能转变为势能时所达到的高度,量纲为L,即 ,式 中u为地下水在该点流动的速度;g为重力加速度。 由于在地下水中水流的运动速度很小,故速头 可以忽 略,所以h近似等于H,即: 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。 (1-7
15、) 水头的组成(图1-5) 水 头 可用总水头 能量水头(速头) 测压水头(压头) 位置水头(位头) 任意基准面 Head, Total The sum of the Elevation Head (distance of a point above datum), the Pressure Head (the height of a column of liquid that can be supported by static pressure only at the point), and the velocity Head (the height to which the liquid
16、 can be raised by its own kinetic energy. Also see Hydraulic Head. Hydraulic Head (1) The height of the free surface of a body of water above a given point beneath the surface. (2) The height of the water level at the headworks or an upstream point of a waterway, and the water surface at a given poi
17、nt downstream. (3) The height of a hydraulic grade line above the center line of a pressure pipe, at a given point. Piezometric Head Synonymous with Hydraulic Head, which is now commonly used. (2) 水力坡度水力梯度(hydraulic gradient):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。 式中 法线方向单位矢量。在空间直角坐标系中 ,其三个分量分别
18、为: (3)等水头面与等水头线 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(groundwater contour):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,不同大小的等水头面(线)不能相交。 (1-8) (1-9) Hydraulic Gradient (I) (1) The slope of the water surface. (2) The gradient or slope of a water table or Piezometric Surface in the dire
19、ction of the greatest slope, generally expressed in meter per kilometer or meter per meter. Specifically, the change in static head per unit of distance in a given direction, generally the direction of the maximum rate of decrease in head. The difference in hydraulic heads (h1 h2), divided by the di
20、stance (L) along the flowpath, or, expressed in percentage terms: I = (h1 h2) / L X 100 A hydraulic gradient of 100 percent means a one meter drop in head in one meter of flow distance. 1.1.4 地下水运动特征分类 (1)渗流运动要素(Seepage elements)是表征渗流运 动特征的物理量,主要有渗流量Q、渗流速度V、压强 P、水头H等。 地下水运动方向(Groundwater flow direct
21、ion) 为渗透流速矢量的方向。 (2) 层流与紊流 层流(laminar flow):水流流束彼此不相混杂、 运动迹线呈近似平行的流动。 紊流(turbulent flow):水流流束相互混杂、运 动迹线呈不规则的流动。 Laminar Flow A flow in which fluid moves smoothly in streamlines in parallel layers or sheets. The stream lines remain distinct and the flow directions at every point remain unchanged with
22、 time. It is characteristic of the movement of ground water. Contrasts with turbulent flow. Synonymous with Streamline Flow and Viscous Flow. Turbulent Flow (1) (Physics) The motion of a fluid having local velocities and pressures that fluctuate randomly. (2) The mechanism by which a fluid such as w
23、ater moves near a rough surface. Fluid not in contact with the irregular boundary outruns that which is slowed by friction or deflected by the uneven surface. Fluid particles move in a series of eddies or whirls. Most stream flow is turbulent, and turbulent flow is important in both erosion and tran
24、sportation. Contrast with Laminar Flow. 根据Reynolds number判别地下水流态,通常 式中: 地下水的渗流速度,cm/s; d 含水层颗粒的平均粒径,cm; d0 含水层颗粒的有效粒径,cm; 地下水的运动粘度(粘滞系数),cm2/s。 图1-6 空隙岩石中地下水的层流和紊流 (1-10) 通常,确定d的方法有: (1)d=d10; (2)Collins(1961): ; (3)Ward(1964): , 其中n为孔隙度。 若ReRe临界,则地下水处于紊流状态,此时液体质点无秩 序地相互混杂地流动。 Re临界 150300。天然地下水多处于层流
25、状态。 (2)稳定流与非稳定流 根据渗流运动要素是否与时间有关而进行的划分。 稳定流(steady flow):在一定的观测时间内水头、渗 流速度等渗透要素不随时间变化的地下水运动。其特点 是渗流运动要素不随时间变化。 Steady Flow Flow in which the rate remains constant with respect to time at a given cross-section. 非稳定流(unsteady flow):水头、渗透速度等任一渗 透要素随时间变化的地下水运动。其特点是渗流运动要 素随时间变化。 Unsteady Flow Flow that is
26、 changing with respect to time. (3)一、二、三维流 根据渗流方向与所选坐标轴方向之间的关系来划分。 一维流运动:当地下水沿一个方向运动,将该方向取为坐标 轴,此时地下水的渗透速度只有沿该坐标轴的方向有分速度 ,其余坐标轴方向的分速度为0。 一维流(one-dimensional flow),也称单向运动,指渗流 场中水头、流速等渗流要素仅随一个坐标变化的水流,其速 度向量仅有一个分量、流线呈平行的水流。 图1-7 承压水的一维流动 (a)平面图;(b)剖面图 二维流运动:若地下水的渗透速度沿两个坐标轴方向都 有分速度,仅一个坐标轴方向的分速度为0。 二维流(t
27、wo-dimensional flow),也称平面运动, 地下水的渗透流速沿空间二个坐标轴方向都有分速度 、仅仅一个坐标轴方向的分速度为零的渗流; 水头、流速等渗流要素随两个坐标变化的水流, 其速度向量可分为两个分量,流线与某一固定平面呈 平行的水流。 平面二维流(Two-dimensional flow in plane), 由两个水平速度分量所组成的二维流。 剖面二维流(two-dimensional flow in section) ,由一个垂直速度分量和一个水平速度分量组成的二 维流。 单宽流量(Discharge per unit width):渗流场中过水 断面单位宽度的渗流量,等于总流量Q与宽度B之比。即 q=Q/B。 (1-11) 总渗流量Q为单宽流量q与宽度B的乘积,Q=qB。 图1-8 渠道向河流渗漏的地下水二维流动 (a)平面图 (b)剖面图 三维流运动:地下水的渗透流速沿空间三个坐标轴的分量 均不为0。 三维流(three-dimensional flow),也称空间运动,地 下水的渗透流速沿空间三个坐标轴的分量均不等于零的渗 流;水头、流速等渗流要素随空间三个坐标而变化的水流 。 图1-7 河弯处潜水的三维流动 (a)平面图 (b)剖面图 图1-8 均质各向同性含水层中潜水井抽水时的地下水运动 (a)平面图 (b)剖面图
链接地址:https://www.31doc.com/p-2506777.html