滲流的基本定律(達(dá)西定律)

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1、第一章地下水運動基本概念重要知識點：滲流、典型體元（REV）地下水質(zhì)點實際流速、空隙平均流速，達(dá)西流速及其關(guān)系達(dá)西定律基本式，微分式，推廣式及應(yīng)用條件滲透系數(shù)及其影響因素滲流分類均質(zhì)、非均質(zhì)，各向同性、各向異性區(qū)別流網(wǎng)繪制§1.1滲流基本概念地下水在巖石空隙中的運動稱為滲流(seepageflow/groundwaterflow)。發(fā)生滲流的區(qū)域稱為滲流場。滲流場(flowfield)由固體骨架和巖石空隙中的水兩部分組成。滲流只發(fā)生在巖石空隙中。多孔介質(zhì)概念與特性我們把孔隙巖層稱為多孔介質(zhì)(porousmedia).

2、多孔介質(zhì)特性:彼此連通的網(wǎng)絡(luò)，幾何形態(tài)及連通情況異常復(fù)雜，難以用精確的方法來描述。由固體骨架和孔隙組成，孔隙通道是不連續(xù)的。因此，無論是固體骨架，還是空隙空間，微觀上講都不是連續(xù)函數(shù)普通水流與滲流共同點：1.總體流向取決于水頭差2.流量取決于水頭差及沿程損耗區(qū)別：水在管道中運動取決于管道大小、形狀及粗糙度；滲流運動取決于空隙大小、形狀、連通性。滲流特點通道是曲折的，質(zhì)點運動軌跡彎曲；流速是緩慢的，多數(shù)為層流；水流僅在空隙中運動，在整個多孔介質(zhì)中不連續(xù)；通常是非穩(wěn)定的；通常為緩變流。一、典型體元(Representat

3、iveelementaryvolume)在水力學(xué)中引進(jìn)質(zhì)點的概念，把水看成連續(xù)介質(zhì)，則可用連續(xù)函數(shù)描述運動要素。為了把滲流場概化為多孔介質(zhì)連續(xù)體，用連續(xù)函數(shù)描述，引進(jìn)典型體元的概念。什么是典型體元呢？現(xiàn)以孔隙度為例來討論。把V0稱為典型體元。引進(jìn)REV后就可以把多孔介質(zhì)處理為連續(xù)體，這樣多孔介質(zhì)就處處有孔隙度了。REV究竟有多大？REV相對于單個孔隙是相當(dāng)大的，但相對于滲流場又是非常小的。概化后的理想滲流二、地下水實際流速、滲透流速地下水實際流速—質(zhì)點流速在以P點為中心REV體積上的平均值稱為地下水在P點的實際流速。

4、滲透流速——假想滲流的速度，是假想的平均流速。實際流速在REV上的平均值。滲透流速與實際流速關(guān)系滲透流速與實際流速關(guān)系三、水頭與水力坡度潛水含水層壓強與水頭圖1－1－4a潛水含水層的壓強與水頭承壓含水層壓強與水頭圖1－1－4b承壓含水層的壓強與水頭水力梯(坡)度水力梯度I為沿滲透途徑水頭損失與相應(yīng)滲透途徑長度的比值。水在空隙中運動時，必須克服水與隙壁以及流動快慢不同的水質(zhì)點之間的摩擦阻力（這種摩擦阻力隨地下水流速增加而增大），從而消耗機械能，造成水頭損失。因此，水力梯度可以理解為水流通過單位長度滲透途徑為克服摩擦阻力

5、所耗失的機械能。從另一個角度，也可以將水力梯度理解為驅(qū)動力，即克服摩擦阻力使水以一定速度流動的力量。既然機械能消耗于滲透途徑上，因此求算水力梯度I時，水頭差必須與相應(yīng)的滲透途徑相對應(yīng)?！?-2滲流的基本定律—達(dá)西定律1856年，法國水力學(xué)家達(dá)西（H.Darcy）通過大量的實驗，得到線性滲透定律。根據(jù)實驗結(jié)果，得到下列關(guān)系式：式中：Q——滲透流量（出口處流量，即為通過砂柱各斷面的流量）；ω——過水?dāng)嗝妫ㄔ趯嶒炛邢喈?dāng)于砂柱橫斷面積）；h——水頭損失（h=H1?H2，即上下游過水?dāng)嗝娴乃^差）；L——滲透途徑（上下游過水?dāng)?/p>

6、面的距離）；I——水力梯度（相當(dāng)于h/L，即水頭差除以滲透途徑）；K——滲透系數(shù)。此即達(dá)西公式。二、達(dá)西實驗條件穩(wěn)定達(dá)西實驗：得出滲透流速與水力坡度成正比即線性滲流定律，說明此時地下水的流動狀態(tài)呈層流。實驗條件：均勻介質(zhì)，一維流動，穩(wěn)定流，層流。是否適用：非均勻介質(zhì)，二維或三維流動，非穩(wěn)定流，層流條件？三、變水頭達(dá)西實驗非穩(wěn)定流達(dá)西實驗（實驗一）：水自上部加入，用溢水管保持穩(wěn)定水位，下部用管口出流，可通過它測定滲流量，用兩根測壓管來測量水頭值。達(dá)西定理：實驗結(jié)果：在非穩(wěn)定流條件下，地下水運動仍滿足線性滲流定律達(dá)西定律

7、適用條件1.臨界雷諾數(shù)Re（J.Bear)：2.臨界滲透流速vc（巴甫洛夫斯基）：3.臨界水力梯度Jc（羅米捷）：4.達(dá)西定律下限問題（J0)達(dá)西定律的應(yīng)用條件達(dá)西定律的上下限？非線性滲透定律1.1901年福希海默提出Re>10時：2.1912年克拉斯諾波里斯基提出紊流公式：四、達(dá)西定律的微分形式微分形式：滲透系數(shù)K從達(dá)西定律V=KI可以看出。水力梯度I是無因次的，故滲透系數(shù)K的因次與滲透流速V相同。一般采用m/d或cm/s為單位。令I(lǐng)=1，則V=K。意即滲透系數(shù)為水力梯度等于1時的滲透流速。水力梯度為定值時，滲透系

8、數(shù)愈大。滲透流速就愈大；滲透流速為一定值時，滲透系數(shù)愈大，水力梯度愈小。由此可見，滲透系數(shù)可定量說明巖石的滲透性能。滲透系數(shù)愈大，巖石的透水能力愈強。影響滲透系數(shù)大小的因素K=f(孔隙大小、多少、液體性質(zhì))巖層空隙性質(zhì)（孔隙大小、多少）由流體的物理性質(zhì)決定,與γ成正比，與μ成反比.流體的物理性質(zhì)與所處的溫度、壓力有關(guān)。滲透率滲透系數(shù)的表達(dá)式多孔