地下水的運動方式,地下水運動有何規律?達西定律的物理概念是什麼?何為土的滲透係數

時間 2021-08-31 10:13:39

1樓:中地數媒

基坑降水的效果及環境影響程度和地下水的賦存形式、運動規律有直接關係:

(1)地下水與基坑降水

在地殼中,岩土體是由固態相、液態相和氣態相的物質組成,固態相主要為矽鋁酸鹽類礦物組成的顆粒或顆粒集合體,液態主要是水,氣態主要為空氣。因而將賦存於地面以下岩土體空隙中的水稱為廣義的地下水(undergroundwater)。地下水可以以重力水、結合水(又可分為強結合水、弱結合水)、毛細水等形式存在於岩土體的顆粒間空隙、顆粒表面,在常壓下可以呈靜止狀態和流動狀態(層流和紊流)。

地下水對岩土體的物理力學性質影響極大。

岩土層按其透過和給出水的能力劃分為含水層和隔水層,能夠透過並給出相當數量水的岩土層稱為含水層,不能透過並給出水或透過和給出水的數量很少的岩土層稱為隔水層。因此,含水層和隔水層的劃分是相對的,並不存在截然的界限或絕對的定量標誌,以前的劃分主要考慮給出水的數量是否滿足開採利用的實際需要,當立足於工程降排水的角度時,就發現許多供水工程中認為沒有價值的隔水層在降排水工程中有著重要意義。

地下水賦存於岩土體的空隙中,在多數條件下處於徑流狀態,參與自然界中大氣水、地表水、地下水的「三水迴圈」。地下水動態受氣候週期性變化影響明顯,也受到地表水體變化的影響和人類活動的影響。按地下水賦存的條件,沿岩石圈深度方向的垂直分佈,地下水分為包氣帶水、潛水和承壓水,後兩者為飽水帶中的地下水,既有重力水又有結合水。

包氣帶水即包氣帶中的水,連續地下水面以上,主要以結合水形式存在,靠近潛水面有毛細水,區域性還有重力水,特殊的還可以形成上層滯水。潛水是飽水帶中第一個具有自由水面的含水層中的水。其基本特點是與大氣圈及地表水聯絡密切,積極參與水迴圈,埋藏位置相對淺,上無連續隔水層。

承壓水埋藏於相對隔水層之下,水位具有承壓性,並有一定的承壓水頭。

基坑降排水工程主要發生於鬆散土體中,與基坑降排水工程關係密切的地下水主要為包氣帶水,潛水,有時會涉及到承壓水。包氣帶中的水特別是上層滯水,以重力水和結合水形式存在於包氣帶中,呈島狀、透鏡體狀分佈,易與潛水混淆。兩者區別主要有以下三點:

首先,上層滯水沒有明顯的補給、徑流和排洩等水文地質單元的基本要素特徵;其次,上層滯水沒有連續性地下水水位,且變化大,常無規律;最後,上層滯水分佈範圍小,補給受氣候和人類活動的影響很大。由於基坑工程的範圍比水文地質單元所指的區域小的多,水文地質中較小湧水量對基坑的作用也可能重大,某一上層滯水對供水工程可能毫無意義,但對基坑工程可能就必須採取降、排水措施,所以在基坑工程中要給予上層滯水足夠的重視。包氣帶中飽水度、持水度大,給水度小的粘性土、淤泥質土中的土壤水對基坑工程的影響也很大,主要以結合水形式存在,包括吸著水和薄膜水。

在常壓下基本處於停滯狀態,鑽進後能在鑽孔中釋出少量的水,形成地下水位,工程中應加以重視。

裂隙水按其分佈條件可劃分為土體中的裂隙水、風化巖體中的裂隙水、帶狀裂隙水等。由於帶狀裂隙水的分佈呈條帶分佈,補給條件好的地段應特別注意。賦存於可溶岩巖體中的岩溶裂隙水和溶洞水統稱為岩溶水。

規範中指出(中華人民共和國建設部,1999),當遇到基岩、水下及涵洞時的降水工程為特殊性降水工程,並提出應有相宜的措施。

(2)地下水運動

地下水運動總體上可以劃分為飽水帶重力水的運動和包氣帶毛細水以至結合水的運動,一般提到的地下水運動均指飽水帶重力水運動。地下水在岩土空隙中的運動稱為滲流,發生滲流的區域稱為滲流場。以水質點有無秩序、混雜與否,滲流分為層流和紊流。

又以各運動要素(水位、流速、流向)是否隨時間發生變化,滲流劃分為穩定流和非穩定流。

由於空隙的形狀、大小、連通性等各地層不盡相同,地下水的滲流也不相同,由於無法研究個別水質點的運動規律,就設想水體充滿含水層的整個空間來代替空隙內流動的真實水流,並假定任一斷面與真實水流通過這一斷面的流量、壓力和所受阻力均相等。

地下水滲流一般遵從達西定律,即

基坑降水工程的環境效應與評價方法

式中:q——滲透流量(m3/d);

ω——過水斷面(m2);

v——滲透流速(m/d),並非實際流速,v=ne·u即等於有效空隙度乘實際流速;

i——水力梯度;

k——滲透係數(m/d);

dh——沿地下水滲透方向上的水頭損失(m);

dl——與dh相對應的滲透途徑長度(m)。

實際上,達西定律只在雷諾數為1~10的層流狀態下才適用,但一般天然狀態下的地下水運動,或控制抽水量的抽水井周圍含水層的地下水運動,大部分屬於這部分層流。

滲流常用的另一個微分方程是滲流的連續性方程,見(2.2)式。

基坑降水工程的環境效應與評價方法

式中:vx,vy,vz——座標軸方向的滲透速度分量;

p——液體密度;

n——孔隙度;

nδxδyδz——液體所佔的體積。

連續性方程是研究地下水運動的基本方程,研究地下水運動的各種微分方程都是根據連續性方程和反映能量守恆與轉化的定律的方程(如上述達西定律)建立起來的。

基於式(2.1)和(2.2)人們已推匯出潛水和承壓水運動的基本微分方程。

對於潛水含水層裘布依(dupuit)提出以下假設:潛水面通常不是水平的,故流速存在垂直分量,裘布依於2023年基於大多數地下水流的潛水面均很小這一事實,假設潛水面上的任意一點的滲透速度方向與潛水面相切,從而可以忽略滲透速度的垂直分量vz。

潛水二維非穩定流的流動微分方程如(2.3)式:

基坑降水工程的環境效應與評價方法

式中:kx,ky——分別為x,y方向上的滲透係數;

ε——垂向補給強度,即單位時間單位面積上的垂向補給量(補給為正、排洩負);

μ——潛水面下降時為重力給水度,上升時為飽和差,水和固體骨架的彈性貯存變化忽略不計;

zz——含水層底板標高函式。

這就是著名的布西涅斯克(boussinesq)方程(1904)。實際工作中,由於抽水疏乾等原因,承壓含水層會出現無壓狀態,即水頭值低於隔水頂板標高,這種無壓水的流動也可用上式描述。若隔水底板頂面水平,且水頭函式h(x,y,t)的基準面取在隔水底板頂面處,則(2.

3)式可寫為:

基坑降水工程的環境效應與評價方法

承壓水二維非穩定運動的微分方程,當承壓含水層為均質和各向同性時的方程為:

基坑降水工程的環境效應與評價方法

式中:ss——貯水系數,無量綱量;

t——導水系數(t=κm);

m——承壓含水層厚度。

2樓:匿名使用者

層流和紊流應該都會出現,層流就是相對比較穩定和緩,紊流比較紊亂,流速較大。

地下水運動有何規律?達西定律的物理概念是什麼?何為土的滲透係數

3樓:命運終點

達西定律(darcy's law)描述飽和土中水的滲流速度與水力坡降之間的線性關係的規律,又稱線性滲流定律。2023年由法國工程師h.p.

g.達西通過實驗總結得到。1852-2023年,達西進行了水通過飽和砂的實驗研究,發現了滲流量q與上下游水頭差(h2- h1)和垂直於水流方向的截面積a成正比,而與滲流長度l成反比,即:

q=k*a*(h2-h1)/l。

確定滲透係數大小:取地區經驗資料或者類似工程地質水文地質條件下的相鄰工程滲透係數資料;)取樣室內測試,測定滲透係數;3

)抽水、壓水、注水試驗或其他原委測試

試驗測定滲透係數。

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