渗流力学基本理论

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1、目录第一章渗流理论基础11.1渗流的基本概念11.2渗流基本定律71.3岩层透水特征及水流折射定律111.4流网及其应用141.5渗流连续方程191.6渗流基本微分方程241.7数学模型的建立及求解32第一章渗流理论基础1.1渗流的基本概念1.1.1多孔介质及其特性1.1.1.1多孔介质的概念多孔介质(Porousmedium)：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，统称为多孔介质。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、石灰岩等。1.1.1.2多孔介质的性质(1)孔隙性：有效孔隙

2、和死端孔隙。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（Effectivepores）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（EffectivePorosity）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-endpores）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)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。其中固相的成为骨架，气

3、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，非饱和带中液相—水：吸着水Hygroscopicwater薄膜水pellicularwater毛管水capillarywater重力水gravitationalwater1.1.1.3多孔介质中的地下水运动比较复杂，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系统。1.1.2渗透与渗流1.

4、1.2.1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1.1.2.2渗流渗流（seepageflow）：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。其特点是：（1）假想水流的性质与真实地下水流相同；（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。渗流场（flow

5、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。1.1.2.3典型单元体典型单元体（REV，RepresentativeElementaryVolume）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m和渗透系数均连续。(2)渗流的要

6、素可以微分、积分，可以用微分方程来描述渗流要素。1.1.2.4渗流速度（1）过水断面（Cross-sectionalarea）是渗流场中垂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。图1-3渗流过水断面（a）实际渗透(b)假想渗流（2）渗流量（Seepagedischarge）是单位时间内通过过水断面的水体积，用Q表示，单位m3/d。（3）渗流速度（Specificdischarge/seepagevelocity）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

7、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/d，表示为（1-1）（4）实际平均流速（Meanactualvelocity）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：（1-1a