理论教育 工程水文地质学中渗流分类及流速变化特征

工程水文地质学中渗流分类及流速变化特征

时间:2023-09-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:为了便于分析研究,对渗流可从不同的角度进行分类。渗流速度沿流程发生变化的渗流称为非均匀流。通过单位渗流宽度的流量称为单宽流量,用q表示。

工程水文地质学中渗流分类及流速变化特征

为了便于分析研究,对渗流可从不同的角度进行分类。

1.稳定流与非稳定流

稳定流与非稳定流是根据渗流的运动要素是否随时间变化来划分的。如果在渗流场中任一点处,渗流的运动要素不随时间改变,这种渗流是稳定流(其运动称为稳定运动)。稳定流的运动要素与时间无关,它们是空间坐标的函数。以水头及渗流速度为例,可以表示为

如果在渗流场中任一点处,渗流的运动要素中只要有一个是随时间变化的,则此渗流为非稳定流(其运动称为非稳定运动)。非稳定流的运动要素是时间和空间坐标的函数,以水头及渗流速度为例,可表示为

严格地说,天然条件下地下水运动都属于非稳定流。但当地下水的运动要素在某一时段内变化不大,或地下水的补给、排泄条件随时间变化不大时,为便于计算,可以近似地视为稳定流。

2.有压流与无压流

有压流与无压流是根据渗流是否具有自由表面,即自由表面上的压强是否为大气压强来划分的。如果渗流不具有自由表面,即渗流场中任一点处的压强都不为大气压(一般大于大气压强)时,这种渗流称为有压流(承压水)。如果渗流具有自由表面,自由表面上的压强为大气压强时,这种渗流则是无压流(潜水)。若两隔水层间地下水没有充满整个透水岩层时,渗流亦为无压流。

3.层流与紊流

地下水在运动时,根据水的质点是否呈有秩序地运动分为层流与紊流。水质点有秩序地呈相互平行而互不干扰的运动,称为层流运动;水质点相互干扰而无秩序的运动,称为紊流运动。天然条件下地下水在岩层空隙中的运动速度一般很小,多为层流运动,只有在空间较大的裂隙或溶穴中运动时,地下水流速大时,才可能出现紊流。

4.均匀流与非均匀流

渗流速度沿流程不变的渗流称为均匀流。均匀流沿流程渗流断面的大小、形状不变,流线呈直线相互平行[图4-2(a)]。渗流速度沿流程发生变化的渗流称为非均匀流。非均匀流的渗流断面沿流程发生变化,流线彼此不平行,且不为直线[图4-2(b)]。

在非均匀流中,根据运动要素改变程度又可分为缓变流与急变流。相邻流线之间的夹角很小,近似于平行直线的渗流,称为缓变流,反之,则为急变流。在天然条件下,地下水的运动大多为缓变流。为研究方便,在缓变流运动中,通常假定渗流过水断面为平面,且在同一断面上各点的水头值相等。

5.一维流、二维流和三维流(www.daowen.com)

根据渗流速度向量V与所选坐标系{O-XYZ}的关系,可将渗流分为一维流、二维流和三维流。

在流线相互平行的渗流场中,可选择坐标系中任一坐标轴(如OX轴)与渗流速度向量相一致,此种情形下的渗流就称为一维流(又称单向流)。图4-8所表示的隔水顶、底板呈直线平行埋藏的等厚、等宽、均质承压含水层中的渗流就属一维流。

二维流各点的速度向量均与某一平面平行(因而又有平面流之称)。因此,可选择坐标系中任一坐标面与此平面相平行(或重合),在此坐标面上可将渗流速度向量分解成两个速度分量。例如,对于两平行河流的河间地块中的潜水流(图4-9)来说,任一点处渗流速度V的方向均与XOZ平面平行,于是可沿X、Z两坐标方向将V分解成Vx及Vz两个分量。

根据二维流的特点,可以采用多个等间距分布的、且与XOZ(或XOY)平面平行的平面,把含水层分成多个运动特征完全相同的部分。于是,取一个单位宽度(或厚度)的渗流进行研究就可掌握整体渗流的运动特征。

通过单位渗流宽度的流量称为单宽流量,用q表示。通过渗流宽度为B的流量Q应为

三维流又称空间流。三维流各点的速度向量相互之间不平行。例如,在潜水含水层中抽水时,虽然各点处的渗流均沿径向向井中运动,然而渗流速度向量并不与某一平面或某一方向平行。在图4-10中的点A处,渗流速度V在三个坐标方向上的分量分别为Vx,Vy及Vz

图4-8 一维流

图4-9 二维流

图4-10 三维流

严格地讲,自然界中的地下水流均为三维流,需要考虑运动要素在空间三个坐标方向上的变化,条件较为复杂,求解往往极为困难。通常,渗流在水平方向上的速度分量远大于垂直方向上的速度分量,因此有可能忽略后者,把三维流近似作为二维流(在某些条件下甚至可以近似作为一维流)进行研究,便于求解。

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