4.1.5 地下水渗流的思考、总结 1）地下渗流和实际的水流的比较
普通水流的流向是从总水头高的地方流向总水头低的地方 水流量的大小取决于水头差和水头损失 地下水水的流向也是从高水头流向低水头 流量的大小也取决于水头差和水头损失 普通水流在管道中运动取决于管道大小、形状及管壁的粗糙度 渗流运动取决于多孔介质空隙大小、形状以及其连通性
第四章 地下水运动的基本规律
4.1.4 渗透系数（K）
第四章 地下水运动的基本规律
4.1.4 渗透系数（K）
K
V I
渗透系数可定量说明岩石的渗透性能。 渗透系数愈大，岩石的透水能力愈强。
水流在岩石空隙中运动，需要克服隙壁与水及水质点 之间的摩擦阻力；
所以：渗透系数不仅与岩石的空隙性质有关，还与 水的某些物理性质有关。（水和石油）
C）渗流场任意一点的水头H和流速矢量V等运动要素 与实际水流在该点周围一个小范围内的平均值相等。
第四章 地下水运动的基本规律
3）渗流的微观分析——各种流速的比较
第四章 地下水运动的基本规律
4.1.6 达西定律的适用范围
雷诺数是指流体流动时的惯性力Fe和和粘性力F之比，
用Re表示，即：
Re
ul
ρ 为流体密度； u 为流体流速； μ 为流体动力粘性系数； l 为过流断面有效长度。
⑤稳定流：水在渗流 场内运动，各个运动 要素（水位、流速、 流向等）不随时间改 变时，称作稳定流
第四章 地下水运动的基本规律
⑥非稳定流：运动要素随时间 变化的水流运动，称作非稳定 流
第四章 地下水运动的基本规律
4.1 重力水运动的基本规律
4.1.1 达西定律—线性渗透定律
Q
KA
h L
KAI
Q V A
第四章 地下水运动的基本规律
结合水的运动规律： 曲线通过原点，说明只要施加微小的水力梯度，
结合水就会流动，但此时的渗透流速 V 十分微小。随 着 I 加大，曲线斜率（表征渗透系数 K ）逐渐增大， 然后趋于定值。
结合水：
非牛顿流体，性质介于固体与液体之间的异常液体， 外力必须克服其抗剪强度才能流动。
有的学者主张用临界流速Vcr来划分这一界限，并认为 Vcr=0.3～0.5cm/s。
当V>Vcr后，达西定律可修改为：V=KIm（m<1）。
第四章 地下水运动的基本规律
4.1.6 达西定律的适用范围
纯砾以上的很粗的土中 V-I关系曲线
粘性很强的致密粘土中 V-I关系曲线
第四章 地下水运动的基本规律
例如：在狭小空隙（如砂，砂土）中流动时，重力水 受介质的吸引力较大，水的质点排列较有秩序，可以认为 是层流运动。
④紊流运动：水的质点无秩序的、互相混杂的流动，称作 紊流运动
第四章 地下水运动的基本规律
第四章 地下水运动的基本规律
第四章 地下水运动的基本规律
第四章 地下水运动的基本规律
4.0 几个概念
第四章 地下水运动的基本规律
h
L
h
L
第四章 地下水运动的基本规律
如图，上方不断滴水，使砂柱顶端经常保持一极薄的水
层。已知渗透流量 Q 和过水断面面积ω，求渗透系数 K ，
并在图上标明达西公式相应的项。
Q
K
h L
KI
K
Q
1 I
Q
L h
第四章 地下水运动的基本规律
第四章 地下水运动的基本规律
4.1.2 渗透流速（V）
设有粘滞性不同的两种液体在同一岩石中运动。则 粘滞性大的液体渗透系数就会小于粘滞性小的液体。
在研究卤水、热水的运动时，就要考虑液体粘滞性
第三章 地下水的赋存
②确定潜水面的水面坡度 水面坡度：相邻两条等水位线的水位差除以其水平距离 水力梯度：沿渗透途径水头损失与相应渗透途径长度的比值
当潜水面坡度不大时，潜水面坡度可视为潜水水力梯度
砂柱的横断面积，包括砂颗粒所占据的面积及空隙所占据的面积 扣除结合水所占据的范围以外的水流实际流过的空隙面积
ne ne ——有效空隙度
第四章 地下水运动的基本规律
n ne
空间（孔隙度）
n
重力水所占据的空间——给水 度
毛细水所占据的空间
结合水所占据的空间
有
效 孔
ne
隙
度
对于粘性土，由于空隙细小，结合水所占比例大，所以 有效孔隙度很小。
本
4.3.0 岩层透水特征分类
规
4.3.1 均匀各向同性介质中的流网（信手流网的绘制）
律
4.3.2 层状非均质介质中的流网
第四章 地下水运动的基本规律
4.0 几个概念
①渗流：地下水在岩石空隙中的运动称为渗流 ②渗流场：发生渗流的区域称为渗流场
③层流运动：在岩层空隙中渗流时，水的质点做有秩序 的，互不混杂的流动，称作层流运动
第四章 地下水运动的基本规律
4.1.6 达西定律的适用范围
1＜Re＜10，层流，适用，地下水低速运动，粘滞 力占优势；
10＜Re＜100，层流，不适用，地下水流速增大， 为过渡带，由粘滞力占优势的层流转变为以惯性 力占优势的层流运动；
Re＞100，紊流，不适用。
达西定律是描述层流状态下渗透流速与水头损失关系的 规律，即渗流速度V与水力坡度I成线性关系只适用于层流范 围。在水利工程中，绝大多数渗流，无论是发生于砂土中或 一般的粘性土中，均属于层流范围，故达西定律均可适用。
第四章 地下水运动的基本规律
结合水的抗剪强度随着离颗粒表面距离的加大而降 低；
施加的水力梯度很小时，只有孔隙中心（距离颗粒 较远）抗剪强度较小的那部分结合水发生运动；
随着 I 增大，参与流动的结合水层厚度加大，即对 水流动有效的孔隙断面扩大。
因此，隐渗流阶段的 K 值是 I 的函数。
由于内层结合水的抗剪强度随着靠近颗粒表面而迅 速增大，当 I 进一步增大时，参与流动的结合水的厚度 没有明显扩大，此时，K 即趋于定值。
第四章 地下水运动的基本规律
4.1.4 渗透系数（K）
大风对田径比赛影响很大，田径比赛场地上风速超过 限制，所创造出的成绩将不被承认。
田径比赛规则上明文规定：距离200米和200米以下的 径赛以及跳远、三级跳远等项目，凡顺风时平均风速超过 每秒2米者，所创纪录不予承认。
国际业余田径联合会的规则规定，在田径比赛中，有 一部分项目要测定风速，主要有：100米、110米栏、200 米、跳远和三级跳远等项目。规则规定，当顺风风速超过 2米/秒时，比赛成绩只能用于决定当场比赛名次，而不能 作为比赛记录。
对于空隙大的岩层（例如溶穴发育的可溶岩，有宽大裂
隙的裂隙岩层）， n n e
第二章 岩石中的空隙与水分
2.3.5 透水性——岩石允许水透过的能力
以松散岩石为例，分析一个理想孔隙通道中水的运动情况
第四章 地下水运动的基本规律
4.1.3 水力梯度（I）
水力梯度（I）：沿渗透途径水头损失与相应渗透途径 长度的比值
水流通过单位长度渗透途径为克服摩擦阻力所耗失的 机械能
克服摩擦阻力使水以一定速度流动的驱动力
补充→液体（水）的粘滞性：液体具有易流动性，处 于静止状态时不能承受剪切力而抵抗剪切变形，但在运动 状态时，其内部会出现抵抗变形的特性。
液体在运动状态时抵抗剪切变形的性质称为液体的粘 滞性。
第四章 地下水运动的基本规律
=100分
=10分x10分 =10分/个x10个
=0.1元x0.1元 =0.1元/个x10个
=0.01元
=0.01元/个×100个
=1分
第四章 地下水运动的基本规律
第四章 地下水运动的基本规律
4.2 饱水粘性土中水（结合水）的运动规律
①V—I关系为通过原点的直线，服从达西定律 ②V—I曲线不通过原点，水力梯度小于某一值I0时无 渗透；大于I0时，起初为一向I轴凸出的曲线，然后转 为直线
第四章 地下水运动的基本规律
③V—I曲线通过原点，I小时曲线向I轴凸出，I大时为直线。
但以下两种情况可认为超出达西定律适用范围。
第四章 地下水运动的基本规律
4.1.6 达西定律的适用范围
一种情况是在纯砾以上的很粗的土中的渗流，且水力 坡降较大时，流态已不再是层流而是紊流。这时，达西定 律不再适用，渗流速度V与水力坡降I之间的关系不再保持 直线而变为次线性的曲线关系，如图所示。
层流进入紊流的界限，即为达西定律适用的上限。
4.0 几个概念
第 四 章
4.1 重力水运动的基本规律
4.1.1 达西定律—线性渗透定律
4.1.2 渗透流速（V）
地 下 水
4.1.3 水力梯度（I） 4.1.4 渗透系数（K） 4.1.5 地下水渗流的思考、总结
运
4.1.6 达西定律的适用范围
动 4.2 饱水粘性土中水（结合水）的运动规律
的 基
4.3 流网
第四章 地下水运动的基本规律
4.3 流网——准备知识
H
Z
p
g
u2 2g
m
m
kg
N/ / m3
m2 m/
s2
(m / s)2 2m/ s2
m
m
kg m / kg / m3
s2 / m2 m/ s2
(m / s)2 2m/ s2
mmmm
第四章 地下水运动的基本规律
4.3 流网——准备知识
1元
=100分
（以此种情况居多）
说明：只要施加微小的水力梯度，结合水就会流动，但 此时的V十分微小；随着I加大，曲线斜率（K）逐渐增大，然 后趋于定值
较多的学者认为，粘性土（包括相当致密的粘土在内）中 的渗透，通常仍然服从达西定律。例如，奥尔逊曾用高岭土作 渗透试验，加压固结使高岭土孔隙度从58.8％降到22.5％，施 加水力梯度I =0.2～40，结果得出V - I 关系为一通过原点的直 线。他解释说，这是因为高岭土颗粒表面的结合水层厚度相当 于20～40 个水分子，仅占孔隙平均直径的2.5％～3.5％，所以 对渗透影响不大；对于颗粒极其细小的粘土，尤其是膨润土， 结合水则有可能占据全部或大部孔隙，从而呈现非达西渗透。