地下水动力学1.4

第一章渗流理论基础肖长来吉林大学环境与资源学院2009-9§1.4流网及其应用1.4.1流网的概念•(1)流网(FlowNet)：渗流场中由一组流线与由一组等势线（当容重不变时为一组等水头线）相交组成的网格。对各向同性介质组成正交网。•流线（Streamline）渗流场内处处与渗流速度矢量相切的曲线。地下水动力学中流线的概念和水力学中的概念是完全一致的。流线应是一根处处和渗流速度矢量相切的曲线。因此，流线簇就代表渗流区内每一个点的水流方向。1.4.2流函数方程(1)流线的方程根据上述定义，没有水流穿越流线。如下图，在任一流线上取任意两点M(x,y)和M'(x+dx,y+dy)。M点的渗流速度矢量为v，它与它的两个分量Vx，Vy构成一个三角形MAB。自M'点作垂线Mb，并延长至a。图1-17流线当M与M'无限逼近时，弧线MM’可用切线Ma来代替，故有Mb=dx，ab=dy。因为MAB≈Mab，有以下等式成立---流线方程：(1-33a)•M和M’是任意流线上任选的两点。因此，上式对流线上的任一点都是正确的，可以把它看成是流线的方程，用它来描述流线。•上面的流线方程无论对各向同性和各向异性介质都是适用的。•在各向异性介质中，如果选取的坐标轴(直角坐标系)的方向分别与渗透系数的主方向一致，则上式变为：•对于各向同性介质，则式中的Kxx=Kyy=K。由于（1-33b）式只涉及一个点的水流情况，故也适用于非均质介质。(1-33b)(2)流函数方程设有二元函数Ψ(x,y)，其全微分为:若取这样一种函数，使•对其积分得：Y=常数。表明沿同一流线，函数Y为常数，不同的流线则有不同的函数值。称函数Y为流函数，又称Lagrange流函数，量刚为[L2T-1]。(1-34)则(1-35)（3）流函数的物理意义在无限接近的两条流线和上沿某等水头线取两个点a(x,y)和b(x+dx,y+dy)。自a、b分别做垂线和水平线，相交于c。见下图。图1-18流线研究表明，在均质各向同性介质中，流函数满足Laplace方程，而在其他情况下，流函数均不满足该方程。将（1-35）式在y1和y2区间积分得：由（1-37）可以得出：在平面运动中，两流线之间的单宽流量等于和这两条流线相应的流函数之差。在同一条流线上，dy=0，q=0，C=常数。(1-37)(1-36)由达西定律和（1-34）式，有：将（1-38）中第一式对y求导，第二式对x求导，得到：表明在均质各向同性介质中，流函数满足Laplace方程，而在其他情况下，流函数均不满足该方程。(1-38)整理得：(1-39)(4)流函数的特性①对于一给定的流线，流函数是常数。不同的流线有不同的常数值。流函数决定于流线。Y=c②在平面运动中，两流线之间的单宽流量等于和这两条流线相应的流函数之差。q=Y2-Y1③在均质各向同性介质中，流函数满足Laplace方程；而在其他情况下，流函数均不满足该方程。④在非稳定流中，流线不断地变化，只能给出某一瞬时的流线图。只有对不可压缩的液体的稳定流动，流线才有实际意义。2.流网的性质（1）在各向同性介质中，流线与等水头线处处垂直，流网为正交网格。（2）在均质各向同性介质中，流网中每一网格的边长比为常数。（3）若流网中各相邻流线的流函数差值相同，且每个网格的水头差值相等时，通过每个网格的流量相同。（4）若两个透水性不同的介质相邻时，在一个介质中为曲边正方形的流网，越过界面进入另一个介质时则变成曲边矩形。（1）在各向同性介质中，流线与等水头线处处垂直，流网为正交网格。由（1-38）式，得：消去K，得：等水头线流线式中i，j——单位矢量。(1-40)(1-41)在非均质各向同性介质中，上式亦成立。（2）在均质各向同性介质中，流网中每一网格的边长比为常数。式中dl——相邻流线的间距；ds——等势线的间距。通常取ds/dl=1，流网为曲边正方形。(1-42)(1-43)(1-44)（3）若流网中各相邻流线的流函数差值相同，且每个网格的水头差值相等时，通过每个网格的流量相同。式中——网格相邻两等势线间的平均长度；——网格相邻两流线间的平均宽度。若上下游总水头差Hr=H1-H2，则m个水头带中每一网格的水头差为(1-45)(1-46)(1-47)图1-20双层地基中的流网图图1-19承压水完整井抽水时的流网图(a)—平面图；(b)—剖面图（4）若两个透水性不同的介质相邻时，在一个介质中为曲边正方形的流网，越过界面进入另一个介质时则变成曲边矩形。当，且时，1.流网的绘制可采用解析法、各种模型试验法、徒手绘渐进法绘制流网。（1）确定边界条件①河渠的湿周为一条等水头线。②平行于隔水边界可绘制流线。③无入渗补给及蒸发排泄，有侧向补给，做稳定运动时，地下水面是一条流线。④有入渗补给时，地下水面既不是流线也不是等水头线。1.4.3流网的绘制与应用图1-21等水头线，流线与各类边界的关系1.含水层；2.隔水层；3.潜水面；4.等水头线；5.流线；6.河渠水面；7.降水入渗（2）根据已经确定的边界条件，根据流网的性质可以判定另一条件，作出流网。（3）根据流网的性质绘制，各向同性含水层中，流线与等水头线处处正交，网格边长比为常数。（4）在同一渗流区内，除奇点外，流线与等水头线各自不能相交；如遇透水性大的透镜体时，则流线向该点汇集，反之则绕行。流线穿越突变界面时，应用水流折射定律绘制。2.流网的应用（1）定量计算渗流区中的渗流运动要素①水头H、渗透压强P②水力梯度J、渗流速度v③流量q式中m、n——水头带数目、流带的数目。（2）定性分析渗流区的水文地质条件及其变化。（3）主要用于解决稳定渗流问题。(1-50)(1-47)(1-48)图1-22几种情况下的流网（a)—导水性变化影响；（b）—不透水带的影响；（c）—强透水带的影响图1-23河间地块流网图1.流线；2.等水头线；3.分流线；4.潜水面；5.河水位；6.井，涂色部分有水；7.代表矿化度大小的符号，圆圈越多，矿化度越大；8.降水入渗；9.绘制流网的大致顺序图1-24Hubbert流动模型的流网图（据Hubbert）(a)—Hubbert模型；(b)—地下水流的基本情况图1-25河流附近的流网图•图1-26有限深透水地基上的重力坝•Gravitydamonperviousfoundationoffinitedepth(CourtesyofMcGraw-HillBookCompany)，FromSeepageAnalysisandControlforDams，EngineerManual，1993图1-27某地的流网图图1-28叠加抽水井的流网图