地下水运动及涌水量计算

第三节　地下水运动及涌水量计算

地下水在岩土空隙中的水流通道曲折多变且缓慢，为计算简便，可以假想其充满岩土颗粒骨架的全部体积。通常把这种假想水流称为渗透水流，简称为渗流。按其形态可分为层流和紊流两种运动形式。层流运动是指水质点呈相互平行的流线运动；紊流的水质点运动则是杂乱无章的；具有紊流和层流共同特点的水流称混合流。

根据地下水的运动要素（如水位、流速、流向）随时间变化与否，又可将其分为稳定流和非稳定流两类运动形式。稳定流各运动要素不随时间改变；非稳定流运动要素随时间变化。此外，如果地下水的流速大小和方向沿着流程保持不变，这样的流动称为均匀流；反之，则为非均匀流。

一、线性渗透定律——达西定律

1856年，法国水力学家达西通过大量试验，得到地下水线性渗透定律，即达西定律：

Q＝KWI　　　（4-1）

I＝（H ₁＋H ₂）／L　　　（4-2）

式中：Q——单位时间内的渗透流量（出口处流量即为通过砂柱各断面的流量），m³／d；

　W——过水断面面积，m²；

　H ₁——上游过水断面的水头，m；

　H ₂——下游过水断面的水头，m；

　L——渗透途径（上下游过水断面的距离），m；

　I——水力坡度（即水头差除以渗透途径，其含义如图4-11所示）；

　K——渗透系数，m／d。

从水力学可知，通过某一断面的流量（Q）等于流速（v）与过水断面面积（W）乘积，即：

Q＝Wv　　　（4-3）

式中：v——渗透流速，m／d；

其他符号意义同前。

据此，达西定律也可以表达为另一种形式：

v＝KI　　　（4-4）

式中：各符号意义同前。

二、非线性渗透定律

地下水在较大的空隙中运动，且其流速相当大时，呈紊流运动，此时的渗流服从哲才定此时渗透流速（v）与水力坡度的平方根成正比，故称非线性渗透定律。

图4-11　水力坡度含义图

H ₁．B点水头；H ₂．A点水头；ΔH．水头压力差；L．从B点到A点的径流途径律：

三、地下水涌水量计算

在计算流向集水构筑物的地下水涌水量时，必须区分集水构筑物的类型。集水构筑物按构造形式可分为垂直的井、钻孔和水平的引水渠道、渗渠等。抽取潜水或承压水的垂直集水坑井分别称为潜水井或承压水井。潜水井和承压水井按其完整程度又可分为完整井及不完整井两种类型。完整井是井底达到了含水层的不透水层，水只能通过井壁进入井内；不完整井是井底未达到含水层下的不透水层，水可从井壁、井底同时进入井内。

土木工程中常遇到做层流运动的地下水在井、坑或渗渠中的涌水量计算问题，其具体公式很多，可参考《水文地质手册》。