CN103837324B - 一种渗流规律研究的方法及实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种渗流规律研究的方法及实验装置，其属于流体动力学和渗流动力学研究领域。它依据作用学而得出渗流规律研究的方程组其实验装置主要包括地下本体，所述地下本体内设有供水源区域和储水盆地区域，所述供水源区域与地下水区域通关渗流通道连通；所述储水盆地区域的底部设有自然排泄流通道，所述储水盆地区域内设有人工排泄流通道。本发明主要用于解决水文地质问题或矿井涌水预测等方面的工程问题，还可以用于其它地下水渗流规律的研究。

Description

一种渗流规律研究的方法及实验装置

技术领域

本发明涉及一种渗流规律研究的方法及实验装置，其属于流体动力学和渗流动力学研究领域。

背景技术

过去，人们研究地下水运动现象的理论依据主要是达尔西定律，而达尔西定律是一个存在很大缺陷的定律，不能正确指导人们研究渗流运动规律，所以，在实际问题解决中，人们经常遇到困惑。达尔西定律缺陷是先天性的，达尔西渗流实验和定律是建立在一个不完整的动力学观念基础上的。达尔西认为，控制地下水运动的动力来源是水头压力，除此之外没有别的动力存在，所以，达尔西的渗流实验只考虑水位差与渗流量两者之间的关系，进而根据实验结果得到了达尔西的渗流定律：渗流量与水位差量(H-h)成正比，与渗流断面面积S成正比，与渗流距离L成反比。其数学表达式为

在实际问题研究中，人们发现，控制地下水运动的因素主要有两方面：其一是整个水流体体系的初始动量和其受的驱动作用量，其二是控制地下水运动的地层性质(包括阻水性质和透水性质，即阻水能力、阻水率和通水能力、通水率两方面性质)。渗流量与渗流距离没有任何关系，而与渗流空隙大小存在直接关系。例如，只要存在空隙，不管多远，水流在作用控制下都可以流过去，若没有空隙，就没有任何渗流量，无论是多么短的距离都不会有任何渗流量。水位压力虽然可以构成渗流运动的一个动力来源之一，但它并不是控制地下水运动的唯一动力，并且，水位高度生成于源头给水和此处阻水并存水的客观条件，即与渗流量一样，水位也是渗流系统中水流体受作用的必然产物。源头给水水体受的作用量和此处限制流动的阻水、存水条件造就了水位的形成，源头给水水体受的作用量和地层允许地下水渗流的空隙造就了渗流量的生成。这种客观事实与达尔西实验、定律都是大相径庭的，很难融合，这表明达尔西定律存在缺陷。

发明内容

本发明提供一种有关渗流规律研究的方法，以及利用该方法研究渗流规律的实验装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

地下无排泄通道，供水源流量Q的一部分通过渗流通道渗流到储水盆地，渗流量是q，渗流断面的面积是S，渗流断面的孔隙度是E；另一部分在供水源区域生成水位高度为H；在渗流区下游，由渗流量和下游阻止水流动的障碍物生成的阻力导致生成下游水的水位高度为h，以及排泄流量q_p，这些量间存在着天然的平衡统一关系规律，这种关系规律如下：

根据作用学研究结果发现，研究地下水运动规律有一种新的方法叫做作用对立统一理论方法。即，由方程组

确定的理论方法。根据作用学，控制渗流运动的作用量来自供水源源头，其量的大小与供水源流量Q、渗水流断面面积S、水头压力差△h＝H-h、水位分布面积S_h以及渗流断面的孔隙度E有关，即，控制渗流运动的作用量是

渗流运动的实际动量为该动量等于虚作用量，即

渗流受的阻碍作用量是该作用量等于流体受的实作用量的负值，即

又因为

所以，

因此，(H-h)g＝T[Q²/S+(H-h)g].由此得到描述渗流规律的方程组

该方程组明确了渗流量、水位压力、供水流量之间的关系规律，为指导人们完成地下水运动规律提供了方程与方法。由该方程组得知，当供水流量等于零时，即当Q＝0时，渗流量直接受水位压和渗流孔隙度两种因素控制，即当Q＝0、h≤0时，当Q＞0、H≤0、h≤0时，q＝EQ，此时，渗流量只与孔隙度、供水流量大小有关。

一种渗流规律研究的实验装置，包括地下本体，所述地下本体内设有供水源区域和储水盆地区域，所述供水源区域与地下水区域通过渗流通道连通；所述储水盆地区域的底部设有自然排泄流通道，所述储水盆地区域内设有人工排泄流通道。

本发明的有益效果是：可以正确说明渗流运行规律与探测方法，查明供水源流量、排泄流流量、供水源区水位、排泄区水位、供水源区水体分布面积、排泄区水体分布面积、渗流量、渗流断面孔隙度和排泄断面孔隙度等，从而根据本发明所解释的规律建立方程，求出所需要的未知量，进而解决水文地质问题或矿井涌水预测等方面的工程问题。

附图说明

图1描述自然界存在的渗流体系包括补给流和渗流两个要素，其状态处于自然平衡状态；

图2描述自然界存在的渗流体系包括补给流、渗流和排泄流三个要素，其状态处于自然平衡状态；

图3描述自然界中存在的渗流平衡状态被抽水井抽水工程打破后建立起新的平衡状态；

图4描述自然界中存在的渗流平衡状态被矿井工程打破后建立起来的新平衡状态。

在图中，1、地下本体；2、地面；3、储水盆地区域；4、地下水水位线；5、渗流通道；6、供水源水位线；7、供水源区域；8、自然排泄流通道；9、抽水井；10、矿井。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

在图1所示渗流体系中，渗流运动体系中的排泄通道在地面上，位置较高，排泄流量q等于渗流量q₁。即，q＝q₁.

可见，渗流量与水源供水流量和渗流通道的可渗、可流性质特征值(或叫做孔隙度的参数)存在直接关系，与水位梯度也有联系；水位差与供水流量存在直接关系，与不可渗性质特征值(或叫做密实度或阻水率的参数)有直接关系。但是，渗流量与供水流量之间的关系并不是达尔西定律所描述的那种关系。

图2所示实验所描述的渗流运动体系中，储水盆地区域的底部的排泄通道位置较低，所示渗流体系中的水位h值有可能小于等于0，也有可能不存在。但是，这不影响渗流量与供水流量、水头压力三者之间的关系规律。即，在图2所示体系中，渗流量与供水流量、水头梯度三者之间的关系规律

保持不变。但是，在图2所示渗流体系中，渗流量与排泄流量之间的关系与图1所示关系有很大差别。在图2所示渗流体系中，渗流量与排泄流量之间的关系式为

q＝q₁+E₂sv.

式中，q表示从供水水源渗到地下水盆地的渗流量；q₁表示排泄流量；s表示水位面积；v表示水位上升的速度，h表示储水盆地地下水水位的高度，t表示水位生成的时间；E₂表示储水盆地地层的孔隙度。由于q₁＝E₁q，E₁表示排泄通道的孔隙度，所以，

式中，T₁表示排泄通道的密实度，叫排泄通道的实度，等于排泄通道的阻水率。如果E₁＝E₂，则有

图3所示渗流体系中增加了抽水井，打破了原来地下水渗流体系的自然平衡状态。大家知道，打井、进行抽水试验的主要目的是了解、掌握打井区域地下水的渗流规律或说是地下水的赋存状态，渗流量q等于排泄流流量q₁、排水井抽水量q₂和盆地滞留水量三者之和。即

qt＝q₁t+E′sh.

由于抽水量q₂、水位h都是已知量，所以，只要查明盆地孔隙度E′和排泄流量q₁，我们就可以确定供给地下水盆地的渗流量q值。

图4所示实验装置与图3所示实验装置的差别为：矿井比抽水井的开拓空间增大，与渗流运动相关的各个量之间的相互关系并没有改变。但是，一般情况下，由于矿井的大量排水，使矿井的地下水自然排泄流中断，即q₁＝0，从而规定矿井涌水量q₃就等于供水水源补给的渗流量与矿井区地层滞留水量之差。即

另外，在勘探阶段，人们总是通过图3所示系统来认识地下水情况，进而得出结论，然后，根据所得结论来预测未来建设的矿井涌水情况，即预测图4条件下的矿井涌水量。据研究，这种探测与预测可根据如下公式来进行：

式中，E_钻孔表示钻孔围岩的孔隙度；E_矿井表示矿井围岩的孔隙度；Q_矿井表示矿井涌水量；Q_矿井表示钻孔涌水量。由于

所以，我们就将矿井预测问题归结为钻孔孔壁孔隙的面积S_钻孔孔隙、钻孔孔壁的面积S_钻孔孔壁、矿井井巷工程围岩的孔隙面积S_{矿井工程围岩孔隙}、矿井井巷工程围岩面积S_{矿井工程围岩}与钻孔用水量和矿井涌水量之间关系的研究。即

在在水文地质调查与勘探过程，具体操作就是根据本发明所揭示规律与方法要求，查明供水流流量、排泄流流量、供水源区水位、排泄区水位、供水源区水体分布面积、排泄区水体分布面积、渗流量、渗流断面孔隙度和排泄断面孔隙度等，从而根据本发明所解释的规律建立方程，求出所需要的未知量，进而解决水文地质问题或矿井涌水预测等方面的工程问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种矿井涌水的预测方法，其特征在于：

其实验装置包括地下本体，所述地下本体内设有供水源区域和储水盆地区域，所述供水源区域与储水盆地区域通过渗流通道连通；所述储水盆地区域的底部设有自然排泄流通道，所述储水盆地区域内设有人工排泄流通道；

使用该实验装置的方法，查明供水源参数和渗流通道参数，其中，供水源的参数包括供水源流量、供水源水位、供水流断面面积和供水源水位分布面积，渗流通道的参数包括渗流断面面积、阻水率、渗流量和孔隙度；在无地下排泄流的条件下，根据作用学，得到描述渗流规律的方程组

$\left\{\begin{array}{c}q=E\sqrt{Q^2+(H-h)g},\\ (H-h)=\frac{{\mathrm{TQ}}^2}{(1-T)Sg}=\frac{{\mathrm{TQ}}^2}{ESg}\end{array}\right.$

其中，Q为供水流量，q为渗流量，S为渗流断面的面积，E为渗流断面的孔隙度，H为供水流的水位高度，h为下游水的水位高度，T为等同于阻水率的实度。

由该方程组得知，当供水流量等于零时，即当Q＝0时，渗流量直接受水位压和渗流断面的孔隙度两种因素控制，即当Q＝0、h≤0时，当Q＞0、H≤0、h≤0时，q＝EQ，此时，渗流量只与渗流断面的孔隙度、供水流量大小有关；根据该方程组，求出渗流量q，实现矿井涌水情况的预测。