弹性多孔介质渗流理论.ppt

第一章弹性多孔介质渗流理论基础,1.1多孔介质多孔介质指的是这样的一个体积；可以把它分成很多微小的体积，在每个小体积中，都包含有固体和流体；其中固体部分称为“骨架”，而充满流体(液体及气体)的部分称为“孔隙”。所有连通的孔隙所占的体积称为“有效孔隙”。在有效孔隙中，流体可以从一点连续运动到任意另外一点。在一般情况下，常认为孔隙都是连通的。以后如果不特别声明，就是把有效孔隙和孔隙看成一回事。在自然界，多孔介质指的是松散土层，含裂隙或溶隙的坚硬岩石，而含有溶洞或地下暗河的岩溶介质不属于这个范围。多孔介质具有孔隙性、压缩性和贮水或释放出水的一些性质。111多孔介质的孔隙性反映多孔介质的孔隙性，采用孔隙率或孔隙比。用以下的方法定义多孔介质在一点x(xl，x2，x3)的“孔隙率”n(x),式中U是包含x的小球体积；Uv是U中孔隙的体积，为大于分子间平均距离的小量。孔隙率n是一个无量纲的量，为0n1。孔隙比e的定义是孔隙体积与骨架体积之比，即,在土中，孔隙率n的大小与颗粒形状、排列方式以及粒径大小有关。,112多孔介质的压缩性实践证明，在荷载作用下，多孔介质会产生压密变形。例如，抽汲地下水引起地面沉降就是一种多孔介质压密变形。下面考虑处于静止状态下，承压含水层的受力情况(见图1-1)。为简化讨论，假设含水砂层的颗粒之间没有粘聚力。在含水层中切一水平的横截面，面积为A。若设A1，按Terzaghi一维固结理论，作用在该平面上的上冠荷载分别由颗粒(固体骨架)和水承担，即,式中为上覆荷载引起的总应力；为作用在固体颗粒上的粒间应力，即有效应力；p为孔隙水压力。,由(13)式可以分析多孔介质的压密过程是，抽汲地下水时，孔隙水压力降低，使得粒间应力即有效应力增加，而导致多孔介质压缩产生地面沉降。大多数情况下，压密属于一维变形，压密的时间延滞效应与土层的透水性性质有关。一般认为，砂层的压密是瞬时发生的，粘性土的压密时间较长。另外，根据试验结果，在饱和的情况下，土的孔隙比e与有效应力具有线性关系，即,式中。为土的压密系数。该式说明，孔隙比是有效应力的下降函数，随着有效应力的增加，孔隙比越来越小。多孔介质的压密变形是一种非弹性变形。为了计算简便，在本章中将多孔介质看成弹性体，用弹性体的应力应变关系式描述多孔介质的压密变形规律，即,式中为多孔介质骨架的弹性压缩系数；U为多孔介质中所取单元总体积(含骨架体积和孔隙体积)。多孔介质的贮水性或释放水的性质将在后面介绍。12空间平均方法多孔介质中流体的运动发生在骨架的孔隙和缝隙中，即流体在以孔隙或缝隙壁面为边界的小通道中运动。从这种尺度上研究多孔介质中的现象称为微观水平上的方法。由于多孔介质微观几何结构的复杂性，在实际上要从微观水平上进行研究是很难做到的。因此则只好从微观水平过渡到比较粗的宏观水平上来描述多孔介质中发生的各种现象。下面介绍的空间平均方法是实现这一过渡的杠杆。考虑渗流区域中的一个数学点x，其坐标为(xl，x2，x3)。以为中心的一个小球体或小立方体，记为U0(x)，被定义为多孔介质的一个质点。一方面把U0(x)取得足够大，使其中包含有相当多的固体颗粒和孔隙，以致我们可以得到在U0(x)上确定的一些物理量的稳定的平均值，例如，把U0(x)中的孔隙部分记为U0,v(x)，则当U0(x)的大小在一定范围内变动时，体积比,基本上保持为常数，因而可以把它确定为点x处的孔隙率。另一方面，U0(x)又是足够小，以致和整个渗流区域相比可近似看作一个点。这样定义的多孔介质质点也称为多孔介质的表征体元；让渗流区域中的每个数学点都联系着一个多孔介质质点，则本来是由固体颗粒和孔隙所构成的多孔介质，就可以近似看成是由完全充满空间的多孔介质质点所构成的连续介质，各种有关的量或参数，例如水头、浓度、孔隙率、渗透系数等也相应成为空间中的连续甚至可微的函数，从而避免了弄清多孔介质微观结构的困难。基于这一尺度研究多孔介质中发生的现象称为宏观水平上的方法。为简单起见，我们来考虑饱和流体，此时多孔介质的孔隙空间全部为所考虑的流体所充满。设a是对孔隙空间中流体所定义的一种微观水平上的量(数量或向量)，在表征体元U0(x)的孔隙空间U0,v(x)上量a的积分平均值为,a是与多孔介质质点相联系的量，是宏观水平上的量。,(1-7),n是(1-6)式确定的孔隙率。,(1-8),13渗流物理参数,1.3.1流体密度设多孔介质中液相的微观密度为，在多孔介质表征体元上的平均值。,(1-9),1.3.2溶质浓度对于多孔介质来说，组分既可能存在于液相中，也可能存在于固相中。用C,表示相中含溶质的浓度，并用,(1-12),表示相中溶质的平均浓度，其中U0,(x)是表征体元中相所占据的部分。,1.3.3流体粘度流体受到切向力作用时将发生连续的变形，即流动。流体阻止这一变形的性质称为它的粘滞性。所谓牛顿流体均服从下列牛顿粘滞定律,（1-13）,1.3.4流体速度设V为位于点x的流体质点速度,（1-14）,若用Va表示组分a的速度，则整个流体体系，可以定义以下两个平均速度，即质量平均速度,（1-15）,和体积平均速度,其中为组分a的质量因数，表示单位质量的混合液中含组分a的质量，而a为组分a的密度，为整个流体体系的密度；Va为组分a的体积因素，表示单位体积的混合液中组分a所占的体积。上述两个平均速度为多孔介质中多组分流体的微观速度，经空间平均可得宏观水平上的量，即表征体元上的平均值,（1-16）,当多孔介质为不可压缩的均质流体所饱和时，就有,（1-17）,（1-18）,式中q是达西渗流速度，也是一个宏观水平上的量：n是孔隙率；V是表征体元上的平均值，人们也称实际速度。,1.3.5压力与水头设液相在多孔介质表征体元中所占的部分为U0,(x)，p是液相中的微观静水压力分布，利用空间平均可得,（1-19）,（1-20）,称为多孔介质的平均孔隙压力，并称,为点x处的水头，其中z是点x相对于某一基准面的高度；是流体在点x处的宏观平均密度。,（1-21）,1.3.6多孔介质的含水率水在多孔介质中所占的比例可以含水率表示。水在点x的含水率为,（1-22）,1.3.7比表面在多孔介质的表征体元中，固体颗粒与孔隙之间的总面积S0与表征体元的体积U0的比值称为骨架的比表面，记为M0，即,（1-23）,1.3.8弯曲率流体质点在多孔介质中的微观运动实际上是沿着弯曲的通道绕过固体颗粒在孔隙空间中进行的。从微观上看，各点局部速度的大小和方向都不同于宏观的平均速度。作为一个物理模型，我们设想多孔介质的孔隙空间由若干弯曲的管子构成。图1-3是其中的一根管子，设管轴与平均流动方向(x方向)在同一个平面上，其长度为Le它在x轴上的投影长度为L。,称为管子的弯曲率。显然0T1，它反映管子弯曲的程度，管于弯曲的程度愈高，T值越小。由(1-26)式可知，T值的减小相当于增加了沿x方向的流动阻力。,（1-24）,1.3.9比贮水系数比贮水系数Ss定义为水头下降一个单位时，从表征体元中释出的水所占的体积，即,（1-25）,其中Uw表示U0中由于多孔介质骨架的变形和水的膨胀而释出的水的体积；h表示水头的下降值。,14渗流基本定律Darcy定律,141Darcy实验定律及其适用范围1856年，法国的H.Darcy在装满砂的圆管中(如图所示)进行实验。得到如下关系式,（1-26）,式中Q是渗流量；H1和H2是通过砂样前后的水头；l是砂样沿水流方向的长度；A是试验圆筒的横截面积，包括砂粒和孔隙两部分面积在内；K是比例系数，称为渗透系数，也称水力传导系数。,上式中的,即水力梯度J，故可改写为,（1-27）,上述两个关系式称为Darcy定律。它表示渗流速度q与水力梯度成正比关系。,Darcy定律有一定适用范围。根据Reynolds数判断，渗流速度q与水力梯度J呈直线关系，Reynolds数不超过l10时，地下水运动才符合Darcy定律。显然，Darcy定律适用范围为：地下水低沉速，以粘滞力占优势的层流运动范围。然而天然条件下，多孔介质中地下水流速都很小，绝大多数地下水运动都服从Darcy定律。,1.4.2Darcy定律的推广,在Darcy实验中，地下水作一维的均匀运动，即渗流速度和水力梯度的大小与方向沿流程不变。而实际情况，地下水运动是非常复杂的运动，渗流速度不仅沿流程变化，而且随介质的方向变化。因此，有必要将实验Darcy定律推广到以微分形式表示，即地下水在多孔介质中一点的渗流速度q与该点的水力梯度成正比,（1-28）,式中,为水力梯度。,对于各向异性多孔介质，三维流情形，Darcy定律可以表示为,（1-29）,采用向量表示，Darcy定律可以写为,（1-30）,式中,。如果利用求和约定，Darcy定律也,可以缩写为,（1-31）,对于各向同性介质，渗透系数约化为一数量，Darcy定律相应简化为,（1-32）,1.4.3渗透系数1渗透系数和渗透率渗透系数也称水力传导系数，是渗流力学中一个重要参数。根据(1-28)式，当水力梯度J=1时，渗透系数在数值上等于渗流速度。因为水力梯度无量纲，所以渗透系数具有速度的量纲。即渗透系数的单位和渗流速度的单位相同，常用cm/s或m/d表示。渗透系数不仅取决于多孔介质的性质(如粒度成分、颗粒排列、充填状况、裂隙性质和发育程度)，而且和渗透液体的物理性质(密度、粘滞性等)有关，可以表示为,式中,分别是在宏观平均意义下液体的密度和粘度，即和；g是重力加速度；k称为多孔介质的渗透率，它只与骨架性质有关，量纲为L2。对于各向异性多孔介质，渗透率k与渗透系数K一样，也是二秩对称张量。,（1-33）,2等效渗透系数在实际的土层中，渗透性很少是均匀而且各向同性的，这就给计算带来不少困难，因而人们常用一些“等价”的均匀模型来代。,151传输定理流体力学研究运动着的流体，会遇到求可变区域上积分的变化率问题。,1.5渗流的连续性方程,传输定理：设(t)是三维空间中一个随时间变化的区域，它具有光滑的边界S(t)；U(x,y,z,t)是一个(t)上的可做数量值(或向量值)函数，则,（1-34）,式中V为(t)点的运动速度，即表征体无上的平均值；n为外法线向量。,1.5.2渗流的连续性方程,（1-35）,这个方程称为多孔介质中流体运动的连续性方程，如果不用向量表示，令V(V1，V2，V3)，则上式就是,（1-36）,1.6渗流的基本方程,设想有一个承压含水层，其中渗透性为各向异性，但假定每一点的三个主渗透方向都相同，而且有一个与含水层顶底板垂直。于是取这三个主方向为坐标轴，z轴与顶板垂直。假设压力较大，水和孔隙都可压缩，但只能在垂直方向(z方向)压缩。如果垂直总应力为，可知有以下关系式,z,（1-37）,（1-38）,（1-39）,还有渗流连续性方程和Darcy定律,（1-40）,（1-41）,由这些已知关系就可以推出渗流的基本方程：,（1-42）,叫做含水层的“比贮水率系数”。,其中,如果渗流是稳定的，而且水的密度为常数，那末基本方程变成,（1-42）,而如果再设土是均匀而各向同性，则有,（1-43）,