第五章包气带水运动4

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1、Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础水文地质学基础Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础水文地质学基础第五章第五章 包气带水的运动包气带水的运动西北农林科技大学水利与建筑工程学院西北农林科技大学水利与建筑工程学院Company L本章内容本章内容 5.1 毛细负压与毛细压力水头毛细负压与毛细压力水头5.2 毛细压力水头的测定方法毛细压力水头的测定方法 5.3 毛细上升高度与速度毛细上升高度与速度5.4 包气带水的下渗运动包气带水的下渗运动5.5 包气带岩石的渗透系数包气带岩石的渗透系数Company L毛细负压与毛细压力水头毛细

2、负压与毛细压力水头v 包气带特点包气带特点复习复习 v 毛细水中：讨论过毛细水中：讨论过 毛细现象、毛细力、毛细水的存在形式毛细现象、毛细力、毛细水的存在形式 v 毛细负压毛细负压（毛细水头），（毛细水头），毛细上升高度，毛细上升速度毛细上升高度，毛细上升速度 毛细负压与毛细压力水头毛细负压与毛细压力水头 液体表面有一个张力（相互吸引，如同一个薄薄的膜）液面液体表面有一个张力（相互吸引，如同一个薄薄的膜）液面就会发生弯曲，当弯曲呈半圆形时（就会发生弯曲，当弯曲呈半圆形时（细小）细小）弯液面上，表面张力的合力称为弯液面上，表面张力的合力称为毛细力毛细力（f）作用在弯液面（半圆）上，称为作用在弯液

3、面（半圆）上，称为毛细压强毛细压强 v v)11(21RRsfpcCompany Lv当弯曲液面为半圆时（湿润角当弯曲液面为半圆时（湿润角=0），），R1=R2 v v v 为液体的表面张力系数，为液体的表面张力系数，R1与与R2为弯曲液面的为弯曲液面的2个曲率个曲率半径半径 v毛细压强是有方向的，对液面来说（是水），这是毛细压强是有方向的，对液面来说（是水），这是个负压强个负压强又称又称毛细负压毛细负压（pc）v压强转化为水柱高度表示（压强转化为水柱高度表示（hc）(下面继续介绍下面继续介绍)直径直径D D4 4R R2 2)R R1 1R R1 1(p p2 21 1c c毛细负压与毛细压

4、力水头毛细负压与毛细压力水头毛细负压Company Lv压强转化为水柱高度表示（压强转化为水柱高度表示（hc）v v v v取取 1g/cm3;g=981cm/s2,=74dyh/cm=7410-3N/m D毛细管直径（用毛细管直径（用mm表示）表示）vhc毛细压力水头毛细压力水头（m）又称毛细压头）又称毛细压头 D D0 0.0 03 3w wc cp pg gc cp pc ch h毛细负压与毛细压力水头毛细负压与毛细压力水头毛细压头Company LHA=0 HB=？HC=？HA=ZA+hA HB=ZB+hB 毛细压力水头，又称毛细压头毛细压力水头，又称毛细压头Company L毛细压力

5、水头的测定方法：毛细压力水头的测定方法：v 在在饱水带饱水带中（用水力学原理）：测量任一点的压力水头中（用水力学原理）：测量任一点的压力水头用用测压管（压力计）测压管（压力计）HA=ZA+hA v 在在包气带包气带中（测负压）：中（测负压）：张力计张力计（tensionmeter）前端装上多孔陶瓷头（捧）；插入土中；张力计管中充满了前端装上多孔陶瓷头（捧）；插入土中；张力计管中充满了水，在非饱和土中，空隙中的负压与张力计液面高度平衡后，水，在非饱和土中，空隙中的负压与张力计液面高度平衡后，张力计形成的负压与所测点张力计形成的负压与所测点B相等时，张力计上的相等时，张力计上的-hBc即为测即为测

6、点的负压点的负压 例例：HB=ZB+hBc=ZB+(-hBc)=HB （图示）（图示）n如果测得包气带中如果测得包气带中HBHC，其意义如何（与水力学水头概，其意义如何（与水力学水头概念一致），水流运动方向为念一致），水流运动方向为BC，入渗水流，入渗水流 n如果测得包气带中如果测得包气带中HB HC，水流运动方向为，水流运动方向为CB,水流？水流？张力计Company L水水陶土头陶土头土体土体hcCompany L毛细上升高度与上升速度毛细上升高度与上升速度5.3.1 毛细上升高度与毛细上升速度毛细上升高度与毛细上升速度 毛细压力水头与毛细压强的概念，观察毛细管中水的运动毛细压力水头与毛细

7、压强的概念，观察毛细管中水的运动 1 1）插入水中初始：瞬时刻）插入水中初始：瞬时刻 v HA=ZA+0=0 v HB=？HB=ZB+pc/g v HB=ZB+(-hc)=-hc v HC=?=ZC+(-hc)=0 2 2）最后：）最后：HA=HC （管中水不运动（管中水不运动静止液体）静止液体）此时毛细管中的最大上升高度此时毛细管中的最大上升高度h hc c 称为毛细上升高度称为毛细上升高度,它在数值上等于该管所具有的毛细压力水头值它在数值上等于该管所具有的毛细压力水头值毛细水上升高度转下页Company LB O O HA=0 HB=-hC HA=ZA+hA HB=ZB+hB HA=ZA+

8、hA HB=ZB+hB VB=IBK IB=(HA-HB)/LAB =-(ZB-hC)/ZB =hc/ZB 1 毛细水运动推导毛细水运动推导ZBCompany L5.3.2 毛细上升速度毛细上升速度v 用达西定律分析：水由用达西定律分析：水由 BB 毛细水的运动毛细水的运动 VC=I K A点水头点水头？HA=ZA+0=0 B点水头点水头？VC=I K IC=(hc/ZB-1)假设假设K不变，不变，v 讨论讨论VC，VC=f(IC)ZB0时，毛细上升刚开始，时，毛细上升刚开始，hc/ZB I V 很大很大 ZB 逐渐增大时，逐渐增大时，I变小，上升速度变慢变小，上升速度变慢 ZBhc 时，时，

9、hc/ZB1，I0 V0,上升停止上升停止 v 毛细水可以上升的最大高度毛细水可以上升的最大高度hmax，就等于该毛细管，就等于该毛细管 可以产生的最大毛细压力水头可以产生的最大毛细压力水头hcc ch hB BZ Z)c ch h(B BZ ZB BH H毛细水上升速度Company L包气带水的下渗运动包气带水的下渗运动包气带水的下渗运动包气带水的下渗运动 （自学（自学P48最后两个自然段最后两个自然段P49第一第一自然段）自然段）v上面讨论的是毛细水上升运动的情况上面讨论的是毛细水上升运动的情况 v 在毛细力的作用，毛细水向下运动时，情况也在毛细力的作用，毛细水向下运动时，情况也是一样，

10、请大家试推导是一样，请大家试推导 v 毛细管的毛细压力水头为毛细管的毛细压力水头为hc，当下渗深度，当下渗深度L小小于于hc时，某点水下渗速度有毛细力作用时，某点水下渗速度有毛细力作用Company L包气带中岩石的渗透系数包气带中岩石的渗透系数包气带中岩石的渗透系数包气带中岩石的渗透系数K 由于没有完全饱水，水流仅在饱水的空隙中运动，因此由于没有完全饱水，水流仅在饱水的空隙中运动，因此 K（包）（包）=f（）为土层含水率为土层含水率 包气带中包气带中K不是常数；不是常数；K包包小于饱水带中的小于饱水带中的K；随含水量增高随含水量增高K包包K v 毛细上升特点与空径沿程变化有关：当为层状非均质

11、土毛细上升特点与空径沿程变化有关：当为层状非均质土层时，层时，上升高度上升高度？v 沿孔隙，呈沿孔隙，呈“跳跃跳跃”式前进式前进 v 吸水时吸水时由毛细上升的土层含水量曲线，土层含水量较低由毛细上升的土层含水量曲线，土层含水量较低 v 退水时退水时由下渗形成土层含水量曲线，土层含水量较高由下渗形成土层含水量曲线，土层含水量较高包气带岩石含水量曲线小结Company L包气带中岩石的渗透系数包气带中岩石的渗透系数包气带中岩石的渗透系数包气带中岩石的渗透系数K 由于没有完全饱水，水流仅在饱水的空隙中运动，因此由于没有完全饱水，水流仅在饱水的空隙中运动，因此 K（包）（包）=f（）为土层含水率为土层

12、含水率 包气带中包气带中K不是常数；不是常数；K包包小于饱水带中的小于饱水带中的K；随含水量增高随含水量增高K包包K v 毛细上升特点与空径沿程变化有关：当为层状非均质土毛细上升特点与空径沿程变化有关：当为层状非均质土层时，层时，上升高度上升高度？v 沿孔隙，呈沿孔隙，呈“跳跃跳跃”式前进式前进 v 吸水时吸水时由毛细上升的土层含水量曲线，土层含水量较低由毛细上升的土层含水量曲线，土层含水量较低 v 退水时退水时由下渗形成土层含水量曲线，土层含水量较高由下渗形成土层含水量曲线，土层含水量较高包气带岩石含水量曲线小结Company L小结小结包气带水的运动与饱水带的运动相比，有三点不同：包气带水的运动与饱水带的运动相比，有三点不同：v饱水带饱水带重力势；重力势；包气带包气带重力势重力势+毛细势毛细势 v饱水带任一点水头随水位变化；饱水带任一点水头随水位变化；包气带水头则是含水量的函数包气带水头则是含水量的函数 v饱水带的渗透系数是个定值；饱水带的渗透系数是个定值；包气带渗透系数随含水量的降低而变小包气带渗透系数随含水量的降低而变小