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1、中国地质大学（武汉）水文地质学基础教学组Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础第5章 包气带水的运动本章内容5.1 毛细负压与毛细压力水头5.2 毛细压力水头的测定方法5.3 毛细上升高度与速度5.4 包气带水的下渗运动5.5 包气带岩石的渗透系数5.1 毛细负压与毛细压力水头复习第二章中我们学习过毛细水讨论过毛细现象、毛细力、毛细水的存在形式本章讨论毛细负压，毛细上升高度，毛细上升速度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） 液面就会发生弯曲，当弯曲呈半圆形时（ 细小）弯液面上，表面张力的合力称为毛细力（f）毛细力作用在弯液面（半
2、圆）上，称为毛细压强 当弯曲液面为半圆时（湿润角=0），R1=R2为液体的表面张力系数，R1与R2为弯曲液面的2个曲率半径毛细压强是有方向的，对液面来说（是水），这是个负 压强又称毛细负压（pc）压强转化为水柱高度表示（hc）hc毛细压力水头（m）又称毛细压头5.1 毛细负压与毛细压力水头（续1）5.1 毛细负压与毛细压力水头（续2）毛细压力水头，又称毛细压头图中，如果HA 0根据毛细负压原理，得出：HB ？HC ？在毛细管中，任意点的水头值仍然 表示为：HA ZAhAHB ZBhB在饱水带中（用水力学原理）：测量任一点的压力水 头用测压管（压力计） HAZAhA在包气带中（测负压）：张力计（
3、tensionmeter）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，张力计形成的负压与所测点B相等时，张力计上的-hBc即为测点的负压例：HBZBhBcZB(-hBc)HB （图示）5.2 毛细压力水头的测定方法参见张力计图5.2 毛细压力水头的测定方法（续）张力计。C 。B。B水陶土头土体hc例：HBZBhBcZB(-hBc)HB （图示）如果测得包气带中HB HC，水流运动方向为BC；在入 渗水流中包气带中HB HC，水流运动方向为CB。5.3 毛细上升高度与上升速度5.3.1 毛细上升高度在毛细压强的概念基础上，观察毛 细
4、管中水的运动1）插入水中初始：瞬时刻HAZA0 0HB？ HBZB pc g HBZB(-hc) -hc HC? ZC(-hc)02）最后：HA HC （管中水为不运动的静止液体）此时毛细管中的最大上升 高度hc 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。BOZBO用达西定律分析：水由 BB 毛细水的运动 VC I K A点水头 HAZA0 0 B点水头: VC K I IC (hcZB-1) 假设K不变， 讨论VC，VC f (IC) ZB0时，毛细上升刚开始，hc/ZB I V 很大 ZB 逐渐增大时，I变小，上升速度变慢 ZBhc 时，hc /ZB1，I0 V0, 上升
5、停止毛细水可以上升的最大高度hmax，就等于该毛细管 可以产生的最大毛细压力水头hc5.3.2 毛细上升速度毛细水上升速度5.4 包气带水的下渗运动包气带水的下渗运动（自学P48最后两个自然段P49第一自然段）上面讨论的是毛细水上升运动的情况在毛细力的作用，毛细水向下运动时，情况也是一样，请大家试推导毛细管的毛细压力水头为hc ，当下渗深度L小于hc时，某点水下渗速度有毛细力作用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， K（包）f（） 为土层含水率 包气带中K不是常数； K包小于饱水带中的K； 随含水量增高K包K毛细上升特点与孔径沿程变化有关：沿孔隙，呈“跳跃”式前进吸水时由毛细上升的土层含水量曲线，土层含水量较低退水时由下渗形成土层含水量曲线，土层含水量较高5.5 包气带中岩石的渗透系数包气带岩石含水量曲线K包f（） 为土层含水率5.5 包气带中岩石的渗透系数（续）K包由小增大 K包小结包气带水的运动与饱水带的运动相比，有三点不同：饱水带重力势；包气带重力势+毛细势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思考题A B C5cm7cm当细管毛细上升高度为10cm，粗管毛细上升高度为5cm时，A管、B管、C管毛细上升高度各为多少？
