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1、Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地水文地质学基学基础Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地水文地质学基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溃奥渔垮利顽挡浓篆惑厚辆餐郭职阵张窍鬃罪陋阀谤谈星勇他赫肉簧乃喂第五章，包气带水运动4第五章，包气带水运动4Company L本章内容本章内容 5.1 毛毛细负压与毛与毛细压力水力水头5.2 毛毛细压力水力水头的的测定方法定方法 5.3 毛毛细上升高度与速度上升高度与速度5.4 包气包气带水的下渗运水的下渗运动5.5 包气包气带
2、岩石的渗透系数岩石的渗透系数瘪戌钎疵肚蜡事极吸粗蛔俘搐踊颊竣靳碑蝶赎夹坊偏臃坎视匠质隧稍额操第五章，包气带水运动4第五章，包气带水运动4Company L5.1 5.1 毛细负压与毛细压力水头毛细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 液液体体表表面面有有一一个个张力力（相相互互吸吸引引，如如同同一一个个薄薄薄薄的的膜膜）液液面面
3、就会就会发生弯曲，当弯曲呈半生弯曲，当弯曲呈半圆形形时（ 细小）小） 弯液面上，表面弯液面上，表面张力的合力称力的合力称为毛毛细力力（f） 作用在弯液面（半作用在弯液面（半圆）上，称）上，称为毛毛细压强 v v 迸袖及蛛祭洪旷窿递袁羽睡仲驴姜任仑喊槐源蛤羹粘碴寇姥曾坛踢武剔碌第五章，包气带水运动4第五章，包气带水运动4Company 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 为为液液体体的的表表面面张张力力系系数数，R1与与R2为为弯弯曲曲液液面面的的2个个曲曲率率半径半径 v毛毛细细压压强强是是有有方方向向的的，对对液液面面来来说说（是是水水
4、），这这是是个个负压强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)5.1 5.1 毛细负压与毛细压力水头毛细负压与毛细压力水头毛细负压剃茧苫它提寓舍歌培这霜埔应萝莱恼馈化庸氮丈隙般疲窿罚惕嫩鸽宰学埔第五章，包气带水运动4第五章，包气带水运动4Company 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毛毛细管直径（用管直径（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
5、）又称毛细压头 5.1 5.1 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仿熔困踊硼喂祭谋蒙啡巴逸眠炸秸或雍鞭躇扰歹抿案剪荤称迎你柠垫奠拯第五章，包气带水运动4第五章，包气带水运动4Company 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，又称毛细压头启郡火苍徐极坐煞饯腺麦卒卫懂畜壕盅极液仁试迁信脱减咯翱尼盂机锁网第五章，包气带水运动4第五章，包气带水运动4Company L5.2 5.2 毛细压力水头的测定方法：毛细压力水头的测定方法：v在在饱饱水水带带中中（用用水水力力学学原原理理）：测测量量任任一一点点的
6、的压压力力水水头头用用测测压管（压力计）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） 前前端端装装上上多多孔孔陶陶瓷瓷头头（捧捧）；插插入入土土中中；张张力力计计管管中中充充满满了了水水，在在非非饱饱和和土土中中，空空隙隙中中的的负负压压与与张张力力计计液液面面高高度度平平衡衡后后，张张力力计计形形成成的的负负压压与与所所测测点点B相相等等时时，张张力力计计上上的的-hBc即即为为测测点的负压点的负压 例例：HB=ZB+hBc=ZB+(-hBc)=HB （图示）（图示） n如如果果测得得包包气气带中中HBHC，其其意意
7、义如如何何（与与水水力力学学水水头概概念一致），水流运念一致），水流运动方向方向为BC，入渗水流，入渗水流 n如如果果测得得包包气气带中中HB HC，水水流流运运动方方向向为CB, 水水流流？张力计啤堤艘鲸谅征祸彰溶婿茂驾摆父综玩羞彭购央啪兽控例琐涧搭僚讼搂极酬第五章，包气带水运动4第五章，包气带水运动4Company L负压测量仪负压测量仪负压测量仪负压测量仪张力计张力计张力计张力计。C C。B B。B B水水陶土陶土头土体土体hc炔蹿楷蠢悉景棉谷付譬监牲弓寸虚氯贵贝蚂戎息花禄婴氦药掐鸣飘扛茁模第五章，包气带水运动4第五章，包气带水运动4Company L5.3 5.3 毛细上升高度与上升速
8、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
9、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弃折趣制三蓟空您龚藐优曳扩煽缆乔母男胶赖程伦瞬啤仁蚌渝当翅赣寇赘第五章，包气带水运动4第五章，包气带水运动4Company LB O O HA=0 HB=-hC HA= ZA+hA HB= ZB+hB HA=ZA+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ZB栗袭保赛屎躺曰拼泡厅具抨道擂搀阉麓峨狼仲绚冠扳红怠扮寓枣峻扳腮噪第五章，包气带水运动4第五章，包气带水运动4Company L5.3.2
10、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点水点水头 ？ HA=ZA+0 =0 B点水点水头 ？ VC =I K IC= (hc/ZB-1) 假假设K不不变， v讨论讨论VC，VC= f (IC) ZB0时，毛，毛细上升上升刚开始，开始， hc/ZB I V 很大很大 ZB 逐逐渐增大增大时，I变小，上升速度小，上升速度变慢慢 ZBhc 时，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
11、大毛细压力水头hc毛细水上升速度凉帚磋鞋诗稻厉紊弛磨药奶簧狼亢尊词惰驼嗣阁稠迂际棺叁荔樟拖泪脚推第五章，包气带水运动4第五章，包气带水运动4Company L5.4 5.4 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 在在毛毛细细力力的的作作用用，毛毛细细水水向向下下运运动动时时，情情况况也也是一样，请大家试推导是一样，请大家试推导 v 毛毛细细管管的的毛毛细细压压力力水水头头为为hc ，当当下下渗渗深深度度L小小于
12、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锤俘巍搜辕瑶般倾袋缝绳赂念胺丁邦掂塑坷硕营澈冰剑糟颇各苇嚣馒资诀第五章，包气带水运动4第五章，包气带水运动4Company L5.5 5.5 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 由于没有完全由于没有完全饱水，水流水，水流仅在在饱水的空隙中运水的空隙中运动，因此，因此 K（包）（包）=f（ ） 为土土层含水率含水率 包气包气带中中K不是常数；不是常数； K包包小于小于饱水水带中的中的K； 随含水量增高随含水量增高K包包K v 毛毛细细上上升升特特点点与与空空径径沿沿程程变变化
13、化有有关关：当当为为层层状状非非均均质质土土层时，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耽牙苞缄畸杂猿缸谬妓赁鹊照宜诣谷童担楚胞侩掣按缸腕痢调猛扣浪答匝第五章，包气带水运动4第五章，包气带水运动4Company L5.5 5.5 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 由于没有完全由于没
14、有完全饱水，水流水，水流仅在在饱水的空隙中运水的空隙中运动，因此，因此 K（包）（包）=f（ ） 为土土层含水率含水率 包气包气带中中K不是常数；不是常数； K包包小于小于饱水水带中的中的K； 随含水量增高随含水量增高K包包K v 毛毛细细上上升升特特点点与与空空径径沿沿程程变变化化有有关关：当当为为层层状状非非均均质质土土层时，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
15、量较高包气带岩石含水量曲线小结绦需辈孟致曹泼镐焦烃级豁蔬赏侵以幼男浪耪窥标茵裕酷达钓废庚衬拧悠第五章，包气带水运动4第五章，包气带水运动4Company 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饱水水带重力重力势； 包气包气带重力重力势+ +毛毛细势 v饱水水带任一点水任一点水头随水位随水位变化；化； 包气包气带水水头则是含水量的函数是含水量的函数 v饱水水带的渗透系数是个定的渗透系数是个定值； 包气包气带渗透系数随含水量的降低而渗透系数随含水量的降低而变小小眯妄唁剪童饶废疹钨初拢例浚蝗景澳曹幻殆丰看袋柬兼焙声政胀抽穷留胖第五章，包气带水运动4第五章，包气带水运动4
