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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Company Logo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 包气包气带岩石的渗透系数岩石的渗透系数Company Logo5.1 5.1 毛细负压与毛细压力水头毛细负压与毛
2、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
3、v v Company Logov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），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Company Logov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
4、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）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Company LogoHA =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 Logo5.2 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的压压力力水
5、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，其其意意义如如何何（
6、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Company Logo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hcCompany Logo5.3 5.3 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压强的概念，观察毛细管中水的运动 1 1）插入水中初始：瞬
7、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 LogoB O O HA=0 HB=-hC HA= ZA+hA HB= ZB+hB HA=ZA+hA HB=ZB+
8、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 Logo5.3.2 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
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hc毛细水上升速度Company Logo5.4 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
10、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 Logo5.5 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化有有关关：当当为为层层
11、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Company Logo5.5 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
12、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，土层含水量较高包气带岩石含水量曲线小结Company Logo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
