第5章 包气带水的运动

LOGO中国地质大学（武汉）水文地质学基础教学组FundamentalsofHydrogeoloy水文地质学基础第五章包气带水的运动CompanyLogo包气带特点——复习v毛细水中：讨论过毛细现象、毛细力、毛细水的存在形式v毛细负压（毛细水头），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）§作用在弯液面（半圆）上，称为毛细压强)11(21RRsfpc+==aCompanyLogo当弯曲液面为半圆时（湿润角β=0），R1=R2α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v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）v压强转化为水柱高度表示（hc）(下面继续介绍)直径D4αR2α)R1R1α(p21c==+=5.15.1毛细负压与毛细压力水头毛细负压CompanyLogo压强转化为水柱高度表示（hc）vρ取1g/cm3;g=981cm/s2,α=74dyh/cm=74×10-3N/mD——毛细管直径（用mm表示）vhc——毛细压力水头（m）又称毛细压头D0.03wγcpρgcpch»==5.15.1毛细负压与毛细压力水头毛细压头CompanyLogo=0HB=？HC=？HA=ZA+hAHB=ZB+hB毛细压力水头，又称毛细压头CompanyLogo毛细压力水头的测定方法：v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）HA=ZA+hAv在包气带中（测负压）：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：HB=ZB+hBc=ZB+(-hBc)=HB（图示）n如果测得包气带中HB﹥HC，其意义如何（与水力学水头概念一致），水流运动方向为B→C，入渗水流n如果测得包气带中HBHC，水流运动方向为C→B,水流？？张力计CompanyLogo负压测量仪负压测量仪————张力计张力计。。CC。。BB。。BB水陶土头土体hcCompanyLogo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1）插入水中初始：瞬时刻vHA=ZA+0=0vHB=？HB=ZB+pc/rgvHB=ZB+(-hc)=-hcvHC=?=ZC+(-hc)=02）最后：HA=HC（管中水不运动—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毛细水上升高度转下页CompanyLogo’OO’HA=0HB=-hCHA=ZA+hAHB=ZB+hBHA=ZA+hAHB’=ZB’+hB’VB’=IB’KIB’=(HA-HB’)/LA~B’=-(ZB’-hC’)/ZB’=hc’/ZB–1毛细水运动推导ZBCompanyLogo用达西定律分析：水由B→B′毛细水的运动VC=IKA点水头？HA=ZA+0=0B’点水头？§VC=IK§IC=(hc/ZB’-1)假设K不变，v讨论VC，VC=f(IC)①ZB’→0时，毛细上升刚开始，hc/ZB’→∞I→∞V→很大②ZB’逐渐增大时，I变小，上升速度变慢③ZB’→hc时，hc/ZB′→1，I→0V→0,上升停止v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hcchBZ)ch(BZBH-¢=-+¢=¢毛细水上升速度CompanyLogo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）v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，情况也是一样，请大家试推导v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CompanyLogo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（w）w为土层含水率�包气带中K不是常数；②K包小于饱水带中的K；③随含水量增高K包→Kv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，上升高度？v沿孔隙，呈“跳跃”式前进v吸水时—由毛细上升的土层含水量曲线，土层含水量较低v退水时—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CompanyLogo（包）=f（w），w为土层含水率CompanyLogo小结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——重力势；包气带——重力势+毛细势v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v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