《水文地质学基础》第五章 包气带水的运动

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Company Logo,*,Click to edit Master title style,Fundamentals of,Hydrogeoloy,水文地质学基础,第五章 包气带水的运动,主讲教师：张卫民,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,包气带岩石的渗透系数,5.5,包气带水的下渗运动,Company Logo,5.1,毛细负压与毛细压力水头,包气带特点,复习,岩石空隙未被水充满,是固、液、气三相介质并存介质,在毛细水中：讨论过毛细现象、毛细力、毛细水的存在形式,毛细负压与毛细压力水头,液体表面有一个张力，将液体表面看成一个拉紧的弹性薄膜，表层分子间则以一种弹性力相连，这种弹性力就相当于表面张力,，,大小：,f,= ,L,-,表面张力系数（单位,dyn,/cm,，,1dyn=10,-5,N),L,液面线段长度,方向：,平行液面，垂直,L,线段,Company Logo,5.1,毛细负压与毛细压力水头,毛细负压与毛细压力水头,表面张力使液面发生弯曲，当弯曲呈半圆球形时（ 细小）,弯液面上产生,毛细力,，表面张力的合力称为,毛细力,（,f,）,毛细力,作用在弯液面（半圆,球,）上，称为,毛细压强,-,为液体的,表面张力系数,R-,半圆球曲率半径,f,Company Logo,5.1,毛细负压与毛细压力水头,任意弯曲液面，表面压强：,为液体的表面张力系数，,R,1,与,R,2,为弯曲液面的,2,个曲率半径,当弯曲液面为半圆球时,R,1,=R,2,R,，,D,2R,，,D,为直径,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,（,p,c,）,压强转化为水柱高度表示（,hc,）,毛细负压,Company Logo,压强转化为水柱高度表示（,hc,）,-,水的密度，取,1g/cm,3,;,g-,重力加速度，取,981cm/s,2,；,-,表面张力系数，取,74dyh/cm=7410,-3,N/m,D,毛细管直径（用,mm,表示）,h,c,毛细压力水头,（,m,）又称毛细压头,与毛细管直径成反比,5.1,毛细负压与毛细压力水头,毛细压头,Company Logo,毛细压力水头，又称毛细压头,P,c,H,A,=,Z,A,+h,A,H,B,=,Z,B,+h,B,H,A,=0,0,0,H,B,=0-h,c,-,h,c,H,C,=,h,c,-h,c,0,基准面,P,0,P,0,Company Logo,5.2,毛细压力水头的测定方法：,在,饱水带,中：测量任一点的压力水头,用,测压管（压力计）,H,A,=,Z,A,+h,A,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,-,h,B,c,即为测点的负压,例,：,H,B,=Z,B,-,h,B,c,H,C,Z,C,-,h,C,c,（图示）,如果测得包气带中,H,B,H,C,，其意义如何（与水力学水头概念一致），水流运动方向为,BC,，入渗水流,如果测得包气带中,H,B,H,C,，水流运动方向为,CB,水流？,张力计,Company Logo,负压测量仪,张力计,。,B,水,陶土头,土体,h,c,饱水带,饱气带,。,C,B,C,A,H,A,=,Z,A,+h,A,H,B,=Z,B,-,h,C,Company Logo,5.3,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,毛细压力水头与毛细压强的概念，观察毛细管中水的运动,毛细上升高度,1,）插入水中初始：瞬时刻,H,A,=Z,A,+0 =0,H,B,=Z,B,+(-,h,c,)= -,h,c,H,C,= Z,C,+(-,h,c,)=0,2,）最后：,H,A,= H,C,（管中水不运动,静止液体）,此时毛细管中的最大上升高度,h,c,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,Company Logo,B,O,O,H,A,=0,H,B,=-,h,C,H,A,=,Z,A,+h,A,H,B,=,Z,B,+h,B,H,A,=0,H,B,=Z,B,-,h,C,V,B,= I,B,K,I,B,= (H,A,-H,B,) /L,BB,= -(Z,B,-,h,C,) / Z,B,=,h,c,/ Z,B, 1,毛细水运动推导,Z,B,Company Logo,5.3.2,毛细上升速度,毛细上升速度,用达西定律分析：水由,BB,毛细水的运动,V,B ,= I,B ,K,A,点水头,？,H,A,=Z,A,+0 =0,，,B,点水头,？,H,B ,=Z,B ,-,h,C,I,B ,= (H,A,-H,B ,) /L,BB ,h,c,/ Z,B , 1,讨论,V,B ,= I,B ,K=(,h,c,/ Z,B , 1,),K,，假设,K,不变, Z,B ,0,时，毛细上升刚开始，,h,c,/ Z,B ,，,I,B ,，,V,B ,很大,Z,B ,逐渐增大时，,I,B ,变小，上升速度变慢,I,B ,h,c,时，,h,c,/ Z,B ,1,，,I,B ,0,，,V,B ,0,上升停止,毛细水可以上升的最大高度,h,max,，就等于该毛细管可以产生的最大毛细压力水头,h,c,毛细水上升速度,Company Logo,5.4,包气带中岩石的渗透系数,包气带中岩石的渗透系数,K,饱水带,中，任一特定的均质土层，渗透系数,K,是常数；,包气带,中，,水流仅在饱水的空隙中运动，,渗透系数,K,随含水量降低而迅速变小，是含水量的函数：,K,（包）,= K,（,），,为土层含水量,原因：,(1),含水量降低，实际过水断面随之减少；,(2),含水量降低，水流实际流动途径的弯曲程度增加；,(3),含水量降低，水流在更窄小的孔角通道及孔隙中流动，阻力增加。,由于上述原因，渗透系数与含水量呈非线性关系。,Company Logo,5.4,包气带中岩石的渗透系数,包气带中岩石的渗透系数,K,渗透系数,K,特点：,包气带中,K,包,不是常数；,K,包,小于饱水带中的,K,；, 随含水量增高,K,包,K,包气带含水量与,K,包,关系,包气带岩石含水量曲线,Company Logo,包气带中岩石的渗透性,K,（包）,=K,（,），,为土层含水量,K,包,1,K,包,2,K,包,3,K,Company Logo,5.5,包气带水的下渗运动,包气带水的下渗运动,包气带水的非饱和流动，仍可用达西定律描述。,作一维垂直下渗运动时，渗透流速可表示为：,实例：,降水入渗均质包气带，地表形成极薄水层，活塞式入渗，试求其入渗速率（,V,t,）？（,V,t,与时间,t,有关）,1,）取地面为基准面，向上为正（这是研究渗流场中水位所必须的）；,2,）在渗流途径上取两个过水断面，一个取地面，一个取入渗前锋；,Company Logo,5.5,包气带水的下渗运动,包气带水的下渗运动,二断面处的水位分别为：,则二断面间平均水力坡度,：,3,）,则,t,时刻的入渗速率（,V,t,），即垂向渗透速度为：,A,B,Company Logo,5.5,包气带水的下渗运动,包气带水的下渗运动,由上式可知：,1,）,t,很小时，,Z,很小，,V,t,趋于无穷大；,2,）,t,增加时，,Z,增加，,V,t,减小；,3,）,t,很大时，,Z,达很大 ，,此时，入渗速率趋于一个定值。,小结,Company Logo,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,Company Logo,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,包气带岩石的渗透系数,5.5,包气带水的下渗运动,Company Logo,