《水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)》第五章 包氣帶水的運(yùn)動(dòng)

1、Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第五章 包氣帶水的運(yùn)動(dòng)主講教師：張衛(wèi)民本章內(nèi)容 5.1 毛細(xì)負(fù)壓與毛細(xì)壓力水頭5.2 毛細(xì)壓力水頭的測(cè)定方法 5.3 毛細(xì)上升高度與速度5.4 包氣帶巖石的滲透系數(shù)5.5 包氣帶水的下滲運(yùn)動(dòng)Company Logo5.1 毛細(xì)負(fù)壓與毛細(xì)壓力水頭 包氣帶特點(diǎn)復(fù)習(xí) 巖石空隙未被水充滿 是固、液、氣三相介質(zhì)并存介質(zhì) 在毛細(xì)水中：討論過(guò)毛細(xì)現(xiàn)象、毛細(xì)力、毛細(xì)水的存在形式毛細(xì)負(fù)壓與毛細(xì)壓力水頭 液體表面有一個(gè)張力，將液體表面看成一個(gè)拉緊的彈性薄膜，表層分子間則以一種彈性力相連，這種彈性力就相當(dāng)于表面張力， 大小：f = L - 表面張

2、力系數(shù)（單位dyn/cm，1dyn=10-5N) L液面線段長(zhǎng)度 方向：平行液面，垂直L線段Company Logo5.1 毛細(xì)負(fù)壓與毛細(xì)壓力水頭毛細(xì)負(fù)壓與毛細(xì)壓力水頭表面張力使液面發(fā)生彎曲，當(dāng)彎曲呈半圓球形時(shí)（ 細(xì)?。澮好嫔袭a(chǎn)生毛細(xì)力，表面張力的合力稱為毛細(xì)力（f）毛細(xì)力作用在彎液面（半圓球）上，稱為毛細(xì)壓強(qiáng)-為液體的表面張力系數(shù) R-半圓球曲率半徑fCompany Logo5.1 毛細(xì)負(fù)壓與毛細(xì)壓力水頭任意彎曲液面，表面壓強(qiáng)： 為液體的表面張力系數(shù)，R1與R2為彎曲液面的2個(gè)曲率半徑當(dāng)彎曲液面為半圓球時(shí)R1=R2R，D2R，D為直徑毛細(xì)壓強(qiáng)是有方向的，對(duì)液面來(lái)說(shuō)（是水），這是個(gè)負(fù)壓強(qiáng)又稱

3、毛細(xì)負(fù)壓（pc）壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化為水柱高度表示（hc）毛細(xì)負(fù)壓Company Logo壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化為水柱高度表示（hc）-水的密度，取 1g/cm3 ; g-重力加速度，取 981cm/s2 ； -表面張力系數(shù)，取74dyh/cm=7410-3N/mD毛細(xì)管直徑（用mm表示）hc毛細(xì)壓力水頭（m）又稱毛細(xì)壓頭 與毛細(xì)管直徑成反比5.1 毛細(xì)負(fù)壓與毛細(xì)壓力水頭毛細(xì)壓頭Company Logo毛細(xì)壓力水頭，又稱毛細(xì)壓頭PcHA= ZA+hAHB= ZB+hBHA =000HB =0-hc-hcHC =hc-hc0基準(zhǔn)面P0P0Company Logo5.2 毛細(xì)壓力水頭的測(cè)定方法：在飽水帶中：測(cè)量任一點(diǎn)的壓力

4、水頭用測(cè)壓管（壓力計(jì)） HA=ZA+hA在包氣帶中（測(cè)負(fù)壓）：張力計(jì)（tensionmeter） 前端裝上多孔陶瓷頭（捧）；插入土中；張力計(jì)管中充滿了水，在非飽和土中，空隙中的負(fù)壓與張力計(jì)液面高度平衡后，張力計(jì)形成的負(fù)壓與所測(cè)點(diǎn)B相等時(shí)，張力計(jì)上的-hBc即為測(cè)點(diǎn)的負(fù)壓例：HB=ZB-hBc HCZC-hCc （圖示）如果測(cè)得包氣帶中HBHC，其意義如何（與水力學(xué)水頭概念一致），水流運(yùn)動(dòng)方向?yàn)锽C，入滲水流如果測(cè)得包氣帶中HB HC，水流運(yùn)動(dòng)方向?yàn)镃B, 水流？張力計(jì)Company Logo負(fù)壓測(cè)量?jī)x張力計(jì)。B水陶土頭土體hc飽水帶飽氣帶。CBCAHA=ZA+hAHB=ZB-hCCompany

5、 Logo5.3 毛細(xì)上升高度與上升速度5.3.1 毛細(xì)上升高度與毛細(xì)上升速度 毛細(xì)壓力水頭與毛細(xì)壓強(qiáng)的概念，觀察毛細(xì)管中水的運(yùn)動(dòng) 毛細(xì)上升高度1）插入水中初始：瞬時(shí)刻 HA=ZA+0 =0 HB=ZB+(-hc)= -hc HC= ZC+(-hc)=02）最后：HA = HC （管中水不運(yùn)動(dòng)靜止液體） 此時(shí)毛細(xì)管中的最大上升高度hc 稱為毛細(xì)上升高度, 它在數(shù)值上等于該管所具有的毛細(xì)壓力水頭值毛細(xì)水上升高度轉(zhuǎn)下頁(yè)Company LogoB OO HA=0HB=-hCHA= ZA+hAHB= ZB+hBHA=0HB =ZB -hCVB = IB KIB = (HA-HB ) /LBB = -(

6、ZB -hC ) / ZB = hc / ZB 1 毛細(xì)水運(yùn)動(dòng)推導(dǎo)ZB Company Logo5.3.2 毛細(xì)上升速度毛細(xì)上升速度用達(dá)西定律分析：水由 BB 毛細(xì)水的運(yùn)動(dòng) VB = IB K A點(diǎn)水頭 ？ HA=ZA+0 =0， B 點(diǎn)水頭 ？ HB =ZB -hC IB = (HA-HB ) /LBB hc / ZB 1 討論VB = IB K=(hc / ZB 1 ) K，假設(shè)K不變 ZB 0時(shí)，毛細(xì)上升剛開(kāi)始， hc / ZB ， IB ， VB 很大 ZB 逐漸增大時(shí)， IB 變小，上升速度變慢 IB hc 時(shí)， hc / ZB 1， IB 0 ， VB 0, 上升停止毛細(xì)水可以上升

7、的最大高度hmax，就等于該毛細(xì)管可以產(chǎn)生的最大毛細(xì)壓力水頭hc毛細(xì)水上升速度Company Logo5.4 包氣帶中巖石的滲透系數(shù)包氣帶中巖石的滲透系數(shù)K 飽水帶中，任一特定的均質(zhì)土層，滲透系數(shù)K是常數(shù)； 包氣帶中，水流僅在飽水的空隙中運(yùn)動(dòng)，滲透系數(shù)K隨含水量降低而迅速變小，是含水量的函數(shù)： K（包）= K （）， 為土層含水量原因： (1)含水量降低，實(shí)際過(guò)水?dāng)嗝骐S之減少； (2)含水量降低，水流實(shí)際流動(dòng)途徑的彎曲程度增加； (3)含水量降低，水流在更窄小的孔角通道及孔隙中流動(dòng)，阻力增加。 由于上述原因，滲透系數(shù)與含水量呈非線性關(guān)系。Company Logo5.4 包氣帶中巖石的滲透系數(shù)包

8、氣帶中巖石的滲透系數(shù)K 滲透系數(shù)K特點(diǎn)： 包氣帶中K包不是常數(shù)； K包小于飽水帶中的K； 隨含水量增高K包K 包氣帶含水量與K包關(guān)系包氣帶巖石含水量曲線Company Logo包氣帶中巖石的滲透性K（包）=K（）， 為土層含水量K包1K包2K包3KCompany Logo5.5 包氣帶水的下滲運(yùn)動(dòng)包氣帶水的下滲運(yùn)動(dòng)包氣帶水的非飽和流動(dòng)，仍可用達(dá)西定律描述。作一維垂直下滲運(yùn)動(dòng)時(shí)，滲透流速可表示為：實(shí)例：降水入滲均質(zhì)包氣帶，地表形成極薄水層，活塞式入滲，試求其入滲速率（Vt）？（Vt與時(shí)間t有關(guān)） 1）取地面為基準(zhǔn)面，向上為正（這是研究滲流場(chǎng)中水位所必須的）； 2）在滲流途徑上取兩個(gè)過(guò)水?dāng)嗝?，一個(gè)取地面，一個(gè)取入滲前鋒；Company Logo5.5 包氣帶水的下滲運(yùn)動(dòng)包氣帶水的下滲運(yùn)動(dòng)二斷面處的水位分別為：則二斷面間平均水力坡度 ：3）則t時(shí)刻的入滲速率（Vt），即垂向滲透速度為：ABCompany Logo5.5 包氣帶水的下滲運(yùn)動(dòng)包氣帶水的下滲運(yùn)動(dòng)由上式可知： 1）t很小時(shí)，Z很小，Vt趨于無(wú)窮大； 2）t增加時(shí)，Z增加，Vt減小； 3）t很大時(shí)，Z達(dá)很大 ， 此時(shí)，入滲速率趨于一個(gè)定值。小結(jié)Company Logo小結(jié)包氣帶水的運(yùn)動(dòng)與飽水帶的運(yùn)動(dòng)相比，有三點(diǎn)不同：飽水帶重力勢(shì)； 包氣帶重力勢(shì)+毛細(xì)勢(shì)飽水帶任一點(diǎn)水頭隨水位變化； 包氣帶水