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第五章 包气带水的运动 本章内容 5.1 毛细负压与毛细压力水头 包气带特点——复习 ①岩石空隙未被水充满 ②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 ①表面张力: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 = α ·L α- 表面张力系数（单位dyn/cm，1dyn=10-5N) L—液面线段长度 方向：平行液面，垂直L—线段 5.1 毛细负压与毛细压力水头 毛细负压与毛细压力水头 ②毛细力: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，即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 α-为液体的表面张力系数 R-半圆球曲率半径 5.1 毛细负压与毛细压力水头 任意弯曲液面，表面压强： α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 当弯曲液面为半圆球时R1=R2＝R，D＝2R，D为直径 毛细压强是有方向的，对液面来说（水），这是个负压强——又称毛细负压（pc） 压强转化为水柱高度表示（hc） 5.1 毛细负压与毛细压力水头 压强转化为水柱高度表示（hc） ρ-水的密度，取 1g/cm3 ; g-重力加速度，取 981cm/s2 ； α-表面张力系数，取74dyn/cm=74×10-5N/m D——毛细管直径（用mm表示） hc——毛细压力水头（m）又称毛细压头 与毛细管直径成反比 毛细压力水头，又称毛细压头 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） HA=ZA+hA 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 HC＝ZC-hCc （图示） 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 如果测得包气带中HB HC，水流运动方向为C→B, 水流？？ 负压测量仪——张力计 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 毛细上升高度 1）插入水中，达到平衡后： HA=ZA+0 =0 HB=ZB+(-hc)= -hc HC= ZC+(-hc)=0 2）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. 毛细水运动推导 HA= ZA+0 HB= ZB +(-hc) HC= ZC+(-hc) 5.3.2 毛细上升速度 毛细上升速度 用达西定律分析：水由 B→B′ 毛细水的运动 VB ′ = IB ′ K B点水头 ？ HA=ZA+0 =0， B ′点水头 ？ HB ′ =ZB ′-hC IB ′ = (HA-HB ′) /LB~B ′ ＝hc / ZB ′– 1 讨论VB ′ = IB ′ K=(hc / ZB ′ – 1 ) K，假设K不变 ① ZB ′ →0时，毛细上升刚开始， hc / ZB ′ →∞， IB ′ →∞ ， VB ′ → 很大 ② ZB ′逐渐增大时， IB ′变小，上升速度变慢 ③ ZB ′ → hc 时， hc / ZB ′ →1， IB ′ →0 ， VB ′ →0, 上升停止 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hc 本章内容 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。 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