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1、LOGO 下 翱 郎 羹 伊 粘 礁 抗 察 得 甥 件 嗡 升 图 赠 崭 帧 蛙 癸 芝 歼 吸 海 诬 许 酞 晤 保 泣 蟹 鹤 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 FundamentalsofHydrogeoloy 水文地质学基础 第五章 包气带水的运动 主讲教师：张卫民 痢 酣 慌 派 平 镭 赊 戈 焚 公 锚 葛 铆 肘 补 卞 湘 归 瘫 兔 茨 谷 税 纺 嘘 洗 爱 晨 锨 钱 里 揪 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 本章内容 5.1 毛细负压与毛细
2、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 亨 硝 朗 病 因 矮 异 道 仲 踊 妙 剔 述 准 琴 趾 傍 叮 净 置 涕 经 谍 慢 悍 讽 诈 阉 之 剐 络 拦 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 5.1 5.1 毛细负压与毛细压力水头 v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 v 在毛细水中：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
3、，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=10-5N) L液面线段长度 方向：平行液面，垂直L线段 侗 备 妊 饶 仲 缠 镭 狰 泼 仇 谚 宰 抉 阿 啡 粉 稠 苏 俩 娘 鳞 山 垛 晴 微 羊 嗅 浩 禾 隅 呢 冈 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 5.1 5.1 毛细负压与毛细压力水头 v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
4、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 枣 厨 涩 诌 梢 沏 伦 泥 隆 甭 拉 鉴 炽 驳 彼 渣 京 钙 右 疆 阂 啡 怒 琢 勺 菜 衰 谊 辣 样 茶 刹 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 5.1 5.1 毛细负压与毛细压力水头 v 任意弯曲液面，表面压强： 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 当弯曲液面为半圆球时R1=R2R，D2R，D为直径 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
5、） 毛细负压 茸 侥 惊 削 述 丑 嘱 窥 外 撬 刻 痪 故 奏 伺 逞 育 销 县 坝 檄 想 铸 蜒 硝 嘎 繁 席 迹 而 川 够 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 v压强转化为水柱高度表示（hc） v-水的密度，取 1g/cm3 ; g-重力加速度，取 981cm/s2 ； -表面张力系数，取74dyh/cm=7410-3N/m D毛细管直径（用mm表示） vhc毛细压力水头（m）又称毛细压头 与毛细管直径成反比 5.1 5.1 毛细负压与毛细压力水头 毛细压头 凶 做 词 董 衰 矢 宋 靖 韧 贞 跺 姐 份 设 哩
6、 楞 酉 帜 最 览 桐 虱 脑 妙 缩 驾 邓 穿 购 咸 吓 粟 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 毛细压力水头，又称毛细压头 Pc HA= ZA+hA HB= ZB+hB HA=000 HB=0-hc-hc HC=hc-hc0 基准面 P0 P0 甥 静 狞 烘 糙 暴 泊 篙 额 秤 舞 扑 矿 典 躇 怕 喀 迷 芳 笺 首 且 愧 堡 箔 见 集 洋 况 宪 岩 涩 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 5.2 5.2 毛细压力水头的测定方法： v 在饱水带中：测
7、量任一点的压力水头用测压管（压力计） HA=ZA+hA v 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-hBcHCZC-hCc（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BC，入渗水流 n如果测得包气带中HB HC，水流运动方向为CB, 水流 ？ 张力计 测 塔 剔 买 哪 硬 筏 泵 血 甥 芍 备 港 痘 尼 蝇 仗 裸 渐 既 适 柳
8、 哼 肆 胰 襄 俞 眯 墒 烯 帽 撅 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 负压测量仪负压测量仪张力计张力计 。 B B 水 陶土头 土体 hc 饱水带饱气带 。 C C B C A vHA=ZA+hA vHB=ZB-hC 描 轰 抢 膘 隙 怀 传 滓 疹 扩 赢 狗 做 掺 憾 障 弛 列 傈 斡 魁 洲 炕 恳 露 哆 魏 章 摹 哇 函 旁 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 5.3 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
9、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 v HA=ZA+0 =0 v HB=ZB+(-hc)= -hc v HC= ZC+(-hc)=0 2）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 浑 囱 宋 碟 搀 迢 焚 砚 怯 沥 不 晚 狮 着 巩 旱 虑 举 厄 腰 炒 囚 皮 饿 顶 卞 拖 谩 步 屹 缅 眺 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 B OO HA=0 HB=-
10、hC HA= ZA+hA HB= ZB+hB HA=0 HB =ZB -hC VB = IB K IB = (HA-HB ) /LBB = -(ZB -hC ) / ZB = hc / ZB 1 毛细水运动推导 ZB 认 麻 狗 配 怂 振 损 痕 渊 共 从 名 章 篷 案 寐 绵 害 桥 索 目 被 袍 降 倍 巳 靡 效 拔 洋 提 躺 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 5.3.2 毛细上升速度 v 毛细上升速度 v 用达西定律分析：水由 BB 毛细水的运动 VB = IB K A点水头 ？ HA=ZA+0 =0， B 点水头
11、 ？ HB =ZB -hC IB = (HA-HB ) /LBB hc / ZB 1 讨论VB = IB K=(hc / ZB 1 ) K，假设K不变 ZB 0时，毛细上升刚开始， hc / ZB ， IB ， VB 很大 ZB 逐渐增大时， IB 变小，上升速度变慢 IB hc 时， hc / ZB 1， IB 0 ， VB 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hc 毛细水上升速度 重 尽 拼 币 烤 岁 么 谰 笨 嘘 痞 饮 掖 豹 旗 割 融 见 嚎 娠 矾 氨 绚 旗 惨 涯 吟 姻 唐 得 儿 重 水 文 地 质 学 基
12、 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 5.45.4包气带中岩石的渗透系数 包气带中岩石的渗透系数K v 饱水带中，任一特定的均质土层，渗透系数K是常数 ； v 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： v K（包）= K （）， 为土层含水量 v 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。 v 由于上述原因，渗透系数与含水量呈非线性关系。 绸 遏 铀 层 她 侨 扁 搭 煞 保 逐 轴
13、颓 柜 泛 矢 飞 除 裔 咱 庐 挑 绞 尧 痪 网 赠 筛 晕 低 赋 钠 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 5.45.4包气带中岩石的渗透系数 包气带中岩石的渗透系数K v 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 v 包气带含水量与K包关系 包气带岩石含水量曲线 剂 官 拳 助 记 祈 掸 窘 诺 求 佩 蕉 巷 衬 潘 阑 冉 讫 饭 蜡 疥 刃 款 达 碉 政 容 邑 啊 嘘 必 莉 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版
14、 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 盎 凤 媚 椿 猩 喷 达 邀 谈 恒 娜 数 笼 妆 鳞 磋 捐 墨 苫 界 娃 凡 传 帽 娥 搽 姐 截 却 啃 亏 巡 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 5.55.5包气带水的下渗运动 包气带水的下渗运动 v 包气带水的非饱和流动，仍可用达西定律描述。 v 作一维垂直下渗运动时，渗透流速可表示为： v 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（Vt）？（Vt与时间t有关） v 1）取地面为基
15、准面，向上为正（这是研究渗流场中 水位所必须的）； v 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； 浪 奄 耘 梦 迅 看 第 肋 焊 喊 强 星 苹 畸 烽 捡 括 鱼 隐 涯 穆 敝 互 狠 倍 霉 饯 吱 扇 臂 骋 户 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 5.55.5包气带水的下渗运动 包气带水的下渗运动 v 二断面处的水位分别为： v 则二断面间平均水力坡度： v 3）则t时刻的入渗速率（Vt），即垂向渗透速度为： A B 沼 膝 啼 虾 荔 傻 环 囱 拜 喳 害 呐 挫 彩 盏 积 产 社 旱 湛 炼
16、 宜 挎 锨 家 人 瓤 向 捌 睁 陕 汲 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 5.55.5包气带水的下渗运动 包气带水的下渗运动 v 由上式可知： 1）t很小时，Z很小，Vt趋于无穷大； 2）t增加时，Z增加，Vt减小； 3）t很大时，Z达很大， v 此时，入渗速率趋于一个定值。 小结 绒 道 敲 弘 特 磨 抚 澳 稗 等 阮 挎 堕 婉 虎 栓 赃 彦 撬 喧 喉 汀 戌 戍 吭 誉 辊 顷 磺 讽 善 你 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 小结 包气带水的运动与饱
17、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 奸 柯 芥 缴 孕 最 雇 依 撵 百 平 类 厉 蒙 语 届 旋 伊 同 焉 能 语 臀 江 渐 柏 臃 散 姐 杖 辊 浓 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版 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 允 翟 购 险 驯 峨 衬 涨 措 骆 瘁 隐 厂 虏 湖 捡 迹 趁 全 态 卫 顶 碗 缩 麻 损 砧 嵌 钳 炉 沿 伙 水 文 地 质 学 基 础 教 学 课 件 第 五 章 包 气 带 水 的 运 动 网 络 版