《水文地质学基础教学课件》第五章 包气带水的运动.ppt

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1、LOGOFundamentalsofHydrogeoloy水文地质学基础水文地质学基础第五章第五章 包气带水的运动包气带水的运动主讲教师：张卫民主讲教师：张卫民本章内容本章内容 5.1 毛细负压与毛细压力水头毛细负压与毛细压力水头5.2 毛细压力水头的测定方法毛细压力水头的测定方法 5.3 毛细上升高度与速度毛细上升高度与速度5.4 包气带岩石的渗透系数包气带岩石的渗透系数5.5 包气带水的下渗运动包气带水的下渗运动Company Logo5.1 5.1 毛细负压与毛细压力水头毛细负压与毛细压力水头v包气带特点包气带特点复习复习 岩石空隙未被水充满岩石空隙未被水充满 是固、液、气三相介质并存介

2、质是固、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、毛细水的存在在毛细水中：讨论过毛细现象、毛细力、毛细水的存在形式形式v毛细负压与毛细压力水头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相当于表面张力，大小：大小：f f=L L -表面张力系数（单位表面张力系数（单位dyn/cmdyn/cm，1dyn=101dyn=10-5-5N)N)L L液面线段长度液面线段长度 方向：方向：平行液面，垂

3、直平行液面，垂直L L线段线段Company Logo5.1 5.1 毛细负压与毛细压力水头毛细负压与毛细压力水头v毛细负压与毛细压力水头毛细负压与毛细压力水头表表面面张张力力使使液液面面发发生生弯弯曲曲，当当弯弯曲曲呈呈半半圆圆球球形形时时（细细小）小）弯液面上产生弯液面上产生毛细力毛细力，表面张力的合力称为，表面张力的合力称为毛细力毛细力（f）毛细力毛细力作用在弯液面（半圆作用在弯液面（半圆球球）上，称为）上，称为毛细压强毛细压强-为液体的为液体的表面张力系数表面张力系数 R-R-半圆球曲率半径半圆球曲率半径fCompany Logo5.1 5.1 毛细负压与毛细压力水头毛细负压与毛细压力

4、水头v任意弯曲液面，表面压强：任意弯曲液面，表面压强：为为液液体体的的表表面面张张力力系系数数，R1与与R2为为弯弯曲曲液液面面的的2个个曲曲率率半径半径v当弯曲液面为半圆球时当弯曲液面为半圆球时R1=R2R，D2R，D为直径为直径v毛毛细细压压强强是是有有方方向向的的，对对液液面面来来说说（是是水水），这这是是个个负负压压强强又称又称毛细负压毛细负压（pc）v压强转化为水柱高度表示（压强转化为水柱高度表示（hc）毛细负压Company Logov压强转化为水柱高度表示（压强转化为水柱高度表示（hc）v-水的密度，取水的密度，取 1g/cm3;g-重力加速度，取重力加速度，取 981cm/s2

5、；-表面张力系数，取表面张力系数，取74dyh/cm=7410-3N/mD毛细管直径（用毛细管直径（用mm表示）表示）vhc毛细压力水头毛细压力水头（m）又称毛细压头）又称毛细压头 与毛细管直径成反比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，又称毛细压头毛细压力水头，又称毛细压头PcHA=ZA+hAHB=ZB+hBHA=000HB=0-hc-hcHC=hc-hc0基准面基准面P0P0Company Logo5.2 5.2 毛细压力水头的测定方法：毛细压力水头的测定方法：v在在饱饱水水带带中中：测测量量任任一一点点

6、的的压压力力水水头头用用测测压压管管（压压力力计计）HA=ZA+hAv在在包气带包气带中（测负压）：中（测负压）：张力计张力计（tensionmeter）前前端端装装上上多多孔孔陶陶瓷瓷头头（捧捧）；插插入入土土中中；张张力力计计管管中中充充满满了了水水，在在非非饱饱和和土土中中，空空隙隙中中的的负负压压与与张张力力计计液液面面高高度度平平衡衡后后，张张力力计计形形成成的的负负压压与与所所测测点点B相相等等时时，张张力力计计上上的的-hBc即即为为测测点的负压点的负压例例：HB=ZB-hBcHCZC-hCc（图示）（图示）n如如果果测测得得包包气气带带中中HB HC，其其意意义义如如何何（与与

7、水水力力学学水水头头概概念一致），水流运动方向为念一致），水流运动方向为BC，入渗水流，入渗水流n如如果果测测得得包包气气带带中中HB HC，水水流流运运动动方方向向为为CB,水水流流？张力计Company Logo负压测量仪负压测量仪负压测量仪负压测量仪张力计张力计张力计张力计。B B水水陶土头陶土头土体土体hc饱水带饱水带饱气带饱气带。C CBCAvHA=ZA+hAvHB=ZB-hCCompany Logo5.3 5.3 毛细上升高度与上升速度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压力水头与

8、毛细压强的概念，观察毛细管中水的运动毛细上升高度毛细上升高度1 1）插入水中初始：瞬时刻）插入水中初始：瞬时刻v HA=ZA+0=0v HB=ZB+(-hc)=-hc v HC=ZC+(-hc)=02 2）最后：）最后：HA=HC （管中水不运动（管中水不运动静止液体）静止液体）此时毛细管中的最大上升高度此时毛细管中的最大上升高度h hc c 称为称为毛细上升高度毛细上升高度,它在数值上等于该管所具有的它在数值上等于该管所具有的毛细压力水头值毛细压力水头值毛细水上升高度转下页Company LogoB OO HA=0HB=-hCHA=ZA+hAHB=ZB+hBHA=0HB =ZB-hCVB =

9、IB KIB =(HA-HB)/LBB =-(ZB -hC)/ZB =hc/ZB 1 毛细水运动推导毛细水运动推导ZB Company Logo5.3.2 毛细上升速度毛细上升速度v毛细上升速度毛细上升速度v用达西定律分析：水由用达西定律分析：水由 BB 毛细水的运动毛细水的运动 VB =IB K A点水头点水头？HA=ZA+0=0，B 点水头点水头？HB =ZB-hC IB =(HA-HB)/LBB hc/ZB 1 讨论讨论VB =IB K=(hc /ZB 1)K，假设，假设K不变不变 ZB 0时，毛细上升刚开始，时，毛细上升刚开始，hc/ZB ，IB ，VB 很大很大 ZB 逐渐增大时，逐

10、渐增大时，IB 变小，上升速度变慢变小，上升速度变慢 IB hc 时时，hc/ZB 1，IB 0 ，VB 0,上上升升停停止止v毛毛细细水水可可以以上上升升的的最最大大高高度度hmax，就就等等于于该该毛毛细细管管可可以以产产生的最大毛细压力水头生的最大毛细压力水头hc毛细水上升速度Company Logo5.45.4包气带中岩石的渗透系数包气带中岩石的渗透系数包气带中岩石的渗透系数包气带中岩石的渗透系数Kv饱水带饱水带中，任一特定的均质土层，渗透系数中，任一特定的均质土层，渗透系数K是常数；是常数；v包包气气带带中中，水水流流仅仅在在饱饱水水的的空空隙隙中中运运动动，渗渗透透系系数数K随随含

11、水量降低而迅速变小，是含水量的函数：含水量降低而迅速变小，是含水量的函数：v K（包）（包）=K（），），为土层含水量为土层含水量v原因：原因：(1)含水量降低，实际过水断面随之减少；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含水量降低，水流实际流动途径的弯曲程度增加；增加；(3)含水量降低，水流在更窄小的孔角通道及孔含水量降低，水流在更窄小的孔角通道及孔隙中流动，阻力增加。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。由于上述原因，渗透系数与含水量呈非线性关系。Company Logo5.45.4包气带中岩石的渗透系数包气带中岩石的渗透

12、系数包气带中岩石的渗透系数包气带中岩石的渗透系数Kv 渗透系数渗透系数K特点：特点：包气带中包气带中K包包不是常数；不是常数；K包包小于饱水带中的小于饱水带中的K；随含水量增高随含水量增高K包包Kv 包气带含水量与包气带含水量与K包包关系关系包气带岩石含水量曲线Company Logo包包气气带带中中岩岩石石的的渗渗透透性性K（包）（包）=K（），），为土层含水量为土层含水量K包包1K包包2K包包3KCompany Logo5.55.5包气带水的下渗运动包气带水的下渗运动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。包气带水的非饱和流动，仍可用达西定律描述。v

13、作一维垂直下渗运动时，渗透流速可表示为：作一维垂直下渗运动时，渗透流速可表示为：v实例：实例：降水入渗均质包气带，地表形成极薄水层，活塞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（式入渗，试求其入渗速率（Vt）？（）？（Vt与时间与时间t有关）有关）v1 1）取地面为基准面，向上为正（这是研究渗流场中）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）；水位所必须的）；v 2 2）在渗流途径上取两个过水断面，一个取地面，一）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；个取入渗前锋；Company Logo5.55.5包气带水的下渗运动包气带水的下渗运动包

14、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：二断面处的水位分别为：v则二断面间平均水力坡度则二断面间平均水力坡度：v3）则）则t时刻的入渗速率（时刻的入渗速率（Vt），即垂向渗透速度为：），即垂向渗透速度为：ABCompany Logo5.55.5包气带水的下渗运动包气带水的下渗运动包气带水的下渗运动包气带水的下渗运动v由上式可知：由上式可知：1）t很小时，很小时，Z很小，很小，Vt趋于无穷大；趋于无穷大；2）t增加时，增加时，Z增加，增加，Vt减小；减小；3）t很大时，很大时，Z达很大达很大，v此时，入渗速率趋于一个定值。此时，入渗速率趋于一个定值。小结Company Logo

15、小结小结包气带水的运动与饱水带的运动相比，有三点不同：包气带水的运动与饱水带的运动相比，有三点不同：v饱水带饱水带重力势；重力势；包气带包气带重力势重力势+毛细势毛细势v饱水带任一点水头随水位变化；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；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包气带渗透系数随含水量的降低而变小Company Logo本章内容本章内容 5.1 毛细负压与毛细压力水头毛细负压与毛细压力水头5.2 毛细压力水头的测定方法毛细压力水头的测定方法 5.3 毛细上升高度与速度毛细上升高度与速度5.4 包气带岩石的渗透系数包气带岩石的渗透系数5.5 包气带水的下渗运动包气带水的下渗运动Company Logo