《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、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,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,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

2、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,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，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=R2R，D2R，D为直径毛细压强是有方向

3、的，对液面来说（是水），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）,毛细负压,Company Logo,压强转化为水柱高度表示（hc）-水的密度，取 1g/cm3;g-重力加速度，取 981cm/s2；-表面张力系数，取74dyh/cm=7410-3N/mD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,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,Pc,HA=ZA+hAHB=ZB+hB,HA=000HB=0-hc-hcHC=hc-hc0,基准面,P0,P0,Company Logo,5.2

4、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 HCZC-hCc（图示）如果测得包气带中HBHC，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HB HC，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,饱水带,饱

5、气带,。C,B,C,A,HA=ZA+hA,HB=ZB-hC,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 HA=ZA+0=0 HB=ZB+(-hc)=-hc HC=ZC+(-hc)=02）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,Company Logo,B,O,O,HA=0HB=-hC,HA=ZA+hAHB=ZB+hB,HA=0HB=ZB-

6、hC,VB=IB KIB=(HA-HB)/LBB=-(ZB-hC)/ZB=hc/ZB 1,毛细水运动推导,ZB,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 VB=IB K A点水头？HA=ZA+0=0，B 点水头？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,上升停止毛细水可以上升的最大高度hmax，就等于该毛

7、细管可以产生的最大毛细压力水头hc,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

8、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（Vt）？（Vt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；

9、,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（Vt），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，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，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,