水文地质学基础：第五章 包气带水的运动

1、第一节 毛细现象一、毛细水与毛细现象 依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为毛细水。 毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm的孔隙或宽度小于0.25mm的裂隙。 将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面即会上升到一定高度，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛细现象。 第五章 包气带水的运动二、毛细现象的实质 毛细现象的产生与液体表面张力有关； 与液体对固体表面上的湿润程度有关； 弯液面在表面张力作用下产生一个指向液面凹液的附加压强Pc， 在Pc作用下，液面将上升一定高度hc，称为毛细上升高度。 附加表面压强：方程的意义：弯曲的液面将产生一个指向液面凹侧的附加表面压强，表面压强与表面张

2、力系数成正比，与表面的曲率半径成反比。当毛细管足够细小时，记其直径D=2r，有5.2 毛细负压1)毛细力：Capillary forces is the forces acting on soilmoisture in the unsaturated zone, attributable tomolecular attraction between soil particles and waterHG2)毛细带：Capillary fringe is a zone in the soil justabove the water table that remains saturated or a

3、lmost saturated. GG3)毛细负压（capillary negative pressure）是指凹形弯液面产生的附加压强Pc（真空值），是一个负压强。4)毛细水压力水头（hc）是一个负的压力水头，简称毛细压头，亦称毛细负压，可用张力计测定包气带的毛细压力水头。毛细负压与毛细压力水头液体表面有一个张力（相互吸引，如同一个薄薄的膜）液面就会发生弯曲，当弯曲呈半圆凹形时，（ 细小） 弯液面上，表面张力的合力为毛细力（f）作用在弯液面（半圆）上的附加压强为一负值，称为毛细负强。毛细压力水头毛细压力水头的测定负压测量仪张力计饱水带测压管包气带C图5-1 水头测试仪器与方法包气带中任一点水

4、头值：HA=Z+hp第三节 毛细上升高度与悬挂毛细水一、包气带水位表示方法饱水带中任一点水头值：HA=Z+hp毛细水上升最大高度A：饱水带中的潜水面处； B：包气带位于潜水面处的支持毛细水弯液面处； C：支持毛细水上升，稳定后，底部弯液面处。1、支持毛细水：存在于饱水带以上并与地下水面相连的毛细空隙中的水。能传递静水压力，当温度低于0时冰结。 2、悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的毛细空隙中的水。呈“悬挂”状态，经蒸发后消失。 3、孔角毛细水（触点毛细水）：颗粒与颗粒接触处孔隙狭窄地方呈点滴状态的水。结合紧密，不易移动。 一、毛细水类型 5.4 包气带水分分布及运动二 毛细水分布在理

5、想条件下， 水分垂向分布的情况下分为三个带： a 残余水量带（结合水、孔隙毛细水、部分悬挂毛细水）；均质土组成的包气带，无蒸发和下渗且包气带水分分布稳定时，由地面向下某一深度内含水量为一定值，相当于残余含水量（Wc），由结合水、孔角毛细水和部分悬挂毛细水构成，是反抗重力保持于土中的最大持水度。 b 支持毛细水非饱和带（即有管径细小的水上来了）：由此而下，进入支持毛细水带，含水量向下增高， c 毛细水饱和带（张力饱和带，区别于饱水带）。在潜水面之上有一个含水量饱和的带，它与潜水有密切水力联系，随潜水面变动而变动复习： 包气带水分分布三、毛细上升速度三、毛细上升速度 毛细上升速度与高度： 具有不均

6、匀性：开始时上升速度快，以后逐 渐减慢，直到停止。 毛细空隙越大，毛细上升速度越小 毛细空隙越小，毛细上升速度越大 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。讨论：包气带水的下渗运动包气带中岩石的渗透系数（K） W越小，hc越大。 随着含水量的降低，毛细水退缩到孔隙更加细小处，弯液面的曲率增大（曲率半径变小），造成毛细负压的负值更大。 W越小，K越小。 含水量降低，实际过水断面随之减小； 含水量降低，水流实际流动途径的弯曲度增加； 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。包气带中岩石的渗透系数（K）重力疏干给水度的讨论1、复习给水度概念2

7、、大埋深条件下，给水度表达形式（6.13）3、影响给水度大小的因素潜水位埋深及支持毛细水高度潜水位下降速度时间潜水位波动带及整个包气带岩性有关四、包气带水分与包水带之间的区别 （1）饱水带只存在重力势； 包气带同时存在重力势与毛细势； （2）饱水带任一点的压力水头是个定值； 包气带的压力水头则是含水量的函数； （3）饱水带的渗透系数是个定值， 包气带的渗透系数随含水量变化而变化。第五节 包气带水水文地质意义一、地下水面之上的支持毛细水的垂向运动，影响着地下水面接受入渗补给和受蒸发降低的作用过程，对地下水面形状及地下水流方向和速度也有较大影响。 支持毛细水不仅在垂向上传递静水压力，而且在横向上也传递静水压力并发生渗流运移，支持毛细水含水量的大小控制着渗流通量的大小及渗流速度的大小； 在两河渠间无入渗补给的潜水稳定运动条件下，支持毛细水通过饱水带得到补给并与排水河渠发生水力联系，进行横向运移。 在土坝渗流和农田灌溉中，土的