水文资料水文地质学基础第五章

水文地质学基础FundamentalsofHydrogeology第五章毛细现象与包气带水的运动5.1毛细现象的实质5.2毛细负压5.3毛细上升高度与悬挂毛细水5.4包气带水水分分布及运动

将细小的玻璃管插入水中,水会在管中上升到一定高度才停止,这便是固、液、气三相界面上产生的毛细现象。5.1毛细现象的实质毛细实验：松散颗粒中毛细上升高度(1)装样：选择一种砂样,均匀密实地装入玻璃管内。(2)观测毛细上升速度：将装有试样的玻璃管放入水槽内的透水石上,使玻璃管的下端紧贴水面。准确记录对应不同毛细上升高度的时间。也可记录对应不同时刻的毛细上升高度。一、毛细现象的实质毛细上升高度测定装置图1-铜丝网2-透水石3-玻璃管4-砂样5-水槽6-进水管

7-溢水管8-支架

试验说明：松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，在地下水面以上的包气带中广泛存在毛细水。毛细水类型：

支持毛细水悬挂毛细水孔角毛细水

支持毛细水：由于毛细力的作用，水从地下水面沿着小孔隙上升到一定高度，形成一个毛细水带，此带中的毛细水下部有地下水面支持，称为支持毛细水。

悬挂毛细水：

细粒层与粗粒层交互成层时，在一定条件下，由于上下弯液面毛细力的作用，在细土层中会保留与地下水面不相连接的毛细水—悬挂毛细水。

孔角毛细水：在包气带中颗粒接触点上悬留孔角毛细水（触点毛细水）。颗粒接触处孔隙总可以达到毛细管的程度而形成弯液面，将水滞留在孔角上。毛细现象的实质：

毛细现象的产生与表面张力有关。

表面张力产生的机理：

a.因为任何液体都有力图缩小其表面的趋势。一个液滴总是力求成为球状,因为球状是同一容积的所有液体表面积中最小的。如：扬一捧水在空气中，水变成许多水珠；水撒在一个油光的平面上，会变成水珠。

b.液体表层分子彼此拉得很紧,犹如一层拉紧的弹性薄膜。若在液面上划一根长度为L的线段,此线段两边的液面,以一定的力f相互吸引,力的作用方向平行于液面而与此线段垂直,大小与线段长度L成正比，即

f=αLα：表面张力系数,单位为dyn/cm（1dyn=10-5N）

。

表面张力的作用：表面张力使弯曲的液面将对液面以内的液体产生附加表面压强；

附加表面压强的方向：总是指向液体表面的曲率中心方向：

凸的弯液面,对液面内侧的液体,附加一个正表面压强；

凹的弯液面,对液面内侧的液体,附加一个负表面压强。

附加表面压强的产生：设想切取一个半径为R的半圆球形液面。显然,在液面的圆周状边线上都存在着指向液层内部的表面张力；其合力为α·2πR,垂直于面积为πR2的投影圆面。表面张力引起的附加表面压强为：

弯液面下的液体实际承受到的表面压强（实际表面压强）等于大气压强P0与附加表面压强Pc之和，即：P=P0+Pc附加表面压强的拉普拉斯公式：

α——表面张力系数

——液体表面的两个主要曲率半径。当R1=R2时，则是拉普拉斯公式的特殊形式。

拉普拉斯公式的含义：

弯曲的液面将产生一个指向液面凹侧的附加表面压强，附加表面压强与表面张力系数成正比，与表面的曲率半径成反比。附加表面压强的讨论：当液面为凸形时，附加表面压强为正，P=P0+Pc；当液面为凹形时，附加表面压强为负，P=P0-Pc；当为平液面时，不产生附加表面压强，P=P0

。如图蔬，将草半径怨为r的毛组细管版插入注水中色，毛淹细管谱中的址水形北成凹搂形的食弯液心面，族并向蜂上升差起，驰当毛途细管报足够次细时艘，弯笛液面兆接近馅凹形慢的半炸球面肆。据巨拉普吵拉斯帽公式壁可知挪，此烤处R1=R2=r，则得尽：5.阿2毛细舟负压凹形跃弯液朵面产慢生的同附加您压强Pc，是个事负压庄强,称为毛细津压强日。凹形装弯液形面的土水,由于狸表面涛张力语的作纹用,要比险平的扩液面爷小一题个相暮当于Pc的压犹强；或者难说,凹形籍弯液劈燕面下变的水付存在没一个辽相当盏于Pc的真婚空值澡。简单幼实验:使两霞个玻阿璃圆趁球保雾持一铜定间掠隙,然后庆向此忌间隙武滴水,可看位到两苗个圆客球在零接触晌处形度成孔叨角毛皱细水,并立呈即贴舅紧。加水悦的砂抓比干捧燥的难砂更奔为密业实,也是阴毛细见负压渗强作其用的掉结果胃。将Pc换算箩为水弓柱高京度（m），且以hc表示悼，即辽：——茹林页公式即：最大哑毛细惧上升老高度乞与毛算细管义直径盛成反程比。—水的奸密度搏，等航于1g险/c随m3；—重力杠加速纪度,等于98均1c卫m/负s2；—表面汤张力脚系数,取74举dy既n/价cm（=7趟4×1耕0-3N/兼m）；—毛细幼管直柴径，乌单位骡为mm。hc为毛龟细压纳力水栗头，畅是一风个负援的压丧力水群头。可以些用张鬼力计瓜测定籍包气妻带的喇毛细禽压力雾水头(图)。从图彩可以族看出始它是贷一个隔负的喜压力宜水头,故称涉为毛细渠负压。在饱水思带中（胁用水鞭力学让原理沟）：戚测量撤任一摔点的虚压力笑水头—用测压猪管（饿压力节计）H=Z+务hp在包气疫带中（丽测负孙压）据：张力思计是一著端带绞有陶涉土多危孔杯馆的充代水弯环管，津多孔稿杯充莫水后沸透水拢而不淡透气诞。将阳此多称孔杯稿插入荡土中确，经华过一己定时宾间，卫张力兰计中威的水故与土只中的睛水达驾到水听力平仍衡，稻在弯棵管开类口部梦分显修示一画个稳未定的砍水位晒。由号此水殿位到贼放置稀多孔旗杯处盏的垂邪直距撒离就闲是毛幼细压扣头hc，为负唇的压户力水婆头。H=悬Z-hc5.奏3毛细绢上升恢高度口与悬欧挂毛淡细水饱水旨带中任鼠一点奸的水梢头值H表示谈为:H虚=资Z抖+蝴hp包气荡带中任弹一点锯的水步头值H为：H炮=汉Z埋-hc式中:Z—由指湾定基鬼准面枣算起启的位狂置高委度(位置雨水头)；hp—测压虏高度禁（压穗力水惭头）到；hc—毛细销负压绳（毛仔细力片引起辛的负肢的压治力水怪头）爷。取潜殊水面嗽为基妖准：A点（潜堡水面选处任榆一点哨）饱水缓带水头险值：H=停Z寄+狮hp=沟0（Z=扁0，hp=0）B点（包气剃带支持胀毛细掉水的阻弯液极面位绝于潜底水面B处）笛，该劈燕点上激支持赏毛细怜水的怒水头女值：H=挥Z–hc=0挑–hc=赶-hc（Z=萍0，hp=-hc）即比裹周围敲潜水剖面水弊头低hc。c点：因B点比笨周围谨潜水南面水飘头低hc，在欣此水革头差岩驱动晃下，塞支持误毛细检水弯智液面近上升施到hc处时律，弯利液面迷处c点的字水头：H=象Z–hc=hc–hc=0这时，支持毛细貌水带夏的水沃头与潜水薯面上隙重力忽水水胡头相报等，支持锣毛细盯水的困弯液节面即己停留诊于潜顾水面嗓的上hc处而串不再椅上升。最大厅毛细棋上升故高度疏即为hc根据霸茹林姓公式蚕可知:最大均毛细偷上升缝高度锅与毛宁细管煤直径剪成反念比。故自颗粒级细小迅的土劈燕，最换大毛蒙细上受升高始度也恼大（富表1）。表1土的蔑最大睡毛细可上升标高度悬挂烂毛细占水弯液芬面：毛细物力与重力的平恶衡：在上肿层颗抹粒细留而下寺层颗架粒粗辰的层仿状细蛛粒层椅中可伪形成悬挂奶毛细俩水。悬挂刑毛细侵水上下淹端均习出现龙弯液粘面，下色端的踩弯液哥面可露以是政凸、乎平、委凹；毛细奋力与鸟重力再的平畏衡如下粱图所除示。5.妥4包气潮带水表水分政分布柱及运友动理想身条件象下(即包哥气带弯由均质土构亲成,无蒸笨发与春下渗,包气户带水水分认分布头稳定时),含水庭量的乘垂向失分布队如图7(泪c）。由地削表向捡下某一罚深度村内含商水量董为一定值,相当萌于残留瓶含水疑量(Wc)。残留章含水嗓量的碎构成包括结合兼水、孔角签毛细仪水与部分晶悬挂啦毛细利水(图7a①),是反摩抗重览力保少持于袋土中凤的最错大持蔬水度慈。这部芒分水奏与其得下的洋支持耀毛细河水及司潜水湿不发顺生水继力联赌系。再往芦下进罗入支持锅毛细偶水带,含水东量随叫着接尖近潜雨水面榜而增非高(图7a②)。在潜普水面上有巩一个氏含水堪量饱霸和(体积丙含水哑量等牧于孔律隙度)的带,称为毛细厚饱和喘带(图7a蚂③)。支持尊毛细潜水带份中含朴水量便逐渐笋增加宫以至希达到物饱和容的原盒因：土鼻中的域孔隙商是由大小高不一的孔辨隙通雁道构刻成网宇络，帆细小炭的孔硬隙通经道毛细乞上升床高度晌大，较振宽大亲的孔甚隙通雹道毛细状上升坚高度思小。最贸宽大喊的孔阅隙通朽道也后被支赌持毛粱细水练充满鸭的范拳围，旧即为毛细悄饱和名带。支持昆毛细控水带染是在瞎毛细启力作昌用下艘，水照分从往潜水垄面上拌升形倡成的围，因每此，支持睛毛细集水带帖与潜跨水面惜有密闸切水托力联变系,随潜廊水面辆变动既而变瞧动。毛细撞饱和渡带与饱水裙带虽然含都被兔水所挠饱和,但是毛细奸饱和碌带是象在表包面张执力的更支持秆下才闻饱水烛的,所以川也称张力音饱和崭带。井岗打到产毛细型饱和龙带时返，由呀于表片面张筋力的迅作用仆，并贿没有响水流才入井禽内，座必须贩打到捕潜水否面以蚀下井责中才燥会出嘴水。包气绑带中尸毛细床负压挺随着明含水厚量的卧变小努而负矛值变大的谈讨论准：因为,随着含水摊量降开低,毛细贼水退前缩到算孔隙旺更加社细小暑处,弯液己面的晋曲率渔增大(曲率号半径弊变小),造成毛细轰负压钳的负纠值更区大。故毛细帮负压箩是含奋水量扫的函幸数:hc=hc(W)比较怒：饱水辣带中乒，任郊一特遵定均赢质土穗层，决渗透浙系数K=常数；包气仇带中，渗水透系举数K随含板水量谷降低彻而迅依速变判小，K也是肿含水施量的爬函数：K嫌=出K(锣W)原因毫分析:(1碗)含水扮量降俭低,实际苗过水秆断面蛙随之暴减少双；(2惨)含水损量降瓜低,水流疯实际暮流动俗途径纱的弯吼曲程优度增弦加；(3孟)含水杨量降习低,水流轻在更痒窄小粉的孔图角通彼道及伪孔隙竖中流歼动,阻力编增加道。由于袭上述伪原因,渗透踪蝶系数看与含耍水量杀呈非器线性州关系奴。包气伍带水猪的达持西定践律包气直带水胁的非送饱和脉水流百，仍辛可用诞达西青定律毁来描岭述。磨作一待维垂讲直下饶渗运筑动时造，渗谅透流驱速为型：降水著入渗胁补给硬包气基带分江为：活