毛细水与包气带课件

水文地质学第六讲毛细现象与包气带水的运动水文地质学第六讲2023/9/132OUTLINE毛细现象的实质毛细负压毛细上升高度悬挂毛细水包气带水的分布与运动2023/8/32OUTLINE毛细现象的实质2023/9/133毛细现象图5-1发生在气、液、固三相界面处的毛细现象。2023/8/33毛细现象图5-1发生在气、液、固三相界面处2023/9/134毛细现象的实质毛细现象的产生与水的表面张力有关。表面张力是表面的分子彼此相吸拉紧引起的。表面张力犹如液体蒙着一层拉紧的弹性薄膜。设想在液体表面划一根长度为L的线段，则两侧液体以一定的力f相互吸引。f=αL，α称为表面张力系数。由于表面张力作用，弯曲的液面将对液面内的液体产生附加表面压强，而这一附加表面压强的方向总是指向液体表面的曲率中心。2023/8/34毛细现象的实质毛细现象的产生与水的表面张力2023/9/135毛细现象的实质（2）设想切取一个半径为R的半圆球形液面，图5-3。附加表面压强的合力为α2πR，垂直于半径为R的圆的投影面积，可得表面张力引起的附加表面压强为：任意形状的弯液面所产生的表面张力引起的附加表面压强可用拉普拉斯公式表示：或者特例2023/8/35毛细现象的实质（2）设想切取一个半径为R的2023/9/136毛细负压凹形弯液面产生的附加压强Pc是个副压强，故称为毛细负压。凹形液面下的水则由于表面张力的作用，比平液面下的水小一个相当于Pc的压强；凹形液面下的水存在一个相当于Pc的真空值；图5-4所示的试验证明毛细负压的存在。2023/8/36毛细负压凹形弯液面产生的附加压强Pc是个副2023/9/137毛细负压（2）将毛细负压Pc换算成水柱高度hc，可表示为：hc为毛细压力水头，是一个负的压力水头。可以用张力计测定包气带的毛细压力水头。图5-5。张力计：是一个一端带有陶土多孔杯的充水弯管，多孔杯充水后透水但不透气，用于测定由于水的表面张力引起的毛细负压。2023/8/37毛细负压（2）将毛细负压Pc换算成水柱高度2023/9/138毛细水上升高度饱水带内任意点的水头值H可表示为由于毛细水头是个负压，包气带中任意点的水头值H应表示为若取潜水面作为基准面，则在毛细负压的驱动下，支持毛细水将上升到Z=hc的高度，才能达到平衡。即支持毛细水最大上升高度即为hc。因为hc与管径成反比，则颗粒愈细，最大毛细上升高度也愈大。2023/8/38毛细水上升高度饱水带内任意点的水头值H可表土壤盐泽化与毛细现象通俗地讲，土壤盐泽化是指土壤中“盐”的含量超出了正常范围，以至于一般植物，特别是农作物无法生长的现象。其实盐泽化对于构筑物和建筑物也有危害，如使路面结构或房屋基础老化等。土壤盐泽化的动力是地下水（包括包气带水）的蒸发，但也直接与毛细现象和地下水的运动密切相关。2023/9/139土壤盐泽化与毛细现象通俗地讲，土壤盐泽化是指土壤中“盐”的含防治盐泽化措施防治措施同样需要从地下水运动和毛细水两方面入手：控制地下水位，使得地下水位低于毛细上升高度；采取工程措施切断毛细水上升通道：一种是采用土工膜等极低渗透性材料阻断毛细水运动；另一种则是采用高空隙度土工织物或碎石层切断毛细水。2023/9/1310防治盐泽化措施防治措施同样需要从地下水运动和毛细水两方面入手2023/9/1311悬挂毛细水在包气带中，如果遇到上层颗粒细，而下层颗粒粗的情况，则在细颗粒层中会形成悬挂毛细水。悬挂毛细水的上下端的液面都会出现毛细现象。但下端的液面可能是凹面、平面或凸面，则其受力情况与支持毛细水有所不同。图5-6。2023/8/311悬挂毛细水在包气带中，如果遇到上层颗粒细2023/9/1312包气带水分的分布理想条件：包气带由均质土构成，无蒸发，也无入渗和下渗的情况，当包气带中的水分分布稳定时，包气带含水量的分布如下：见图5-7。从地表下某一深度内含水量为一定值，相当于残留含水量，即最大持水度。此带的水与潜水没有任何水力联系。在往下进入支持毛细水带，含水量随深度的增加、离潜水面越来越近而增高。潜水面上方一定范围内，含水量达到饱和，此带也称为含水量饱和带，或毛细饱和带。支持毛细水带和毛细饱和带的水与潜水存在密切的水力联系。随着潜水面的变动而上下移动。2023/8/312包气带水分的分布理想条件：包气带由均质土2023/9/1313毛细饱和带为什么会形成毛细饱和带？毛细饱和带的水与饱水带中的水有什么不同？因为土中的空隙实际上可以形成大小不一的孔隙通道，并构成网络，细小的孔隙通道毛细上升高度大，较大的空隙通道内毛细上升高度小。当较大的孔隙通道也被支持毛细水充满的（高度）范围，即是一个毛细水饱和带。虽然二者都充满了土中的孔隙，但是饱水带中水是在重力作用下充满土中孔隙，也可以在重力作用下自由流动；而毛细饱和带中的水是由于水的表面张力，在毛细负压作用下充满于孔隙，其中的水处于毛细负压与重力的共同作用的平衡状态，不能够自由流动。2023/8/313毛细饱和带为什么会形成毛细饱和带？毛细饱2023/9/1314包气带水的运动特征包气带中毛细负压随着含水量的变化而变化，含水量越小，毛细负压越大。毛细负压是含水量的函数：饱水带中，对于特定均质土层，渗透系数是常数；但包气带中，渗透系数随着含水量而变化，是含水量的非线性函数：Why?含水量降低，则实际过水断面将减小；水流的实际流动途径的弯曲程度将增加；水流将在更窄小、细小的孔角和孔隙中流动，阻力增大。2023/8/314包气带水的运动特征包气带中毛细负压随着含2023/9/1315包气带水的运动特征包气带中的非饱和渗流仍可用达西定律来描述，只是渗透系数是含水量的函数。作一维下渗运动时，渗透流速可表示为：包气带水的运动与饱水带的运动相比，有以下不同：饱水带只存在重力势，包气带同时存在重力势和毛细势；饱水带任一点的水头是个定值，包气带的毛细水头是含水量的函数饱水带的渗透系数是个定值，包气带地渗透系数随含水量的变化而变化。2023/8/315包气带水的运动特征包气带中的非饱和渗流仍2023/9/1316复习思考题毛细现象及其实质；毛细负压；毛细上升高度；包气带水分的分布规律；