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第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,01,主要內容：掌握與毛細水有關的毛細力、毛細負壓、毛細上升高度和毛細上升速度的概念；了解毛細負壓的測定方法；了解砂土中水的毛細上升高度與速度的確定方法以及影響因素；了解包氣帶水分分布特點、包氣帶含水量的變化與水勢、滲透系數(shù)的關系，了解包氣帶水運動的基本特征。,在第三章我們了解到：在包氣帶中，巖石空隙沒有被液態(tài)水所充滿，空隙中包含空氣。包氣帶的空隙水：壁面吸附有結合水，細小空隙中含有毛細水，未被液態(tài)水占據的空隙中包含空氣及氣態(tài)水，空隙中的水超過吸附力和毛細力所能支持的量時，空隙中的水便以過路重力水的形式向下運動。因此，包氣帶水的存在形式與運移與細小孔隙的毛細現(xiàn)象與毛細力有著密切的關系。,第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,5.1毛細現(xiàn)象的實質,包氣帶是復雜的三相體系，除了水和固體介質，還有空氣。在此特殊條件下出現(xiàn)的受毛細力及重力共同作用的毛細水，使包氣帶水的運動遠較飽水帶為復雜。毛細現(xiàn)象的實質將細小的玻璃管插入水中，水會在管中上升到一定高度才停止，這便是固、液、氣三相界面上產生的毛細現(xiàn)象（圖5-1）。它的產生與表面張力有關。表面張力：沿著液體表面，垂直作用于單位長度上的緊縮力，稱為表面張力。彎曲的液面將對液面以內的液體產生附加表面壓強。,第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,,圖5—1毛細現(xiàn)象與附加表面壓強（a—凹形的液面產生負的表面壓強；b—凸形的液面產生正的表面壓強）,液體的表面張力任何液體都有力圖縮小其表面的趨勢。一個液滴總是力求成為球狀，因為球狀是同一容積的液體表面最小的形狀。表面張力：f＝αLL指液面上距離；α稱為表面張力系數(shù)，單位：dyn/cm。(1dyn=10-5N)。,第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,毛細現(xiàn)象的產生的機理,附加表面壓強由于液體與固體之間吸附力（潤濕）與表面張力大小的懸殊，從而使液面發(fā)生彎曲。表面張力沿彎曲液面的法向量的分量，對液面以內的液體產生附加表面壓強。附加表面壓強總是指向液面的曲率中心方向：凸起的彎液面，對液面內側的液體，附加一個正的表面壓強；凹進的彎液面，對液面內側的液體，附加一個負的表面壓強。,圖5—2半圓球狀凹形彎液面產生負的附加表面壓強,圖5—3附加表面壓強的形成,附加表面壓強Pc的大小：（1）半圓球形液面：設想切取一個半徑為R的半圓球形液面（圖5—3）。在此液面的圓周狀邊線上都存在著指向液層內部的表面張力；表面張力合力f為α2πR，作用于垂直于面積為πR2的投影圓面。表面張力所引起的附加表面壓強Pc為：因此彎液面下的液體實際承受到的表面壓強P＝P0+Pc此中P0為大氣壓力。,第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,（5-1）,（2）任何形狀的彎曲面:所產生的附加表面壓強Pc可用拉普拉斯公式表示：5-2α－表面張力系數(shù)；R1、R2－液體表面的兩個主要曲率半徑。R1＝R2時，Pc＝2α/R。與（5—1）式完全相同，可見（5-1）式乃是拉普拉斯公式的特殊形式。拉普拉斯公式的含義是：彎曲的液面特產生一個指向液面凹側的附加表面壓強，附加表面壓強與表面張力系數(shù)成正比，與表面的曲率半徑成反比。,第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,(3)實際表面壓強：在彎形液面的作用下，液體實際承受到的表面壓強（以下簡稱“實際表面壓強”）應該等于液面大氣壓強P0與附加表面壓強Pc，即：當液面為凸形時，附加表面壓強是正的，實際表面壓強P＝P0+Pc。如液面為凹形時，附加表面壓強是負的，實際表面壓強P＝P0-Pc。平的液面不產生附加表面壓強，實際表面壓強P＝P0。（參見圖5—1）。,5.2毛細負壓,一、毛細負壓及毛細現(xiàn)象毛細管在水中的凹形彎液面產生的附加壓強，是個負壓強，稱為毛細壓強（或毛細負壓）。凹形彎液面的水，由于表面張力的作用，要比平的液面小一個相當于Pc的壓強；或者說，凹形彎液面下的水存在一個相當于Pc的真空值。將半徑為r的毛細管插入水中，毛細管中的水形成凹進的彎液面（存在負壓），并向上升起（直到水柱高度相當于負壓），當毛細管足夠細時，彎液面接近于凹進的半圓球形面。,二、毛細負壓計算－茹林公式根據拉普拉斯公式，R1＝R2＝r，毛細管中的凹面的負壓：D—毛細圓管直徑。將Pc換算為水往高度(以m為單位)，則：（茹林公式）hc—毛細壓力水頭或毛細壓頭，是一個負的壓力水頭。ρ—水的密度，等于1g/cm3；g—重力加速度，等于981cm／s2；α—表面張力系數(shù)，取74dyn/cm(=7410-3N/m)；D—毛細管直徑，單位為mm。,第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,三、毛細負壓的測定方法（自選學習內容）張力計（負壓計）是測定土層毛細負壓的最常用儀器之一。它一端為陶土多孔杯與充水彎管連接，多孔杯充水后透水而不透氣。將此陶土多孔杯插入土中，經過一定時間，張力計中的水與土中的水達到水力平衡，在彎管開口部分顯示一個穩(wěn)定的水位。由此水位到放置多孔杯處的垂直距離就是毛細壓頭，從圖5-5（1）可以看出它是一個負的壓力水頭，因此習慣上稱為毛細負壓。,(1)支持毛細水帶高度飽水帶中任意一點的水頭值H可表示為：H＝Z十hp(5-5)包氣帶中任意一點的水頭值H可表示為：H＝Z-hc(5-6)式中：Z—基準面高度(位置水頭)；hp—測壓高度(壓力水頭)；hc—毛細負壓。,第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,5.3毛細上升高度與懸掛毛細水,若取潛水面為基準，潛水面處任一點飽水帶水頭值為:H=0(Z＝0，hp=o)；(5-7)若包氣帶支持毛細水的彎液面位于潛水面處（見圖5—6，B點），則該點上支持毛細水的水頭值為：H＝Z-hc=-hc(5-8)即比周圍潛水面水頭低，則在此水頭差驅動下，支持毛細水將上升。當支持毛細水彎液面上升到hc處時，彎液面處（圖5—6，c點）的水頭為H＝0，此時支持毛細水帶的水頭與潛水面上重力水水頭相等，支持毛細水的彎液面即停留于潛水面的上hc處而不再上升。最大毛細上升高度即為hc。最大毛細上升高度與毛細管直徑成反比；所以顆粒細土，最大毛細上升高度也大。,第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,表5—1土的最大毛細上升高度〔據西林—別克丘林，1958〕,第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,（2）懸掛毛細水的高度毛細力與重力的平衡如圖5—6所示，在上層顆粒細而下層顆粒粗的層狀土中，細粒層中可形成懸掛毛細水。此時，懸掛毛細水的上下端均出現(xiàn)彎液面，下端的彎液面可以是凸的、平的或凹的。,第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,5.4包氣帶水水分分布及運動,包氣帶水分分布特征在理想條件下，即包氣帶由均質土構成，無蒸發(fā)無入滲情況下，包氣帶水水分分布穩(wěn)定時，含水量的垂向分布如圖5—7（c）所示。土層含水量的變化從上至下可分為：殘留含水帶、支持毛細水帶及毛細飽和帶①殘留含水帶：由地表向下某一深度內含水量基本為一定值，稱為殘留含水量（W0），相當于持水度。構成土層殘留含水量的孔隙中的水包括結合水、孔隙毛細水與部分懸掛毛細水（參見圖5—7a放大圖①、②）。,第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,②支持毛細水帶：土層含水量隨著接近潛水面而增高（參見圖5—7a放大圖②）。由連通不同孔隙途徑的毛細層的毛細水高度構成。③毛細飽和帶：支持毛細水帶的下部，位于潛水面之上，土層孔隙充滿水，含水量飽和（體積含水量相當于孔隙度）（參見圖5—7a放大圖③）。,第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,圖5-7均質土包氣帶水分分布,第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,毛細負壓與含水量的關系包氣帶中毛細負壓隨著含水量的變小而變大。這是因為隨著含水量的降低，毛細水退縮到孔隙更加細小處，彎液面的曲率增大（曲率半徑變?。?，造成毛細負壓更大。因此，毛細負壓是含水量的函數(shù)：hc=hc(W),第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,包氣帶滲透系數(shù)與含水量的關系飽水帶中，任一特定的均質巖層，滲透系數(shù)K是常數(shù)。在包氣帶中，滲透系數(shù)K隨著含水量的變小而迅速降低，K也是含水量的函數(shù)：K=K（W）主要原因在于：①土壤含水量降低，實際過水斷面而隨之減少；②土壤含水量降低，水的實際流動途徑的彎曲程度增大；③土壤含水量降低，水在更窄小的孔角通道及孔隙中流動，阻力增大；因此，滲透系數(shù)K與含水量呈非線性關系。注意：在毛細飽和帶，土層含水量飽和時，其滲透系數(shù)為常量，數(shù)值上等于飽水帶中的滲透系數(shù)。,第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,包氣帶水的運動（1）運動定律包氣帶水的非飽和流動，仍可用達西定律描述。作一維垂直下滲運動時，滲透流速可表示為：,第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,（2）運動速度降水入滲補給均質包氣帶，在地表形成一極薄水層（其厚度可忽略），則當活塞式下滲水的前鋒到達深度Z處時，位置水頭為-Z（取地面為基準，向上為正），前鋒處彎液面造成的毛細壓力水頭為hc則任一時刻t的入滲速率，即垂向滲透流速為：入滲初期，Z很小，hc/Z值很大，入滲速度很大；t增大，Z增大，hc/Z＝0，Vt＝K。,,包氣帶和飽水帶水運動的不同,,①飽水帶只存在重力勢，包氣帶同時存在重力勢與毛細勢；,,飽水帶的滲透系數(shù)是個定值，包氣帶的滲透系數(shù)隨含水量的降低而變小。,,飽水帶某點的壓力水頭與含水量無關，包氣帶的壓力水頭則是含水量的函數(shù),第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,本章小結①非飽和帶中的水，除受重力影響外，毛細力作用很重要。毛細力與毛細負壓是學習的重點。②非飽和帶土層含水量是變化的，理想條件下，從地表面到潛水面，含水量逐漸變大，近水面為飽和，由于毛細力作用呈飽和帶。③非飽和帶土層的含水量，決定了土層的水勢力的大小與滲透系數(shù)的變化。④在理想條件下，包氣帶毛細水運動同樣可用達西定律來描述。,第五章毛細現(xiàn)象與包氣帶水的運動,Theend,