毛細(xì)水與包氣帶課件

水文地質(zhì)學(xué)第六講毛細(xì)現(xiàn)象與包氣帶水的運(yùn)動水文地質(zhì)學(xué)第六講2023/9/132OUTLINE毛細(xì)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)毛細(xì)負(fù)壓毛細(xì)上升高度懸掛毛細(xì)水包氣帶水的分布與運(yùn)動2023/8/32OUTLINE毛細(xì)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)2023/9/133毛細(xì)現(xiàn)象圖5-1發(fā)生在氣、液、固三相界面處的毛細(xì)現(xiàn)象。2023/8/33毛細(xì)現(xiàn)象圖5-1發(fā)生在氣、液、固三相界面處2023/9/134毛細(xì)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)毛細(xì)現(xiàn)象的產(chǎn)生與水的表面張力有關(guān)。表面張力是表面的分子彼此相吸拉緊引起的。表面張力猶如液體蒙著一層拉緊的彈性薄膜。設(shè)想在液體表面劃一根長度為L的線段，則兩側(cè)液體以一定的力f相互吸引。f=αL，α稱為表面張力系數(shù)。由于表面張力作用，彎曲的液面將對液面內(nèi)的液體產(chǎn)生附加表面壓強(qiáng)，而這一附加表面壓強(qiáng)的方向總是指向液體表面的曲率中心。2023/8/34毛細(xì)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)毛細(xì)現(xiàn)象的產(chǎn)生與水的表面張力2023/9/135毛細(xì)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)（2）設(shè)想切取一個半徑為R的半圓球形液面，圖5-3。附加表面壓強(qiáng)的合力為α2πR，垂直于半徑為R的圓的投影面積，可得表面張力引起的附加表面壓強(qiáng)為：任意形狀的彎液面所產(chǎn)生的表面張力引起的附加表面壓強(qiáng)可用拉普拉斯公式表示：或者特例2023/8/35毛細(xì)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)（2）設(shè)想切取一個半徑為R的2023/9/136毛細(xì)負(fù)壓凹形彎液面產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)Pc是個副壓強(qiáng)，故稱為毛細(xì)負(fù)壓。凹形液面下的水則由于表面張力的作用，比平液面下的水小一個相當(dāng)于Pc的壓強(qiáng)；凹形液面下的水存在一個相當(dāng)于Pc的真空值；圖5-4所示的試驗(yàn)證明毛細(xì)負(fù)壓的存在。2023/8/36毛細(xì)負(fù)壓凹形彎液面產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)Pc是個副2023/9/137毛細(xì)負(fù)壓（2）將毛細(xì)負(fù)壓Pc換算成水柱高度hc，可表示為：hc為毛細(xì)壓力水頭，是一個負(fù)的壓力水頭?？梢杂脧埩τ嫓y定包氣帶的毛細(xì)壓力水頭。圖5-5。張力計：是一個一端帶有陶土多孔杯的充水彎管，多孔杯充水后透水但不透氣，用于測定由于水的表面張力引起的毛細(xì)負(fù)壓。2023/8/37毛細(xì)負(fù)壓（2）將毛細(xì)負(fù)壓Pc換算成水柱高度2023/9/138毛細(xì)水上升高度飽水帶內(nèi)任意點(diǎn)的水頭值H可表示為由于毛細(xì)水頭是個負(fù)壓，包氣帶中任意點(diǎn)的水頭值H應(yīng)表示為若取潛水面作為基準(zhǔn)面，則在毛細(xì)負(fù)壓的驅(qū)動下，支持毛細(xì)水將上升到Z=hc的高度，才能達(dá)到平衡。即支持毛細(xì)水最大上升高度即為hc。因?yàn)閔c與管徑成反比，則顆粒愈細(xì)，最大毛細(xì)上升高度也愈大。2023/8/38毛細(xì)水上升高度飽水帶內(nèi)任意點(diǎn)的水頭值H可表土壤鹽澤化與毛細(xì)現(xiàn)象通俗地講，土壤鹽澤化是指土壤中“鹽”的含量超出了正常范圍，以至于一般植物，特別是農(nóng)作物無法生長的現(xiàn)象。其實(shí)鹽澤化對于構(gòu)筑物和建筑物也有危害，如使路面結(jié)構(gòu)或房屋基礎(chǔ)老化等。土壤鹽澤化的動力是地下水（包括包氣帶水）的蒸發(fā)，但也直接與毛細(xì)現(xiàn)象和地下水的運(yùn)動密切相關(guān)。2023/9/139土壤鹽澤化與毛細(xì)現(xiàn)象通俗地講，土壤鹽澤化是指土壤中“鹽”的含防治鹽澤化措施防治措施同樣需要從地下水運(yùn)動和毛細(xì)水兩方面入手：控制地下水位，使得地下水位低于毛細(xì)上升高度；采取工程措施切斷毛細(xì)水上升通道：一種是采用土工膜等極低滲透性材料阻斷毛細(xì)水運(yùn)動；另一種則是采用高空隙度土工織物或碎石層切斷毛細(xì)水。2023/9/1310防治鹽澤化措施防治措施同樣需要從地下水運(yùn)動和毛細(xì)水兩方面入手2023/9/1311懸掛毛細(xì)水在包氣帶中，如果遇到上層顆粒細(xì)，而下層顆粒粗的情況，則在細(xì)顆粒層中會形成懸掛毛細(xì)水。懸掛毛細(xì)水的上下端的液面都會出現(xiàn)毛細(xì)現(xiàn)象。但下端的液面可能是凹面、平面或凸面，則其受力情況與支持毛細(xì)水有所不同。圖5-6。2023/8/311懸掛毛細(xì)水在包氣帶中，如果遇到上層顆粒細(xì)2023/9/1312包氣帶水分的分布理想條件：包氣帶由均質(zhì)土構(gòu)成，無蒸發(fā)，也無入滲和下滲的情況，當(dāng)包氣帶中的水分分布穩(wěn)定時，包氣帶含水量的分布如下：見圖5-7。從地表下某一深度內(nèi)含水量為一定值，相當(dāng)于殘留含水量，即最大持水度。此帶的水與潛水沒有任何水力聯(lián)系。在往下進(jìn)入支持毛細(xì)水帶，含水量隨深度的增加、離潛水面越來越近而增高。潛水面上方一定范圍內(nèi)，含水量達(dá)到飽和，此帶也稱為含水量飽和帶，或毛細(xì)飽和帶。支持毛細(xì)水帶和毛細(xì)飽和帶的水與潛水存在密切的水力聯(lián)系。隨著潛水面的變動而上下移動。2023/8/312包氣帶水分的分布理想條件：包氣帶由均質(zhì)土2023/9/1313毛細(xì)飽和帶為什么會形成毛細(xì)飽和帶？毛細(xì)飽和帶的水與飽水帶中的水有什么不同？因?yàn)橥林械目障秾?shí)際上可以形成大小不一的孔隙通道，并構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，細(xì)小的孔隙通道毛細(xì)上升高度大，較大的空隙通道內(nèi)毛細(xì)上升高度小。當(dāng)較大的孔隙通道也被支持毛細(xì)水充滿的（高度）范圍，即是一個毛細(xì)水飽和帶。雖然二者都充滿了土中的孔隙，但是飽水帶中水是在重力作用下充滿土中孔隙，也可以在重力作用下自由流動；而毛細(xì)飽和帶中的水是由于水的表面張力，在毛細(xì)負(fù)壓作用下充滿于孔隙，其中的水處于毛細(xì)負(fù)壓與重力的共同作用的平衡狀態(tài)，不能夠自由流動。2023/8/313毛細(xì)飽和帶為什么會形成毛細(xì)飽和帶？毛細(xì)飽2023/9/1314包氣帶水的運(yùn)動特征包氣帶中毛細(xì)負(fù)壓隨著含水量的變化而變化，含水量越小，毛細(xì)負(fù)壓越大。毛細(xì)負(fù)壓是含水量的函數(shù)：飽水帶中，對于特定均質(zhì)土層，滲透系數(shù)是常數(shù)；但包氣帶中，滲透系數(shù)隨著含水量而變化，是含水量的非線性函數(shù)：Why?含水量降低，則實(shí)際過水?dāng)嗝鎸p??；水流的實(shí)際流動途徑的彎曲程度將增加；水流將在更窄小、細(xì)小的孔角和孔隙中流動，阻力增大。2023/8/314包氣帶水的運(yùn)動特征包氣帶中毛細(xì)負(fù)壓隨著含2023/9/1315包氣帶水的運(yùn)動特征包氣帶中的非飽和滲流仍可用達(dá)西定律來描述，只是滲透系數(shù)是含水量的函數(shù)。作一維下滲運(yùn)動時，滲透流速可表示為：包氣帶水的運(yùn)動與飽水帶的運(yùn)動相比，有以下不同：飽水帶只存在重力勢，包氣帶同時存在重力勢和毛細(xì)勢；飽水帶任一點(diǎn)的水頭是個定值，包氣帶的毛細(xì)水頭是含水量的函數(shù)飽水帶的滲透系數(shù)是個定值，包氣帶地滲透系數(shù)隨含水量的變化而變化。2023/8/315包氣帶水的運(yùn)動特征包氣帶中的非飽和滲流仍2023/9/1316復(fù)習(xí)思考題毛細(xì)現(xiàn)象及其實(shí)質(zhì)；毛細(xì)負(fù)壓；毛細(xì)上升高度；包氣帶水分的分布規(guī)律；