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1、水文地质学基础FundamentalsofHydrogeology石家庄经济学院工程学院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
2、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
3、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
4、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。
5、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
6、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，将半径为r的毛细管插入水中，毛细管中的水形成凹形的弯液面，并向上升起，当毛细管足够细时，弯液面接近凹形的半球面。据拉普拉斯公式可知，此处R1=R2=r，则得：5.2毛细负压凹形弯液面产生的附加压强Pc，是个负压强,称为毛细压强。凹形弯液面的水,由于表面张力的作用,要比平的液面小一个相当于Pc的压强；或者说,凹形弯液面下的水存在一个相当于P
7、c的真空值。简单实验:使两个玻璃圆球保持一定间隙,然后向此间隙滴水,可看到两个圆球在接触处形成孔角毛细水,并立即贴紧。加水的砂比干燥的砂更为密实,也是毛细负压强作用的结果。将Pc换算为水柱高度（m），且以hc表示，即：——茹林公式即：最大毛细上升高度与毛细管直径成反比。—水的密度，等于1g/cm3；—重力加速度,等于981cm/s2；—表面张力系数,取74dyn/cm（=74×10-3N/m）；—毛细管直径，单位为mm。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(
8、图)。从图可以看出它是一个负的压力水头,故称为毛细负压。在饱水带中（用水力学原理）：测量任一点的压力水头—用测压管（压力计）H=Z+hp在包气带中（测负压）：张力计是一端带有陶土多孔杯的充水弯管，多孔杯充水后透水而不透气。将此多孔杯插入土中，经过一定时间，张力计中的水与土中的水达到水力平衡，在弯管开口部分显示一个稳定的水位。由此水位到放置多孔杯处的垂直距离就是毛细压头hc，为负的压力水头。H=Z-hc5.3毛细上升高度与悬挂毛细水饱水带中任一点的水头值H表示为:H=Z+hp包气带中
