水文地质学基础实验(三) 毛细水上升高度测定
水文地质学基础(第六版)第6章_包气带水
2 Pc r 4 Pc D
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 。
二、毛细负压及其测定方法
水在孔隙中经常形成凹形弯液面,产生的毛细
水文地质学基础 General Hydrogeology
第六章 包气带水
本章内容
6.1 毛细现象和毛细水
6.2 土壤水势及其组成 6.3 包气带水的分布与运动规律
6.4 涉及包气带水的主要领域
毛细现象：
6.1 毛细现象和毛细水
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。
hc
根据茹林公式可知:最大毛细上升高度与毛 细管直径成反比。故土颗粒越细、孔径越小，最 大毛细上升高度越大。
表1 松散孔隙介质支持毛细水高度
悬挂毛细水弯液面：毛细力与重力的平衡：
在上层颗粒细而下层颗粒粗的层状细粒层中可形成悬挂毛细水。
悬挂毛细水上下端均出现弯液面，下端的弯液面可以是凸、平、
D —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。
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
H = Z - hc
式中:
水文地质学基础第五章
支持毛细水及潜水不发
生水力联系。
再往下进入支
持毛细水带,含水
量随着接近潜水面 而增高(图7a②)。 在潜水面上有 一个含水量饱和(
体积含水量等于孔
隙度)的带,称为毛
细饱和带(图7a③)
。
支持毛细水带中
含水量逐渐增加以至
达到饱和的原因：土 中的孔隙是由大小不
• 毛细力与重力的平衡如下图所示。
5.4 包气带水水分分布及运动
• 理想条件下(即 包气带由均质 土构成,无蒸发 与下渗,包气带
水水分分布稳
定时),含水量
的垂向分布如
图7(c）。
由地表向下某一深度
内含水量为一定值,相 当于残留含水量(Wc)。
残留含水量的构成
包括结合水、孔角毛细
水与部分悬挂毛细水(
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-hc
5.3 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 • 包气带中任一点的水头值H为：
—毛细管直径，单位为mm。 D
• 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)。 • 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
水文地质学实验指导书.doc
水文地质学实验指导书福州大学环境与资源学院刘思红编2012年5月目录实验一测定岩土的水理性质 (1)实验二观测岩土中毛细水的上升高度 (4)实验三达西渗流实验 (8)实验四绕坝渗流演示实验 (16)实验一测定岩土的水理性质一、实验目的松散岩土中的地下水主要是以结合水、毛细水和重力水的形式存在。
结合水是由于松散岩土的颗粒表面均带有电荷，水分子又有偶极体，由于静电吸引，颗粒表面具有吸附水分子的能力，这部分被吸附的水就被称为结合水，由于颗粒表面的吸引力大于水分子自身的重力，此部分水束缚于颗粒表面，不能在自身重力影响下运动。
毛细水是由于液体表面张力作用而存在于岩土细小孔隙或颗粒之间间隙中的水，前者称为孔角毛细水，后者称为触点毛细水，这部分水由于毛细力的作用，也不能在自身重力作用下运动。
重力水是指距离岩土颗粒较远，存在于岩土较大孔隙中的水，这部份水自身重力对它的影响大于岩土颗粒表面对它的吸引力，同时也大于毛细力的吸引力，能在自身重力影响下能够自由运动。
井、泉取用的地下水都属重力水，是水文地质研究的主要对象。
测定岩土的容水度、持水度、给水度是水文地质专业重要的工作内容之一。
1.容水度(n)容水度是指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值，可用小数或百分数表示，一般说来容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相当。
但是对与具有膨胀性的粘土，充水后体积扩大，容水度大于孔隙度。
2.给水度（μ）若使地下水面下降，则下降范围内饱水岩土中的水，将因重力作用而下移并部分地从原先赋存的空隙中释出，把地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释出的水（重力水）的体积称给水度（岩石完全饱水后在重力作用下释出的水的体积与岩石总体积的比值称给水度）。
3.持水度(s)地下水位下降时，一部分水（毛细水、结合水）由于毛细力和分子力的作用而仍然反抗重力保持于空隙中，地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量，称作持水度。
用毛细管升高法
mm
2
次数
D1
D2
1
3
4
d D1 D2
d
六 注意事项
使用的毛细管、烧杯和液体必须十分洁
净
读数显微镜属于精密光学仪器，注意爱
护并按规程操作
2
, 液体润湿固体；
0， 液体完全润湿固体 。
2 ， 液体完全不润湿固体 。
⑵
, 液体不润湿固体；
三 实验原理
毛细现象
润湿管壁的液体在细管里升高，而不润湿管 壁的液体在细管里降低的现象。 这一现象是由表面张力和接触角所决定的
三 实验原理
毛细管刚插入水中时，管内液面为凹 液面，PC = P0 ,PB < P0 , B、C为等高点， 但PB< PC ，所以液体不能静止，管内液 面将上升，直至PB =PC为止，此时：
三 实验原理
弯曲液面的附加压强
液体表面张力：分子间相互作用力的宏观表现 附加压强：由于表面张力的存在，液面内和液 面外产生的一压强差 2 表面张力系数 对于凸液面：P R 2 对于凹液面： R 球形液面半径 P
R
三 实验原理
液面与固体接触的表面现象
润湿现象：液滴沿固体表面向外扩展，附着在 固体表面上形成薄层
三 实验原理
不润湿现象：液滴在固体表面总是近似呈球 ， 能在固体表面滚动而不附着在上面
润湿和不润湿决定于液体和固体的性质（接触角）
三 实验原理
接触角
在液体与固体接触面的边界处任取一点，作液 体表面及固体表面的切线，这两切线通过液体 内部的夹角称接触角 ，用θ 表示。
三 实验原理
⑴
读数显微镜简介
水文地质学-2.2.5 毛细水-精品文档
2.2.5.2 毛细现象的产生机制 >>毛细现象的产生与液体表面产生的张力有关。 >>由物理学可知，由于液体表面层分子间相互引力的不平衡， 表现出液体具有表面张力的特性。这种表面张力使液体都有力图 缩小其表面的趋势，从而影响液体的运动状况。一个液滴总是力 求成为球状，因为球状是同一容积的液体表面最小的形状。液体 表面犹如蒙盖着一层拉紧的弹性薄膜，表层分子彼此拉的很紧。 >>由于表面张力作用，弯曲的液面将对液面以内的液体产生附 加表面压强，它的作用方向始终指向弯曲液面的曲率中心方向： *凹形弯液面---对内侧的液体附加一个负的表面压强 ---如同 真空吸力(图5-2)； *凸形弯液面—对内侧的液体附加一个正的表面压强。
>>孔角毛细水(corner water, contiguity water) *在包气带中，岩石颗粒接触点上还可以悬留孔角毛细水， 即使粗大的卵砾石，颗粒接触处孔隙大小可达到毛细管的程度 而形成弯液面，将水滞留在孔角上 (图2-8)。 *孔角毛细水与
悬挂毛细水是不同
的：悬挂毛细水似 串珠状且连续分布 的，孔角毛细水是 孤立的。
图5-2 半圆球状凹形弯液面产生负的附加表面压强
>>任何形状的弯液面所产生的附加表面压强 Pc都可以用拉普拉
斯公式表示：
1 1 Pc ( ) R1 R2
式中：a—液体表面张力系数，10-5N/cm；
R1、R2—液体表面的两个主要曲率半径。
5-2
>>当毛细管足够细的时，弯液面接近于凹进的半圆球形面，根
2.2.5.4 毛细水的存在形式
在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种： >>支持毛细水(supporting capillary water)
水文地质学基础 毛细现象与包气带水运动
本节小结
毛细现象 毛细负压及其计算、测量 包气带水运动的特点
思考题
毛细现象的实质 包气带水的运动与饱水带的区别
谢谢！敬请批评指正！
在包气带中，毛细负压是含水率的函数 毛细负压随含水量的变小而负值变大
在包气带中，K 也是含水量的函数 渗透系数与含水量呈非线性关系 随含水量降低而迅速变小
包气带水运动的描述
包气带水的运动与饱水带的区别
包气带水的运动，同样可以用达西定律描述，但与饱水带的运动相比，有 三点不同： 饱水带只存在重力势，包气带同时存在重力势与毛细势 饱水带任一点的压力水头是个定值，包气带压力水头则是含水量的函数 饱水带的渗透系数是个定值，包气带的渗透系数随含水量的降低而变小
毛细负压的测定
毛细上升高度与悬挂毛细水
最大毛细上升高度与毛细管直径成反比。颗粒细小的土，最大毛细上升高中，细粒层中可形成悬挂毛细水 悬挂毛细水的上下端均出现弯液面
包气带水分分布及运动
由地表向下某一深度内含水量为一定值，相当于残留含水量（ cW ），为反抗 重力保持于土中的最大持水度。与其下的支持毛细水及潜水不发生水力联系 支持毛细水带：含水量随着接近潜水面而增高 毛细饱和带（张力饱和带）：在潜水面之上，含水量饱和（体积含水量等于孔 隙度）的带
表面张力公式： α：表面张力系数，单位dyn/cm（1dyn=10−5 N）
因表面张力的作用，弯曲的液面将对液面以内的液体产生附加表面压强，指 向液体表面的曲率中心方向 凸起的弯液面，对液面内侧的液体，附加一个正的表面压强 凹进的弯液面，对液面内侧的液体，附加一个负的表面压强 实际表面压强：弯液面内液体实际承受的表面压强 附加压强（毛细压强）：弯液面产生的附加压强
提纲
毛细现象的实质 毛细负压 毛细上升高度与悬挂毛细水 包气带水分分布及运动
水文地质学基础(第六版)第6章_包气带水
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。
H=Z + hp = 0 （Z=0，hp =0） B点（包气带支持毛细水 的弯液面位于潜水面B 处），该点上支持毛细 水的水头值： H=Z–hc=0–hc= -hc （Z=0，hp=-hc） 即比周围潜水面水头低hc。
c点：因B点比周围 潜水面水头低hc， 在此水头差驱动下， 毛细水将上升。毛 细水弯液面上升到 hc处时，弯液面处 c点的水头：
一、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。
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
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。
三、毛细上升高度与悬挂毛细水
关于粘土的毛细水上升高度测量方法的论述
关于粘土的毛细水上升高度测量方法的论述粘土的毛细水上升高度是水库浸没评价的一个重要指标，但粘土的毛细水上升高度是一个复杂的地质现象，《规范》中有明确粘土毛细上升高度具体室内试验方法，但与现实工况观测数据有误。
现将测定粘土毛细水升高度的几种方法做比较论述。
标签：毛细水上升高度；浸没一、引言评价水库区浸没与否一个关键指标就是临界地下水位埋深，进行浸没初判时一般临界地下水位埋深按毛细水上长升高度加上安全超高值；浸没复判时农作物区及建筑物区都需要考虑土层毛细水上升高度，由此可见，水库浸没评价的一个重要指标是土的毛细水上升高度值。
二、方法介绍1 现场观测法现场观测毛细水上升高度，一种在浸没区内利用天基坑地下水揭露点，另一种为选择合适的地点人工现场开挖揭露地下水点，肉眼观察毛细水升高度值。
其基本原理为由于毛细水上升区内土层含水率较高导致土体颜色深，而非毛细水强烈上升区含水率较低而颜色浅，土体的含水率不同时导致土体的稠度状态亦有区别，深颜色与浅颜色显著差别点距地下水位深度为毛细管水上升值。
2 室内试验卡明斯基毛细仪法，室内试验测试土体毛细上升高度基本原理：存在于土的毛细管孔隙中的水，在固相、液相、气相三相交界面处形成了弯液面，产生了具有拉应力性质的弯液面力。
当土层与地下水面接触时，由于弯液面力的作用使毛细水上升，直至液柱重量与弯液面力平衡，此水柱高度是就是毛细水上升高度。
本方法可以直接观察到弯液面力能保持的水柱高度。
3 “含水率—塑限”图法此方法列入《铁路工程土工试验规程》TB10102—2010。
这是目前唯一列入规程的粘土毛细水上升高度测试方法。
具体试验过程是：1）在试井（钻孔）每15～20cm取土样，测定土的天然含水率、塑限。
2）以取样深度为纵坐标，以土的天然含水率为横坐标，绘制深度-含水率关系曲线。
3）以土层的塑限绘制竖直线段，竖直线段与含水率曲线最上面的交点，即为毛细水强烈上升高度的顶点。
此点到地下水位的距离为毛细水强烈上升高度值。
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实验三
毛细水上升高度测定
毛细水是赋存在包气带岩石 空隙中的地下水, 它同时承受着 重力和毛细力的共同作用。最受 人类关注的主要是地下水面以上 的支持毛细水, 它分布在包气带 下部形成毛细水带, 毛细水上升 高度决定着该带的厚度。
饱水带的地下水只所以能沿
毛细空隙上升, 主要是受毛细力的 牵引。毛细力是发生在岩石介质 空隙中固、液、气三相界面上的 一个向上的力, 它是由岩石颗粒 表面张力和水的作用产生的。形 成指向弯液面凹侧向上的附加表 面压强, 该附加压强因弯液面上 凹而向上, 为一负值, 称为毛细负 压。因此, 凹液面所受的大气压
一、直接观察法 该法是将试样装入有刻度的 玻璃管中,管的底部缚有滤网,并 放置于盛水槽中, 直接观测毛细 水的上升高度。
1、测定装置
玻 璃 管 架
带 刻 度 玻 璃 管 铁皮水槽
2、测定操作步骤
3、实验数据记录表ຫໍສະໝຸດ 观 观察时间 察 次 日 时 分 间隔 (分) 数 各种粒度成分砂毛细上升高度(cm) 极细砂 细 砂 中 砂 粗 砂
《水文地质学基础》实验
文字编辑： 曹继星
影视制作：曹继星
配
音：曹继星
实验操作：周淑敏
技术指导：刘金峰 技术顾问：李 铎
前
言
《水文地质学基础》实验是 水文与水资源工程、环境工程、 土木工程、资源勘查、勘查技术 与工程等专业学生今后从事地下 水研究必备的基本手段和技能, 通过实验可提高学生分析问题和 解决问题的能力。
强要比水平液面小一个毛细压强, 相当于凹液面之下存在一个与毛 细压强相等的真空值。所以, 可认 为该毛细负压力就是一个向上的 弯液面力。该弯液面力抵抗着大 气压力和重力使水沿毛细管上升, 直至液柱重力与之平衡。若换算 成水柱高度可表示为：
h = 0.03 / D
式中, h为水柱最大毛细上升 高度(单位：m); D为毛细管的直 径(单位：mm)。 由上式看出,毛细管直径越小, 水的毛细上升高度越大,反之则越 小。因而在大孔隙的粗砂中, 毛 细管直径较大, 毛细水上升高度
1、原理
该法是根据弯液面力能产生 一定负压力, 使供水中的静水压 力小于外界大气压力。其压差所 支持的毛细水柱高度即为被动的 毛细力支持的下降水柱高度, 用连 通管等压面原理就可进行测定。
2、测定装置
滤网
调 流 量 阀
固 定 铁 架 子
铁 架 子
B
A
接水桶
3、测定步骤
4、实验数据记录表
实 验 岩 性 次 数 粒 径 (mm)
显然上式为一线性方程, 将所测的t 和H 取对数, 然后在双对数纸上作其关系曲线, 其 直线的斜率为n, 截距为–lgm。取其反对数 就可求出m来。
lgt
n = tg θ =
lgt2 ━ lgt1
lgH2 ━ lgH1
(lgH2 , lgt2)
(lgH1 , lgt1)
θ
━ lgm
lgH
二、卡明斯基仪测定法
较小, 而细砂、粘土, 由于孔隙直 径较小, 毛细水上升高度则较大。 岩石中毛细水上升高度对于 研究包气带水运动、大气降水入 渗补给地下水、农田灌溉、盐碱 地改良、地下水污染及工程建筑 地基处理设计与稳定性评价等, 都具有重要意义。 松散岩石的毛细水上升高度
测定方法, 有直接观察法和卡明 斯基仪法。前者适用于粗砂和中 砂, 后者则适用于粉砂和粘土。
4、实验数据整理
将记录表中数据, 在同一座标 纸上分别绘出粗砂、中砂、细砂 和极细砂的毛细水上升高度与时 间关系曲线。该曲线可用如下经 验式表示： Hn = m t
上式中, n一般大于2, m随土 质而异。可利用作图分析方法分 别确定三条曲线的实用经验式。
将上式两边取对数得：
lgt = nlgH ― lgm
测定累计时间
时 分 秒
毛细上升 高 度 (cm)
备注
平 均
值
三、撰写实验报告
包括直接观测法和卡明斯基 仪测定法的实验体会和看法。描 述负水头法测定过程中值得注意 的现象等。分析实验讲义中相应 的思考题。
石家庄经济学院工程学院
水文与水资源工程教研室监制
2004. 11