水文地质学2.2.5 毛细水.ppt

2.2.5 毛细水 capillary water 2.2.5.1 毛细现象 将玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面上升即会上升到至一定高度，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛细现象。 松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，存在于毛细管中的液态水受毛细力的作用而运动，这种水即为毛细水。 毛细现象 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。 图5-2 半圆球状凹形弯液面产生负的附加表面压强 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。 当毛细管足够细的时，弯液面接近于凹进的半圆球形面，根据 ，此处R1 R2 r，所以 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： 5-2 5-3 2.2.5.3 毛细现象的形成过程 水之所以能沿毛细管上升，是因为毛细管与水接触时，由于它们之间的分子引力大于水的表面张力使得固、液、气三相交界处形成一向水内部凸出的弯液面，但同时水的表面 与空气接触处 ，由于表面张力的作用，总是力图使自己的表面积缩小直至最小面积，这种趋势使得管内弯液面向拉平方向发展，而这时管内弯液面中心部分的水分子与毛细管壁的距离缩短，分子引力增强，使得管壁四周液面边缘又被往上牵引，致使毛细管中的水向上运动，以保持弯液面的存在。如此往复，结果促使毛细管中的水不断上升，直至弯液面的上举力与管内水体重力达到平衡时，毛细管中的水不再上升。 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 *在地下水面支持下存在的 附着水面上的 ，随地下水升降而升降 图2-7 。 *毛细水能传递静水压力。 *毛细上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关 表5-1 。表5-1 土的最大毛细上升高度 土样 最大毛细上升高度 cm 粗砂 2-5 中砂 12-35 细砂 35-70 粉砂 70-150 粘性土 200-400 悬挂毛细水 suspension capillary water 孔角毛细水 corner water, contiguity water 悬挂毛细水 suspension capillary water *脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分，称为悬挂毛细水 图2-7 。 *粗粒层和细粒层相间的时，在一定条件下，由于上下弯液面的毛细力的作用，在细土层中会保留与地下水不相连接的毛细水，这种毛细水称为悬挂毛细水。 图2-8 孔角毛细水 *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。 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 。 图2-7 支持毛细水与悬挂毛细水 返回