5.4地下水运动

第四节 地下水运动

　　地下水在岩土空隙中的运动现象，统称为“渗流”。渗流按地下水饱和程度的不同，可分为饱和渗流和非饱和渗流。前者包括潜水和承压水，主要在重力作用下运动；后者是指包气带中的毛管水和结合水运动，主要受毛管力和骨架吸引力的控制，这两种渗流的运动规律不同，分述如下：

　　一、结合水运动

　　（一）结合水运动基本规律

　　结合水又分为强结合水（吸湿水）和薄膜水（弱结合水）两种。其中强结合水不能流动，所以论述结合水运动，指的是属于弱结合水的薄膜水运动。

　　薄膜水虽然是弱结合水，但还是具有一定的抗剪强度。它与一般的液体不同，运动过程中并不遵循牛顿内摩擦定律，需要凭借一定的外力来克服它所具有的抗剪强度（τo）后，才能产生运动。在由水力坡度I与渗透速度V所组成的直角坐标系中，薄膜水的运动规律，可用一根通过坐标原点的、向I轴凸出的曲线来表达。曲线上任一段的近于直线的部分，都可以用罗戴的近似表达式表示：

　　

　　式中，k为渗透系数；Io为起始水力坡度。

　　所谓起始水力坡度Io，是指为了克服薄膜水的抗剪强度τo，使之发生流动所必须具有的临界水力坡度。不过根据图5－27所显示的这根薄膜水运动规律的细线，是通过坐标原点的，也就是说，只要有水力坡度，薄膜水就会发生运动，只是当实际的水力坡度I＜Io时，薄膜水的速度V将非常微小，只有凭借精密的仪器才能量测得到。因此严格地讲，起始水力坡度Io乃是指薄膜水发生明显渗流时用以克服其抗剪强度τo的水力坡度。

　　当I很小I=IA时，A点的切线截矩OA′（代表Io(A)）较小，斜率即渗透系数（k）也较小；当I加大到I=IB时，B点的切线截矩OB′及斜率亦随之加大。由此可见I—V曲线能够比较准确地显示出结合水（薄膜水）的V、k、I、Io的相互关系。

　　在天然条件下，颗粒组成成分不同的粘性土的Io及k值均不同，一般规律是，颗粒愈粗，渗孔径越大，起始水力坡度Io就愈小，渗透系数k值则愈大。

　　（二）结合水运动与越流渗透

　　如前所述，粘土，特别是孔隙度大而孔隙细小、质地致密的粘性土，一般情况下被认为是不透水的，因而成为良好的隔水层。但是在实际工作中常常会发现处在两个含水层中间，由粘性土构成的隔水层存在着由下层含水层通过粘土层补给上层的现象，这种现象就称之谓越流补给。

　　此种现象的产生，正是结合水运动的结果，下层水由A点向上层B点渗透，其渗透途径长为L，即是粘性土层的厚度。A点的水头为H1，B点的水头为H₂，粘性土垂向的渗透系数为k，则其渗透速度V为：

　　

　　如果粘性土层厚度比较大，或者上下含水层之间的水头比较小，则I＜I0，V≤0，于是不发生渗流现象。反之当上下含水层之间水头差比较大，粘土层厚度又较小时，则I＞I0，V＞0，就会发生越流现象。由此可知，粘性土层越薄，透水能力越大；含水层之间水头差愈大，则渗透量就越大。这种越流补给可在任意两个相邻的含水层及含水层与地表水体之间发生。

　　二、毛管水运动

　　（一）毛管力及毛管上升高度

　　经由实际观察可知，在液体与固体的交界面上，存在着如其湿润角θ的大小与固体物质表面的性质有关，也与表面的清洁度有关，并决定于固体分子与液体分子之间的引力大小。如湿润条件良好，处于完全湿润状态时，θ角接近于0°；无湿润时，则θ角接近于180°。若取一圆管并将其下端插入水中，由于水表面在管内形成弯月面，从而使液体表面变大，而液面一旦变大，水的表面张力和收缩作用，促使液面要恢复水平，于是使得管内水随之上升，以减少面积，这样直到表面张力向上的拉引作用跟管内升高的液柱重量达到平衡为止，管内的水才停止上升。这种使液体在管内上升的湿润力就是毛管力。

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