地下水水文学实验课件

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1、地下水水文学地下水水文学Groundwater Hydrology 讲授：杜发兴讲授：杜发兴吉林大学环境与资源学院吉林大学环境与资源学院水文水资源系水文水资源系20052005年年1010月月地下水水文学实验地下水水文学实验 实验实验一一 达西实验达西实验实验实验二二 持水度测定持水度测定实验实验三三 含水率剖面含水率剖面实验实验四四 孔隙度测定孔隙度测定实验实验五五 给水度测定给水度测定实验实验六六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定实验七实验七 渗压实验渗压实验实验一实验一 达西定律达西定律-1.-1.目的意义目的意义 (1)掌握实验室测定岩石渗透系数的方法，加深对岩石渗透系数掌握实

2、验室测定岩石渗透系数的方法，加深对岩石渗透系数的认识。的认识。(2)验证达西定律，从而提高对直线渗透定律的理解。验证达西定律，从而提高对直线渗透定律的理解。岩石渗透系数是定量描述岩石透水性能的物理指标，岩石空岩石渗透系数是定量描述岩石透水性能的物理指标，岩石空隙越大、连通性越好，则渗透系数越大，单位时间内通过过水隙越大、连通性越好，则渗透系数越大，单位时间内通过过水断面的水量越多。其物理含义是当水力坡度等于断面的水量越多。其物理含义是当水力坡度等于1时，渗透系数时，渗透系数就等于渗透速度。渗透系数是进行井孔、矿坑涌水量及水库，就等于渗透速度。渗透系数是进行井孔、矿坑涌水量及水库，渠道渗流量计算

3、时不可缺少的重要水文地质参数。渠道渗流量计算时不可缺少的重要水文地质参数。确定渗透系数的方法很多，在野外常用井孔抽水，注水及试确定渗透系数的方法很多，在野外常用井孔抽水，注水及试坑渗水、压水试验等方法。所得资料可靠精度高，但效率低，坑渗水、压水试验等方法。所得资料可靠精度高，但效率低，成本高。在室内常用达西仪，戚姆仪及渗压仪等方法测定。本成本高。在室内常用达西仪，戚姆仪及渗压仪等方法测定。本次实验采用达西仪测定岩石的渗透系数。次实验采用达西仪测定岩石的渗透系数。实验一实验一 达西定律达西定律-2.-2.仪器设备仪器设备 达西仪共由四部分组成。达西仪共由四部分组成。(1)(1)供水器装置（马氏瓶

4、）供水器装置（马氏瓶）：以法国物理学家：以法国物理学家MariotteMariotte的马利的马利奥特瓶装置，是一种能控制水位又能自动连续补给水的量测装奥特瓶装置，是一种能控制水位又能自动连续补给水的量测装置。置。(2)(2)渗透装置（试样筒）渗透装置（试样筒）：有机玻璃园桶，上部设有进水孔，：有机玻璃园桶，上部设有进水孔，底部装有过滤筛板，下端有出水孔，供测量渗流量用。侧面有底部装有过滤筛板，下端有出水孔，供测量渗流量用。侧面有三个侧压孔。三个侧压孔。(3)(3)测压装置（测压板和测压管）测压装置（测压板和测压管）：在测压板上装有三根：在测压板上装有三根5-5-8cmm8cmm带刻度的玻璃管

5、，分别与试样筒上的三个测压孔连接，测带刻度的玻璃管，分别与试样筒上的三个测压孔连接，测定三个断面上的测压水位用。三个测压管用胶管分别与试样筒定三个断面上的测压水位用。三个测压管用胶管分别与试样筒相应的管孔联结。其它设备有相应的管孔联结。其它设备有100m1100m1的量筒、水槽、漏斗、捣捧、的量筒、水槽、漏斗、捣捧、装样杯、秒表、温度计、管夹、胶皮管及吸气球等。装样杯、秒表、温度计、管夹、胶皮管及吸气球等。(4)(4)排水装置排水装置：在测压板上均匀分布有一系列的圆孔，用于调：在测压板上均匀分布有一系列的圆孔，用于调节排水水位。节排水水位。实实验验一一 达达西西定定律律2 2 仪仪器器设设备备

6、 马氏瓶马氏瓶试样筒试样筒测压板测压板测压管测压管排水装置排水装置实验一实验一 达西定律达西定律-3.-3.实验步骤实验步骤 (1)(1)检查仪器设备检查仪器设备是否齐全，完好：胶管与仪器连结处是否漏气是否齐全，完好：胶管与仪器连结处是否漏气漏水或堵塞。漏水或堵塞。(2)(2)装样装样；在装样前在过滤筛板上放二层滤纸，然后装样，每装；在装样前在过滤筛板上放二层滤纸，然后装样，每装35cm35cm厚时，均用捣捧轻击数次，并测定试样的孔隙度或容重使其结厚时，均用捣捧轻击数次，并测定试样的孔隙度或容重使其结构尽量符合实地的状态。重复上述过程，直至试样超过最上一个测压构尽量符合实地的状态。重复上述过程

7、，直至试样超过最上一个测压孔以上孔以上5cm5cm为止。为止。(3)(3)饱和试样饱和试样，将排水水位调节高于试样水面，打开供水管夹，将排水水位调节高于试样水面，打开供水管夹，待试样表面出现水膜时立即关闭供水夹，观察试样筒及三个侧压管水待试样表面出现水膜时立即关闭供水夹，观察试样筒及三个侧压管水位是否在同一水平面上位是否在同一水平面上(1mm(1mm为准为准)；如果没有则说明气泡没有排尽或；如果没有则说明气泡没有排尽或侧压管被堵塞，需将侧压板倾斜或用吸气球从低水位管中吸出水为止。侧压管被堵塞，需将侧压板倾斜或用吸气球从低水位管中吸出水为止。(4)(4)实验测定实验测定：打开供水管夹调节排水水位

8、，当侧压管水位稳定：打开供水管夹调节排水水位，当侧压管水位稳定后后(30(30秒钟内水位变动秒钟内水位变动1mm)1mm)，记录各侧压水位值，记录各侧压水位值(读弯液面下缘高度读弯液面下缘高度)，同时测定在时间同时测定在时间t t秒钟内出水管的渗透量及水温秒钟内出水管的渗透量及水温TT。重复测定二次取。重复测定二次取其平均值。然后再调节二次排水水位其平均值。然后再调节二次排水水位(即改变即改变I)I)，如同前述测得二次，如同前述测得二次调节后的各值。调节时应逐级上升或依次下降，不要跳跃式的上升或调节后的各值。调节时应逐级上升或依次下降，不要跳跃式的上升或下降，以免冲坏试样原有结构。下降，以免冲

9、坏试样原有结构。实验一实验一 达西定律达西定律-3.-3.实验步骤实验步骤 最后测量试样筒内径最后测量试样筒内径d及测压孔间距及测压孔间距L1、L2并将三次不同排水水位时，所并将三次不同排水水位时，所测得数据一一填入记录表测得数据一一填入记录表11 仪器内径仪器内径Dcm班级：班级：渗透土柱断面面积渗透土柱断面面积Fcm2试验者：试验者：测压间距测压间距Lcm日期：日期：表表1-1 达西实验记录表达西实验记录表测压管水位(cm)水位差(cm)试 验 次 数 时间 T(s)水量(W)(cm3)流量 QW/T(cm3/s)渗透 速度 VQ/F(cm3/s)h1 h2 h3 h1-h2 h2-h3

10、平均h 水 力 坡度 I 渗透系数Kt(cm/s)水温 t oC 平均渗透 系数 Kcp(cm/s)I II III 2023-2-228实验一实验一 达西定律达西定律-4-4作业要求作业要求1.计算渗透系数（计算渗透系数（K）根据达西公式，根据达西公式，(11);(12)式中：K试样的渗透系数（cm/s）；v渗透速度（cm/s）；Q渗透流量（cm3/s）；t测流的时间段（s）；W在t秒时间段内测得的渗透量（cm3）；F过水断面积（cm2）；d试样圆筒的内径即试样柱的直径（cm）；I水力坡度：h1,h2,h3分别为侧压管1,2，3的相对水位（cm）；L1,L2分别为侧压孔1,2,3孔的间距（c

11、m）。IFKQ.IKFQV.IVK;2131232121LLhhLhhLhhI实验一实验一 达西定律达西定律-4-4作业要求作业要求n2、渗透系数温度校正计算。n地下水的渗透速度不仅与岩石本身的性质有关，而且还与水温和动力粘滞系数有关，因此在计算温热矿水或预测不同水温的渗透系数时，应考虑水温的影响，现以校正成水温为10时为例对渗透系数校正计算，其计算公式为：n式中：K0，K10,KT分别为水温在10；T的渗透系数。n t0，t10,t tT 分别为水温在10；T的温度校正系数。nm0，m10,m mT分别为水温在0；10；T的水的动力粘滞系数，根据普阿杰里表，直接查得。TTKK10101001

12、0mmTTmm0；1010mmTTKK实验一实验一 达西定律达西定律-4-4作业要求作业要求表 1-1 普阿杰里表 T m T m T m T m 0 0.0178 8 0.0139 16 0.0111 24 0.0093 1 0.0172 9 0.0135 17 0.0108 25 0.0091 2 0.0167 10 0.0131 18 0.0105 26 0.0089 3 0.0162 11 0.0127 19 0.0103 27 0.0087 4 0.0157 12 0.0124 20 0.0101 28 0.0085 5 0.0152 13 0.0120 21 0.0099 29 0

13、.0083 6 0.0147 14 0.0117 22 0.0097 30 0.0081 7 0.0143 15 0.0114 23 0.0095 实验一实验一 达西定律达西定律-4-4作业要求作业要求(3)根据调节三次排水水位所得三个 I、V 值：绘制 VI 关系线（以 V 为纵座标，I 为横座标）验证达西定律。所得 K 值是否相等，为什么？(4)达西实验为何一定要保持常水头供水，试验过程中是怎样实现常水头供水的？（5）延长 VI 线的下端，是否通过原点，为什么？实验二实验二 持水度持水度/含水率的测定含水率的测定-1.-1.目的意义目的意义 1.1.通过实验，加深对持水性、持水度概念的理解

14、，以及持通过实验，加深对持水性、持水度概念的理解，以及持水度与含水率的根本区别。水度与含水率的根本区别。2.2.掌握实验室测定持水度的基本方法和步骤。掌握实验室测定持水度的基本方法和步骤。岩石的岩石的持水性持水性是指饱水岩石在重力作用下释水时，由于岩是指饱水岩石在重力作用下释水时，由于岩石颗粒表面与水分子间的分子吸引力及孔隙毛管力的作用，使石颗粒表面与水分子间的分子吸引力及孔隙毛管力的作用，使一部分水份仍能保持在孔隙中的这种性能。一部分水份仍能保持在孔隙中的这种性能。岩石持水性大小的定量指标以岩石持水性大小的定量指标以持水度持水度来表示，即为饱水岩来表示，即为饱水岩石经释水后所能保持水的重量与

15、其岩石的重量之比值。也可称石经释水后所能保持水的重量与其岩石的重量之比值。也可称为为最大分子持水度最大分子持水度，在支持毛管水带内所测得的持水度叫，在支持毛管水带内所测得的持水度叫毛管毛管持水度持水度。实验二、三实验二、三 持水度持水度/含水率的测定含水率的测定-1.-1.目的意义目的意义 持水度持水度是饱水岩石经天然或人工排水疏干自由重力水时的是饱水岩石经天然或人工排水疏干自由重力水时的含水率，即为岩石所含结合水重量与岩石干重之比。其值大小含水率，即为岩石所含结合水重量与岩石干重之比。其值大小仅取决于岩性、结构。相同粒度、结构的岩石，持水度应接近仅取决于岩性、结构。相同粒度、结构的岩石，持水

16、度应接近于常值。于常值。含水率含水率的大小除与岩性、结构外还与岩石所处的自然环境、的大小除与岩性、结构外还与岩石所处的自然环境、距水及地下水面远近有关，随垂向剖面由上至下，由天然含水距水及地下水面远近有关，随垂向剖面由上至下，由天然含水率率(最小值最小值)渐变到饱和含水率渐变到饱和含水率(最大值最大值)，其值相差非常悬殊。，其值相差非常悬殊。持水度持水度是进行地下水储量计算或排水疏干以及地下水动态研是进行地下水储量计算或排水疏干以及地下水动态研究时的重要参数之一，在加强田间土壤水分管理增产增收及道究时的重要参数之一，在加强田间土壤水分管理增产增收及道路翻浆，冻胀研究工作中起着重要的作用。路翻浆

17、，冻胀研究工作中起着重要的作用。实验二、三实验二、三 持水度的测定持水度的测定-1.-1.目的意义目的意义持水度与给水度持水度与给水度实验二、三实验二、三 持水度持水度/含水率的测定含水率的测定-2-2 仪器设备仪器设备 以前习惯将含水率以前习惯将含水率合并在持水度测定试验中进行，选用合并在持水度测定试验中进行，选用高高柱仪柱仪。本次试验为了测定垂向剖面上的含水率及绘制剖面水分。本次试验为了测定垂向剖面上的含水率及绘制剖面水分特征曲线，采用特征曲线，采用土柱仪土柱仪进行实验。进行实验。土柱仪土柱仪也可用于也可用于含水率含水率、给水度给水度的测定，在装样前首先测得的测定，在装样前首先测得过滤底板

18、以下的体积过滤底板以下的体积(或密封或密封)，用，用马氏瓶马氏瓶供水，测得试样体积供水，测得试样体积和充水至试样表面出现水膜为止时，所需水的体积，又可用注和充水至试样表面出现水膜为止时，所需水的体积，又可用注水法测定试样的水法测定试样的孔隙度孔隙度。仪器设备：仪器设备：恒温烘箱恒温烘箱(100105)(100105)，百分之一天秤；称样，百分之一天秤；称样铝盒，取样小勺，干燥器，装样杯及捣铝盒，取样小勺，干燥器，装样杯及捣棒等。棒等。实实验验二、二、三三 持持水水度度的的测测定定2 2仪仪器器设设备备 土柱仪土柱仪马氏瓶马氏瓶供水夹供水夹排排水夹水夹实验二、三实验二、三 持水度持水度/含水率的

19、测定含水率的测定3.3.实验步骤实验步骤(1)装样装样：最好是取直径稍大于土柱仪的原状试样，边削边装：最好是取直径稍大于土柱仪的原状试样，边削边装入园筒中。扰动试样要分层装，每装入园筒中。扰动试样要分层装，每装35cm厚时，均用捣棒厚时，均用捣棒轻击数次，并测定试样的孔隙度或容重使其结果尽量符合实轻击数次，并测定试样的孔隙度或容重使其结果尽量符合实地的状态。重复上述过程直至试样与土柱仪筒口一样高为止。地的状态。重复上述过程直至试样与土柱仪筒口一样高为止。(2)饱水和释水饱水和释水：打开供水夹：打开供水夹，向土柱中充水。待试样表面出向土柱中充水。待试样表面出观水膜时立即停止供水。观水膜时立即停止

20、供水。充分饱水充分饱水后开始释水，排尽柱仪中后开始释水，排尽柱仪中自由重力水。自由重力水。(3)取样秤重取样秤重：记录最终水位，分别在：记录最终水位，分别在2，4，6，8，10，12，14，16及及18号孔取试样号孔取试样3050g左右，装入已知重量左右，装入已知重量(g0)的铝盒的铝盒内；立即盖好盒盖内；立即盖好盒盖(盖及盒号应相符盖及盒号应相符)，擦净盒外余土杂物，用，擦净盒外余土杂物，用天秤称得盒及湿土重量天秤称得盒及湿土重量(g1)，打开盒盖放入烘箱，在，打开盒盖放入烘箱，在105温温度下恒温度下恒温4小时以上，烘干。小时以上，烘干。实验二实验二 、三、三 持水度持水度/含水率的测定含

21、水率的测定(4)分别盖好相应的盒盖，放入干燥器，冷却至室温，称得盒和分别盖好相应的盒盖，放入干燥器，冷却至室温，称得盒和干样重量干样重量(g2)。(5)将称得盒重，盒及湿样，盒及干样重量按孔号分别填入记录将称得盒重，盒及湿样，盒及干样重量按孔号分别填入记录表表1-1。表表1-1 1-1 持水度试验记录表持水度试验记录表孔号 高度 cm 盒号 盒重 g0(克)盒及湿样 重 g1(克)盒及干样 重 g2(克)水分重 g1-g2 干样重 g2-g0 含水率 0221gggg 2 4 10 12 14 16 18 实验二、三实验二、三 持水度持水度/含水率的测定含水率的测定-4.-4.作业要求作业要求

22、 (1)(1)含水率含水率()的计算：的计算：将各孔试样计算的含水率逐一填入表将各孔试样计算的含水率逐一填入表1 11 1。(2)(2)绘制剖面水分分布曲线绘制剖面水分分布曲线h h ，首先分别测得取样各孔至释，首先分别测得取样各孔至释水后最终静止水位的距离水后最终静止水位的距离h(cm)(cm)，设水位为原点，以距离，设水位为原点，以距离h为纵为纵座标，以含水率座标，以含水率()为横座标，绘制为横座标，绘制h h 曲线。曲线上曲线。曲线上 值变化值变化不大的孔段范围内，不大的孔段范围内，的平均值即为持水度的平均值即为持水度(Sr)。(3)(3)分析分析h h 曲线的特征和拐点，确定持水度曲线

23、的特征和拐点，确定持水度(最大分子持水最大分子持水度度)、毛管水及支持毛管水带的分布高度、毛管水及支持毛管水带的分布高度(cm)(cm)。%1000221gggg实验二、三实验二、三 持水度持水度/含水率的测定含水率的测定-4.-4.作业要求作业要求 剖面水分分布曲线剖面水分分布曲线h h 实验四、五实验四、五 给水度给水度/孔隙度的测定孔隙度的测定-1.-1.实验目的及意义实验目的及意义 （1 1）通过实验，加深对岩土容水性）通过实验，加深对岩土容水性/容水度容水度/孔隙度、给水性孔隙度、给水性/给给水度概念的理解，以及给水度与容水度的区别。水度概念的理解，以及给水度与容水度的区别。（2 2

24、）掌握实验室测定容水度）掌握实验室测定容水度/孔隙度孔隙度/给水度的基本方法和步骤。给水度的基本方法和步骤。给水度是衡量潜水含水层给水性能大小的一个重要指标。给水度是衡量潜水含水层给水性能大小的一个重要指标。早在四十年代，苏联学者提出：在重力作用下，单位体积饱水岩早在四十年代，苏联学者提出：在重力作用下，单位体积饱水岩石所排出重力水的体积，称为石所排出重力水的体积，称为重力给水度重力给水度。七十年代，著名的地下水水力学家七十年代，著名的地下水水力学家J.BearJ.Bear提出新概念提出新概念潜水水位潜水水位下降单位深度时下降水位以上单位横截面积土柱所排除的水量，称为下降单位深度时下降水位以上

25、单位横截面积土柱所排除的水量，称为给水度给水度。模拟试验结果表明，前者仅适用于理想的砂砾石（很少见），这模拟试验结果表明，前者仅适用于理想的砂砾石（很少见），这就限制了它的广泛应用。后者不仅适用于任何粒度的孔隙岩石，而且就限制了它的广泛应用。后者不仅适用于任何粒度的孔隙岩石，而且还能把下降水位以上的水位变动带与非饱和水带做为统一体考虑，反还能把下降水位以上的水位变动带与非饱和水带做为统一体考虑，反映出饱和流和非饱和流之间的内在联系，应用范围广。映出饱和流和非饱和流之间的内在联系，应用范围广。实验四、五实验四、五 给水度给水度/孔隙度的测定孔隙度的测定-1.-1.实验目的及意义实验目的及意义 近

26、年来近年来,在上述研究成果基础上，应用水文地质力学观点，在上述研究成果基础上，应用水文地质力学观点，分析作用在潜水含水层上界面分析作用在潜水含水层上界面自由水面处土自重压力变化自由水面处土自重压力变化对含水层释水的作用，经多次模拟试验得知：潜水水位下降，对含水层释水的作用，经多次模拟试验得知：潜水水位下降，不仅会引起下降水位以上不仅会引起下降水位以上(包括水位变动带在内包括水位变动带在内)的整个非饱水的整个非饱水带的排水，而且还能引起下降水位以下整个饱水带带的排水，而且还能引起下降水位以下整个饱水带(含水层含水层)的的压缩变形，部分孔隙被挤出而称为压缩变形，部分孔隙被挤出而称为释水释水。潜水含

27、水层的给水度潜水含水层的给水度，不能仅视为由水位变动带的岩性和包，不能仅视为由水位变动带的岩性和包气带的水分再分配而决定的物理参数，而是与包括包气带与饱气带的水分再分配而决定的物理参数，而是与包括包气带与饱水带在内的整个含水柱体有关的经验参数水带在内的整个含水柱体有关的经验参数.实验四、五实验四、五 给水度给水度/孔隙度的测定孔隙度的测定-1.-1.实验目的及意义实验目的及意义潜水含水层的给水度潜水含水层的给水度 sHTWmm)(式中m 给水度(无量纲)；V在重力作用下，饱水岩石排出重力水体积L3；V饱水岩石总体积L3；)(TW水位下降H时，下降水位以下单位横截面积土柱在最终排水时间 T 内所

28、排出的水量，以水层厚度计L；H 潜水位下降幅度；sm一含水层释水系数，其表达式为；iZZZiiasZZeZappHmi1)(1)()lg(lg1012m式中 P1，P2潜水位下降所引起的自重压力变化值；)(0Ze潜水含水层 Z 深度处土体的天然孔隙比；)(Zaa潜水含水层 Z 深度处土体压缩指数；iZ计算单元 I 的土体高度。实验四、五实验四、五 给水度给水度/孔隙度的测定孔隙度的测定-1.-1.实验目的及意义实验目的及意义容水度容水度/孔隙度孔隙度实验四、五给水度实验四、五给水度/孔隙度的测定孔隙度的测定-1.-1.实验目的及意义实验目的及意义持水度与给水度持水度与给水度实验四、五实验四、五

29、 给给水度水度/孔隙度的孔隙度的测定测定-2-2仪器设仪器设备备 土柱仪土柱仪马氏瓶马氏瓶供水夹供水夹排排水夹水夹实验四、五实验四、五 给水度给水度/孔隙度的测定孔隙度的测定3.3.实验步骤实验步骤 (1)装样装样：最好原状试样：最好原状试样；扰动试样要分层装，每装扰动试样要分层装，每装35cm厚时，均用捣棒轻击数次，并测定试样的孔隙度或容重使其结厚时，均用捣棒轻击数次，并测定试样的孔隙度或容重使其结果尽量符合实地的状态。重复上述过程直至试样与土柱仪筒口果尽量符合实地的状态。重复上述过程直至试样与土柱仪筒口一样高为止。一样高为止。(2)饱水饱水：打开供水夹：打开供水夹，向土柱中充水。待试样表面

30、出观水膜向土柱中充水。待试样表面出观水膜时立即停止供水时立即停止供水；量测并记录饱和干燥试样所用的水体积；量测并记录饱和干燥试样所用的水体积Vn。(3)释水释水：充分饱水充分饱水后后，打开打开排排水夹开始释水，排尽水夹开始释水，排尽土土柱仪中柱仪中自由重力水自由重力水，采用量杯量测并记录所排出的水体积，采用量杯量测并记录所排出的水体积Vw。测量土柱仪直径测量土柱仪直径D(半径半径r)、偶数编号各孔高度、偶数编号各孔高度(hi)、土柱高度、土柱高度(Hw)。实验四、五实验四、五 给水度给水度/孔隙度的测定孔隙度的测定4.4.作业要求作业要求(1)(1)计算岩土的孔隙度计算岩土的孔隙度n n：n=

31、Vn=Vn/V/Vt,V,Vt=3.1415r=3.1415r2 2HHw式中式中V Vn饱和干燥试样所用的水体积；饱和干燥试样所用的水体积；Vt 土柱仪中土柱的总体积；土柱仪中土柱的总体积；(2)(2)计算岩土的给水度计算岩土的给水度m m：m m=V=Vw/V/Vt,V,Vt=3.1415r=3.1415r2 2HHw 式中式中V Vw饱和土柱在重力作用下完全排水所排出的重力水体积；饱和土柱在重力作用下完全排水所排出的重力水体积；Vt 土柱仪中土柱的总体积；土柱仪中土柱的总体积；(3)成果检验：成果检验：m m+Sr=n （砂土）；（砂土）；m m+nd+Sr=n（粘土）（粘土）若测得饱和

32、重量含水量若测得饱和重量含水量 s和干容重（干密度）和干容重（干密度）g gd，则有，则有 n=n=g gd s (4)分析给水度分析给水度/容水度的影响因素。容水度的影响因素。实验六实验六 毛细上升高度的测定毛细上升高度的测定1.1.目的意义目的意义(1)掌握实验室测定岩石毛细上升高度的方法；掌握实验室测定岩石毛细上升高度的方法；(2)加深对毛细现象和毛细水的认识。加深对毛细现象和毛细水的认识。毛细水上升高度是水在疏松岩石孔隙中因毛管力的作用。毛细水上升高度是水在疏松岩石孔隙中因毛管力的作用。以以定的速度上升，直至达到毛管水上升最大高度。定的速度上升，直至达到毛管水上升最大高度。测定毛细水上

33、升高度，对研究地下水的蒸发消耗以及土测定毛细水上升高度，对研究地下水的蒸发消耗以及土壤盐渍化的形成，改良等有着重要的意义。地下水的入渗壤盐渍化的形成，改良等有着重要的意义。地下水的入渗和蒸发都是毛管水通过静水压力来传递的。因此有必要对和蒸发都是毛管水通过静水压力来传递的。因此有必要对包气带中毛管水的上升高度、赋存，运移特征及其影响因包气带中毛管水的上升高度、赋存，运移特征及其影响因素进行研究。素进行研究。实验六实验六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定22基本原理基本原理 卡明斯基毛管上升高度测定仪卡明斯基毛管上升高度测定仪是根据土中发生毛管水现象时，是根据土中发生毛管水现象时，弯液面产

34、生负压力使毛管中静水压力小于大气压力，其所差之弯液面产生负压力使毛管中静水压力小于大气压力，其所差之值相当于毛管水上升水柱高度乘以水的容重值相当于毛管水上升水柱高度乘以水的容重(水的容重等于水的容重等于1)，利用利用连通管连通管测定毛管水上升高度的负压水柱等于支持下降水柱测定毛管水上升高度的负压水柱等于支持下降水柱高度的等压面原理测得的。高度的等压面原理测得的。毛管水毛管水能够传递静水压力，是通过能够传递静水压力，是通过长、短管长、短管中的毛管力与支中的毛管力与支持毛管水上升高度水柱的重量相平衡的原理进行实验的。当得持毛管水上升高度水柱的重量相平衡的原理进行实验的。当得到入渗补给时饱水高度超过

35、毛管水上升最大高度时，便要流出到入渗补给时饱水高度超过毛管水上升最大高度时，便要流出高出部分的重力水，直至达到毛管水最大上升高度为止。高出部分的重力水，直至达到毛管水最大上升高度为止。实验六实验六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定33仪器设备仪器设备 卡明斯基毛管仪卡明斯基毛管仪(1)试样筒试样筒：直径为：直径为46cm的玻璃管：高约为的玻璃管：高约为20cm、其底部有两、其底部有两细管细管A、B。其中。其中A管用于充水、排水、管用于充水、排水、B管用于排气；试样筒底管用于排气；试样筒底部铺一金属网或透水板，防止试样流失。部铺一金属网或透水板，防止试样流失。(2)供水瓶供水瓶(3)U字

36、型压力计字型压力计：以直径为：以直径为0.51.0cm的玻璃管连成的玻璃管连成U字型的压字型的压力计，压力计下部有力计，压力计下部有个三通管。分别与压力计，供水瓶、排个三通管。分别与压力计，供水瓶、排水管水管C连结。连结。(4)标尺标尺：标尺镶在型压力计玻璃管的的右侧，标尺零点在上端：标尺镶在型压力计玻璃管的的右侧，标尺零点在上端与装样筒底部试样在同一水平面上。与装样筒底部试样在同一水平面上。(5)捣棒捣棒.实验六实验六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定目的意义目的意义卡明斯基长、短管装置卡明斯基长、短管装置:其厚壁玻璃管内径其厚壁玻璃管内径23cm，长管长为，长管长为60100cm三

37、根，短管长三根，短管长为为1020cm，上有精度为，上有精度为1mm的刻度，零点在下端，管下端用的刻度，零点在下端，管下端用金属网缚住。金属网缚住。实验六实验六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定4.4.实验步骤实验步骤卡明斯基毛管仪的实验步骤卡明斯基毛管仪的实验步骤 (1)将试样装入试样瓶中约将试样装入试样瓶中约10cm。装样时分。装样时分 数次进行，并分数次进行，并分层捣实。如采用原状土样，可切成与试样简直径相同，高约层捣实。如采用原状土样，可切成与试样简直径相同，高约10cm的土柱装入试样筒中，四周孔隙用蜡密封，不使漏气；的土柱装入试样筒中，四周孔隙用蜡密封，不使漏气；(2)打开打

38、开A、B管，关上管，关上C管，逐渐使土样被水饱和至表面出现管，逐渐使土样被水饱和至表面出现水膜为止。土样饱和需缓慢进行。排尽管内空气，至管水膜为止。土样饱和需缓慢进行。排尽管内空气，至管B中流出中流出的水无气泡时，关闭的水无气泡时，关闭B管，试样上部出现水膜时关闭管，试样上部出现水膜时关闭A管。管。(3)慢慢松开慢慢松开C管夹，把水流控制在每秒管夹，把水流控制在每秒12滴。使右侧压管水滴。使右侧压管水面缓缓下降，记下管内水面停止下降接着突然上升时刻的测压面缓缓下降，记下管内水面停止下降接着突然上升时刻的测压管中水面对应标尺的读数。即为毛细水上升高度管中水面对应标尺的读数。即为毛细水上升高度HK

39、。(4)重复上述步骤，测定重复上述步骤，测定HK值，取其算术平均值。若两次试验值，取其算术平均值。若两次试验结果相差太大，应重复实验。结果相差太大，应重复实验。实验六实验六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定4.4.实验步骤实验步骤 卡明斯基管的实验步骤卡明斯基管的实验步骤 (1)将欲测粗、中、细砂样分别装入三个玻璃管中，每装入将欲测粗、中、细砂样分别装入三个玻璃管中，每装入23cm高度的砂时，用棒轻轻捣实之。高度的砂时，用棒轻轻捣实之。(2)将装满砂样的玻璃管用万能表夹夹上后固定在支架上，其将装满砂样的玻璃管用万能表夹夹上后固定在支架上，其下端插入水槽内中部。下端插入水槽内中部。(3)

40、注水入槽时，使水面高出管下端注水入槽时，使水面高出管下端0.51cm。试验过程中用马。试验过程中用马氏瓶供水，保持水槽中水面不变。氏瓶供水，保持水槽中水面不变。(4)注水入槽后，间隔注水入槽后，间隔2、3、4、5、10、20、30、60分钟观察分钟观察玻璃管中土样颜色的深浅，记录各时刻毛管水上升高度值玻璃管中土样颜色的深浅，记录各时刻毛管水上升高度值(高度高度从槽中水面算起从槽中水面算起)直至上升稳定为止。将所测时间及毛管水上升直至上升稳定为止。将所测时间及毛管水上升值记录在表值记录在表4-1中。中。实验六实验六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定4.4.实验步骤实验步骤表 4-1 毛细

41、上升高度 时间 岩性 粗砂 中砂 细砂 实验六实验六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定4.4.实验步骤实验步骤长短管实验步骤长短管实验步骤:(1)取一支取一支10cm短管，均匀密实装填欲测试样至短管，均匀密实装填欲测试样至8cm。该试样。该试样最大毛管上升高度应小于长管长度，而大于短管长度。放入盛最大毛管上升高度应小于长管长度，而大于短管长度。放入盛有颜色水的量杯中。使之被毛管水所饱和，之后取出擦净管外有颜色水的量杯中。使之被毛管水所饱和，之后取出擦净管外壁的水，放到支架上，下端放壁的水，放到支架上，下端放空量筒。然后在试样面上加水空量筒。然后在试样面上加水10ml，记录管下流出水量，

42、颜色以及管上端白山水面消失与管，记录管下流出水量，颜色以及管上端白山水面消失与管下端无水流出的时间关系。下端无水流出的时间关系。(2)取长，短管各一支，均匀密实装填同样试样与管口齐平。取长，短管各一支，均匀密实装填同样试样与管口齐平。短管放入内盛颜色水的量杯，使之饱和。长管放入盛无色水的短管放入内盛颜色水的量杯，使之饱和。长管放入盛无色水的水槽。使之毛管水上升至稳定为止。水槽。使之毛管水上升至稳定为止。(3)取出长、短管、擦净外壁，然后，将长管下端紧压在短管取出长、短管、擦净外壁，然后，将长管下端紧压在短管上端，使其密接，下端用量筒接滴水。滴水停止后，记下流出上端，使其密接，下端用量筒接滴水。

43、滴水停止后，记下流出水量及颜色。水量及颜色。实验六实验六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定5.5.作业要求作业要求 (1)用卡明斯基毛管仪测定毛管上升高度时，为什么取当测压用卡明斯基毛管仪测定毛管上升高度时，为什么取当测压管水面下降停止，然后突然回弹上升时刻的高度为最大毛管上管水面下降停止，然后突然回弹上升时刻的高度为最大毛管上升高度升高度Hk?(2)利用粗、中、细砂最大毛管上升高度的实验结果，简述影利用粗、中、细砂最大毛管上升高度的实验结果，简述影响毛管水上升高度的因素。试样瓶及侧压管的直径大小响毛管水上升高度的因素。试样瓶及侧压管的直径大小,对测定对测定结果有否影响结果有否影响?(

44、3)根据表根据表41资料，绘制毛管水上升高度与时间的关系曲线资料，绘制毛管水上升高度与时间的关系曲线(用用h作纵坐标作纵坐标)。近于抛物线，。近于抛物线，(常值常值)，m值通常大于值通常大于2，且，且常值常值m随试样而异。根据随试样而异。根据 式，说明毛管水运动的特征。式，说明毛管水运动的特征。(4)用现象来说明毛管水是怎样传递静水压力的。用现象来说明毛管水是怎样传递静水压力的。(5)长、短管未相接前，为什么不滴水长、短管未相接前，为什么不滴水?相接后为什么又滴水？相接后为什么又滴水？滴出的水量相当于原先那一个管里的水滴出的水量相当于原先那一个管里的水?mthLLPKVc实验七实验七 渗压实验

45、渗压实验-1.-1.目的意义目的意义 (1)掌握实验室方法开采条件下的渗透系数的方法；掌握实验室方法开采条件下的渗透系数的方法；(2)了解渗透系数的影响因素及变化特征。了解渗透系数的影响因素及变化特征。由于土体在地下不同深度处，其压密程度是不同的，当试样由于土体在地下不同深度处，其压密程度是不同的，当试样从地下取至地面后，由于上覆土层自重压力的解除，试样体积从地下取至地面后，由于上覆土层自重压力的解除，试样体积将会发生膨胀，使土体孔隙加大，导致渗透系数将会发生膨胀，使土体孔隙加大，导致渗透系数K增大，为了恢增大，为了恢复土样的天然状态，可向试样施加一与自重压力相当的固结压复土样的天然状态，可向

46、试样施加一与自重压力相当的固结压力，待固结稳定后，即认为土样恢复了天然状态，再进行渗透力，待固结稳定后，即认为土样恢复了天然状态，再进行渗透试验，即得到天然状态下的渗透系数试验，即得到天然状态下的渗透系数K。如果按不同深度上的自。如果按不同深度上的自重压力，逐级加荷、固结稳定，进行渗透实验，则可得到天然重压力，逐级加荷、固结稳定，进行渗透实验，则可得到天然状态下的含水层渗透系数剖面。对取得开采条件下的渗透系数状态下的含水层渗透系数剖面。对取得开采条件下的渗透系数有实际意义。有实际意义。实验七实验七 渗压实验渗压实验-2.-2.实验原理实验原理 渗压仪即可模拟试样的天然状态，它采用纯气压加荷稳压

47、系渗压仪即可模拟试样的天然状态，它采用纯气压加荷稳压系统，由空压机通过压力控制器向试样施加固结压力，固结压力统，由空压机通过压力控制器向试样施加固结压力，固结压力的大小，通过调压阀调节，精密压力表监控，固结过程由百分的大小，通过调压阀调节，精密压力表监控，固结过程由百分表监测土样的变形量。表监测土样的变形量。渗压仪的渗压系统可造成一个水头差，使水在土样中呈层流渗压仪的渗压系统可造成一个水头差，使水在土样中呈层流运动，同时可以通过施加渗透压力、加快渗透速度，实验时的运动，同时可以通过施加渗透压力、加快渗透速度，实验时的渗透流量，、过水断面以及渗透路径均可直接测得，渗压实验渗透流量，、过水断面以及

48、渗透路径均可直接测得，渗压实验在渗透过程中水头是随时间变化的变永头。在渗透过程中水头是随时间变化的变永头。实验七实验七 渗压实验渗压实验-2.-2.实验原理实验原理流量方程的微分形式流量方程的微分形式：变换后得：变换后得：式中：式中：K 渗透系数渗透系数(cms)；f 计量管面积计量管面积(cm2)；L 试样高度，即渗透路径试样高度，即渗透路径(一般为一般为2cm)；F 试样面积，即过水断面面积试样面积，即过水断面面积(一般为一般为30cm2)；T 渗透时间（渗透时间（s）；）；H1 初始水头初始水头(cm)；H2 末刻水头末刻水头(cm)；h 任意时刻任意时刻t的水头的水头(cm)。LhKF

49、dtdhf21lg3.2HHFTfLK 实验七实验七 渗压实验渗压实验-3.-3.实验仪器与工作原理实验仪器与工作原理渗压仪工作原理渗压仪工作原理 (1)动力系统：仪器的动力系统是空压机，空压机由压力控制动力系统：仪器的动力系统是空压机，空压机由压力控制器控制，将空气压缩到储气筒，由压力表监测其压力的大小。器控制，将空气压缩到储气筒，由压力表监测其压力的大小。(2)加荷系统加荷系统(固结试验部分固结试验部分)：调节调压阀，使储气简中的气：调节调压阀，使储气简中的气通过管道，输出装有滚动隔膜的气缸，推动加压活塞向试样施通过管道，输出装有滚动隔膜的气缸，推动加压活塞向试样施加固结压力，其压力大小由

50、精密压力表监控。加固结压力，其压力大小由精密压力表监控。(3)渗压系统渗压系统(渗透试验部分渗透试验部分)：计量管中的水通过渗压容滞的：计量管中的水通过渗压容滞的底部进入试样，对试样进行渗透，同时可以采用施加气压方法，底部进入试样，对试样进行渗透，同时可以采用施加气压方法，来调节定值器，给计量管水面施加不同的稳定渗透压力，加快来调节定值器，给计量管水面施加不同的稳定渗透压力，加快渗透速度，渗透压力的大小由精密压力表监控。渗透速度，渗透压力的大小由精密压力表监控。(4)供水箱与集水箱：供水箱向计量管中供水，渗透排出的水供水箱与集水箱：供水箱向计量管中供水，渗透排出的水通过溢水孔排到集水箱中。通过

51、溢水孔排到集水箱中。实验七实验七 渗压实验渗压实验-4.-4.实验步骤实验步骤 (1)取样：用环刀削取原状土样取样：用环刀削取原状土样(粗砂除外粗砂除外)，顶，底面贴上滤，顶，底面贴上滤纸，放在透水石中间，用饱和架夹紧，放到饱和器中进行真空纸，放在透水石中间，用饱和架夹紧，放到饱和器中进行真空饱和饱和(抽真空抽真空12小时，饱水小时，饱水12小时小时)，砂土可直接放到渗压容器，砂土可直接放到渗压容器中渗透饱和。中渗透饱和。(2)放松调压阀和定值器，防止打开空压机时，较大的压力突放松调压阀和定值器，防止打开空压机时，较大的压力突然加于试样上，然后打开空压机。然加于试样上，然后打开空压机。(3)装

52、样：将饱和好的试样，刀口向上，放在渗压容器底座上，装样：将饱和好的试样，刀口向上，放在渗压容器底座上，套上橡胶止水圈和定向片，压紧圈按顺时针方向旋紧，然后套套上橡胶止水圈和定向片，压紧圈按顺时针方向旋紧，然后套上导向环，放上透明水石，传压帽和钢球以及套环，打开三通上导向环，放上透明水石，传压帽和钢球以及套环，打开三通开关，使供水筘与试样底座相通，再打开计量开关，使供水筘与试样底座相通，再打开计量A(或或B)的两通开的两通开关，待水达到溢水孔后，关闭两通开关。关，待水达到溢水孔后，关闭两通开关。实验七实验七 渗压实验渗压实验-4.-4.实验步骤实验步骤 (4)调零：缓缓地旋转调压阀，当气压表读数

53、为调零：缓缓地旋转调压阀，当气压表读数为0.14时，土样时，土样上部的钢球与横梁刚好接触，装上百分表，旋转调节环，使百上部的钢球与横梁刚好接触，装上百分表，旋转调节环，使百分表的指针对准零位。分表的指针对准零位。(5)施加固结压力：根据固结压力与气压表读数之间的关系施加固结压力：根据固结压力与气压表读数之间的关系q=0.14+0.6p(q为气压表读数，为气压表读数，p为固结压力为固结压力)，对土样施加固结，对土样施加固结压力，使气压表读数达到土体自重压力。压力，使气压表读数达到土体自重压力。(6)渗透：固结稳定后渗透：固结稳定后(一小时内、百分表读数变化小于一小时内、百分表读数变化小于0.5)

54、，首先向计量管中洪水，即打开计量管首先向计量管中洪水，即打开计量管A(或或B两通开关，再打开三两通开关，再打开三通开关，使供水箱与计量管相通，待计量管水位上升稳定后，通开关，使供水箱与计量管相通，待计量管水位上升稳定后，关闭计量管开关，然后再打开三通开关，使计量管与试样通，关闭计量管开关，然后再打开三通开关，使计量管与试样通，记录计量管中水面标高及毫升数，打开计量管开关，同时用秒记录计量管中水面标高及毫升数，打开计量管开关，同时用秒表计时，经过某一时段后，关闭计量管开关，记录表计时，经过某一时段后，关闭计量管开关，记录A(或或B)计量计量管中水位下降后的标高及毫升数管中水位下降后的标高及毫升数

55、(或施加某一渗透压进行渗透或施加某一渗透压进行渗透).实验七实验七 渗压实验渗压实验-5.-5.资料整理资料整理（1）公式：渗透系数；wwPHPHFTfLKgg/lg3.221 式中：P一定值器控制的渗透压力(kg/cm3)wg一水的容重;其它符号同前。渗透速度：FQV 水力坡度：LPHHIw2/221g (2)按表要求整理数据求参 (3)绘制不同压力的 VI 曲线 (4)为什么粘性土的 VI 曲线不是直线，而粗砂的 VI 曲线为一直线。实验七实验七 渗压实验渗压实验-5.-5.资料整理资料整理渗压实验记录表 试样高度_L_ 仪器编号_ 试样面积_F_ 计量筒面积 f_ 试样类型_ 试验者_ 试样固结_压力_ 试验日期_ 初始 水头 H1(cm)初始计量管毫升数(ml)渗透时间 T(s)末时水头 H2(cm)末时 毫计 量 数 渗透流量 Q(cm/s)平均渗透速度V(cm3/s)末时水力坡度 LHHI12 渗透系数 21log3.2HHFTfLK 越流系数