水文地质学实验讲义-地质

'资环学院《水文地质学》实验讲义适用专业：地质工程河南理工大学二〇一一年三月10 实验一达西渗流实验实验类型：综合实验学时：2实验要求：必修一、实验目的1、测量样砂的渗透系数k值，掌握特定介质渗透系数的测量技术。2、通过测量透过砂土的渗流流量和水头损失的关系，来验证达西定律。二、实验内容通过测渗流筒两测点间的压差，求出流量、流速和渗透系数。三、仪器设备本实验装置图如图所示。达西渗流定律实验仪装置示意图1、恒压水箱2、进水阀3、输水管4、进水管5、试验筒6、试验砂7、下过滤网8、下稳水室9、放空阀10、水质过滤器11、蓄水箱12、水泵13、排气嘴14、上稳水室15、上过滤网16、溢流管17、出水阀18、排气嘴19、U型差压计四、所需耗材样砂、自来水五、实验原理、方法和手段液体在孔隙介质中流动时，由于粘滞性作用将产生能量损失。达西（HenriDarcy）在1852—1855年间通过实验，总结出渗流能量损失与渗流速度成一次方的线性规律，后人称为达西定律。由于渗流流速很小，故流速水头可以忽略不计。因此总水头H可用测管水头h来表示，水头损失hw10 可用测管水头差来表示，则水力坡度J可用测管水头坡度来表示：式中：l为两个测量管孔之间距离；h1与h2为两个侧压孔的测管水头。达西通过大量实验，得到圆筒断面积A和水力坡度J成正比，并和土壤的透水性能有关，所建立基本关系式如下：式中v——渗流断面平均流速；k——土质透水性能的综合系数，称为渗透系数；——渗流量；A——圆桶断面面积；hw——水头损失；l——测孔间距。当实验中的渗流区为一圆柱形的均质砂体时，属于均匀渗流，可以认为各点的流动状态是相同的，任一点的渗流流速u等于断面平均渗流流速，因此达西定律也可以表示为：上式表明，渗流的水力坡度，即单位距离上的水头损失与渗流流速的一次方成正比，因此称为渗流线性定律。六、实验步骤1、准备熟悉实验装置各部分结构特征、作用性能，认识装砂圆筒内砂的种类，记录圆桶直径D、测压孔间距l等常数。下一步，若实验从新装干砂开始则转入步骤2，若仪器已装砂充水则转入步骤4。2、安装试验砂将干燥的试验砂分层装入筒内，每层2~3cm，每加一层，用压砂杆适当压实，装砂量以高出上测压点6~7cm为宜。装砂完毕，在实验砂上部加装过滤网15及玻璃球。最后在试验筒上部装接恒压水箱1，并在两法兰盘之间衬垫两面涂抹凡士林的橡皮垫，注意拧紧螺丝以防漏气漏水。3、新装干砂加水旋开试验桶顶部排气嘴13及进水阀2，关闭出水阀17、放空阀9，开启水泵对恒压水箱1供水，恒压水箱1中的水通过进水管4进入下稳水室8，如若进水管4中存在气柱，可挤压其软管予以排除。继续进水，待水慢慢浸透装砂圆筒内全部砂体，并且使上稳水室完全充水之后，旋紧排气嘴13及进水阀2，待接上测压计，并排气后即可试验。4、测压架排气待试验筒内加水完成之后，把测压架顶部排气嘴旋开，用吸气球放在排气嘴抽吸气体排除连通管与测压管内气体，使测压管保持一半空气段，并及时旋紧气嘴。关闭出水阀1710 ，静置数分钟，检查两测压管水位是否与装砂圆筒内的水面齐平，如不齐平，说明仪器有集气或漏气。需检查原因或重新排气。5、开启进水阀2、出水阀17，待出水流量恒定后，用重量法或体积法测量流量；测读U型差压计水位差。6、调节出水阀17，改变流量，重复实验过程5，再次测量。7、试验结束，关闭进水阀门2、出水阀17，如果短期内做该实验，为便于下次试验开启，关闭进水阀2、出水阀17、排气嘴13、放空阀9，（防止试验筒内进气）再关闭水泵。如果长期不做该实验，可将出水阀17、放空阀9（在水箱内）开启，关闭水泵，水体由放空阀9流回蓄水箱。七、实验结果处理1．记录有关常数。实验台号：砂土名称：测点间距l=cm砂筒直径d=cm2．记录及计算（见表2-1）表2-1渗流实验测记表序次1234测点间距(cm)测点压差(cm)h1h2Dh水力坡度J流量qV体积(cm3)时间(s)流量(cm3/s)砂筒直径d(cm)面积Acm2流速v(cm/s)渗透系数k(cm/s)备注10 八、实验注意事项1、实验中不允许气体渗入砂土中。若在实验中，下稳水室8中有气体滞留，应关闭出水阀17，打开排气嘴18，排除气体。2、实验停泵后，再次启动时，应使上水箱水位淹没进水口后，方可打开进水阀2。否则，气体将进入进水管。若进水管4进气，应予排除，方法是：在上水箱正常溢流情况下，关阀9、17，开启阀13、2，将洗耳球充满水后，通过阀13口向上压力水箱加压注水，则可使进水管倒流排气。九、预习与思考题1装砂圆筒垂直放置、倾斜放置时，对实验测得的、v、J与渗透系数k值有何影响？2砂桶的试验段滞留大量气泡后，对实验结果的渗流系数k有何影响？3若要确定达西定律的适用范围，如何验证本实验装置的最大流量下是否在适用范围？绘制V-J曲线图，并对本系统进行评定!10 实验二岩石渗透系数的测定实验类型：验证实验学时：2实验要求：选修一、实验目的1、进一步验证达西定律，加深理解关于渗流的基本定律。2、熟悉仪器（戚姆仪）原理，掌握测定方法。二、实验内容三、仪器设备本实验装置图如图所示。图4-1戚姆仪装置示意图1、支架2、泄水管3、量筒4、溢水管5、试样6、测压孔7、金属网8、测压管9、测压板10、自来水管四、所需耗材样砂、自来水五、实验原理、方法和手段地下水在孔隙含水层中运动时，单位时间内通过某过水断面面积（A）的流量（Q），不仅与水力坡度（J）、过水断面面积（A）有关，还与岩石渗透性能有关，应满足下面的等式。Q=KIF式中K为渗透系数。在定水头实验过程中，可测量和求得Q、J、A值，从而可以求得K=Q/JA，量纲为[LT-1]。单位时间内渗流时Q=W/t渗流速度V=Q/A10 水力坡度J=[(h1-h2)+(h2-h3)]/2L(平均值)渗透系数K=Q/JA以上各式中：h-测压管水位（厘米）W-时间t秒内的渗透量（厘米3）Q-单位时间内的渗流量（厘米3/秒）L-两测压孔间试样长度（厘米）J-水力坡度t-时间(秒)K-岩石的渗透系数（厘米/秒）六、实验步骤1、检查仪器设备是否完好，齐全。胶皮管与仪器、测压管连接处是否漏气等。2、测量金属圆筒的内径（d）、各测压管之间的间距（L）计算出金属圆筒的断面积（A），（亦即砂样的横断面积）（若仪器箱中已标明这些常数，不必再测，记下即可。）3、装填土样（1）用胶皮管将泄水孔与自来水管接通，使水流入金属圆筒底部，直至与金属网顶面平齐。（2）将试样装入金属圆筒内，每装2~3厘米厚时，均用捣棒轻轻捣实，使其尽量接近天然状态下的结构。如果试样较细，则应在金属网上铺上一层粗砂（厚约3厘米）作为缓冲层，以防试样松动及防止细颗粒被水带走。（3）每层试样装好捣实以后，都要缓慢地打开管夹，使水缓缓由泄水管向上渗入，试样逐渐饱和。注意水面不要高出试样顶面。待试样饱和关闭管夹再装上层。（4）重复上述步骤，直至试样超过上部测压孔3厘米为止。在试样的最顶部再放一层厚约2厘米的砾石层，作为缓冲层，以防供水时冲刷土样。关水阀，用管夹夹紧泄水管，并将泄水管从自来水管上拔掉。4、饱和土样把胶皮管接在自来水管上，从金属圆筒顶部给试样供水。当水面与溢水孔平齐时，关水阀，用管夹夹紧泄水管，检查三个测压管水位是否平齐，如平齐，说明试样及测压管内无气体影响，可以测试。如不平齐，说明有气泡存在，需排出。排气的方法是将测压板倾斜，使管内水位低于金属筒上端水位，以重力水将气泡排出。当气泡停在管的弯曲部位时，将测压管上部抬起，用水对气的自然浮力将气泡排出，，以各测压管内水位差小于0.5毫米为准。5、水流渗透把泄水管口固定在低于溢水孔的某一高度上，在水从试样顶部供水、渗透试样、从泄水管口流出的情况下，三个测压管中出现了水头差。此时应注意控制供水量，以保持金属圆筒内水位不变。如果供水量过大，溢水管不能满足需要，则会出现上溢现象，给测量带来麻烦。10 6、观测当测压管水位稳定后（在5秒钟内测压管水位变动不超过0.5毫米）；记录各测压管水位值。在各测压管之间，由于具有一定的渗透路径，存在一定的水头损失，但由于渗透路径间距相同，物质均一，故水头差应该相同。在记录水位的同时测量和记录流量（采用固定时间测流量的方法）。测水温。7、再次渗透将泄水管口的高度改变两次，重复以上观测。七、实验结果处理1、将调节三次水头所得数据按要求填入表4-12、根据测量数据按表格要求进行计算，结果填入表4-1说明：地下水的渗透速度不仅与岩石本身的性质有关，而且还与水的温度和动力粘滞性有关。往往在测量渗透系数时要考虑上述影响，在计算和预测不同温度的渗透系数时可由下面的公式求得，下面以水温为100C时为例计算渗透系数：K10=KT10/T式中：K10-水温在100C时砂土的渗透系数；KT-水温在T0C时砂土的渗透系数；10-水温在100C时水的温度校正系数；T-水温在T0C时水的温度校正系数；10和T通过查表求得，或通过公式计算。（1）查表方法T=0/T10=0/10式中：0、T、10分别为00C、T0C、100C时水的动力粘滞系数。它们的数值可根据普阿杰里表（表4-2）查出：因而0/T=（0/10）/（0/T）=T/10从上式可以看出，温度校正系数与粘滞性校正系数互为反比关系。（2）公式法T=1+0.0377t+0.000221t2式中：t为温度。2、根据调节三次水头所得资料绘制V-J关系曲线。取纵坐标为V，横坐标为J。并根据曲线说明渗透速度V与水力坡度J的关系，从而验证达西定律。10 表4-1试验次数Ⅰ时间t秒Ⅱ测压管水位(cm)h1h2h3Ⅲ水位差(cm)h1-h2h2-h3平均水量w（cm3）12平均流量Q厘米3/秒渗透流速V厘米/秒水力坡度J渗透系数K厘米/秒水温T0C平均渗透系数K九、预习与思考题1、结合本人实验结果，分析调节三次水头所求的三个K值不同的原因。1、渗透系数在水文地质计算中有何重要意义。表4-2T0CT0CT0CT0C00.017880.0139160.0111240.009310.017290.0135170.0108250.009120.0167100.0131180.0105260.008930.0162110.0127190.0103270.008740.0153120.0124200.0101280.008550.0152130.0120210.0099290.008360.0147140.0117220.0097300.008170.0143150.0114230.00953110 10'