松散岩石孔隙度、持水度和给水度的测定
岩土中的空隙和水讲义及思考题
岩土中的空隙和水3．1 岩土中的空隙空隙：void ，interspace ，space地壳岩石中的空隙为地下水的赋存提供了必要的空间条件。
按维尔纳茨基的形象说法“地壳表层就好象是饱含着水的海绵”。
岩石空隙是地下水存储空间和传输通道，空隙的特征(多少、大小、形状、方向性、连通程度及其空间变化等)决定着岩土储容、滞留、释出以及传输水的性能。
岩石空隙可分为三类：a. 未固结的松散岩石中的孔隙；b. 固结的坚硬岩石中的裂隙；c. 可溶岩石中的溶穴（隙）。
1．孔隙（pore ）松散岩石是由大小不等的颗粒组成的，颗粒及颗粒集合体之间的空隙––––孔隙。
孔隙的多少，决定岩土储容水的能力，在一定条件下，还控制岩土滞留、释出和传输水的能力。
孔隙体积的多少可用孔隙度表示：孔隙度（porosity ）（n ）––––指某一体积岩土（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。
即：VV n n = 式中：V n ––––岩石中孔隙的体积；V ––––包括孔隙在内的岩石体积；n ––––孔隙度，用小数或百分数表示。
另外一个概念：孔隙比（void ratio ）（ε）––––指某一体积岩土内孔隙的体积（V n ）与固体颗粒体积（V s ）之比。
即sn V V =ε 因为V=V n +V s ，所以n 与ε关系为：nn -=1ε。
应用时：a. 涉及变形时（工程地质）→ε（采用孔隙比较方便）；b. 涉及水的储容与运动时（水文地质）→n （采用孔隙度方便）。
影响因素：a. 分选程度：分选程度好，n 大；分选程度差，n 小；b. 颗粒的排列情况：立方体排列时n =47.64%，四面体n =25.95% ；c. 颗粒的形状：形状愈不规则，棱角愈明显，n 愈大；d. 胶结充填情况：充填程度高，n 小。
孔隙度的测定方法：a. 饱和含水率：n =θs （θs 饱和含水率）；b. 抽水试验；c. 形态学方法：成象、扫描→借助与计算机处理（研究领域的前沿课题）。
给水度持水度孔隙度三者之间的关系
给水度持水度孔隙度三者之间的关系
给水度、持水度和孔隙度三者之间的关系
一、定义：
1．给水度是指土壤由于吸水力的作用，能够吸收和持住的水分总量，即土壤中潜水的总量。
2．持水度是指土壤中可持水的量，它是给水度中结构水的量的表示。
3．孔隙度是指土壤中孔隙容积与土壤总容积比
二、三者之间的关系
1．给水度是由持水度与孔隙度共同决定的，即
给水度=持水度×孔隙度
2．孔隙度越大，可持水量越多，给水度就越大。
3．反之，孔隙度越小，可持水量越少，给水度就越小。
4．给水度的大小取决于土壤的结构状况，可持水量和孔隙度。
三、给水度、持水度和孔隙度的重要性
1．给水度对土壤的聚水性能和水质有重大影响，决定土壤对水分的吸收和释放。
2．持水度是土壤能持水量的一个表示，它决定了土壤的稳定供水量，可以反映土壤含水量稳定性、蓄积性和水文特征以及土壤的肥力水平。
3．孔隙度是表示土壤水分含量及相关聚水性能的重要指标。
土壤中孔隙度大，渗透率大，可吸收水分量多，因而有利于土壤的水肥
作用，有利于改善农田土壤健康状况和提高农作物产量。
实验一：孔隙度、给水度、持水度的测定
实验一：孔隙度、给水度、持水度的测定1、实验内容：（1）熟悉给水度仪并对仪器进行标定；（2）测定不同试验样品的孔隙度、给水度和持水度。
2、主要设备：给水度仪，如图1-1、图1-2。
图1-1 给水度仪装置图1—装样筛；2—筛板；3—试样筒；4—透水石；5—固定连接板；6—试样筒底部漏斗；7—弹簧夹；8—硬塑料管；9—滴管；10—三通管图1-2 退水时给水度仪安置示意图1—H为三通管液面到透水石第面的距离；2—三通管液面实验二：达西渗流实验1、实验内容：（1）了解达西渗流实验装置；（2）达西定律是揭示水在多孔介质中渗流规律的实验规律。
它表示水在单位时间内通过多孔介质的渗透流量Q 与介质渗流长度l 成反比，与渗流介质的过水断面A 及上、下两测压管的水头差Δh 成正比。
A l h K Q ∆=根据上式，测定不同试验样品的渗透系数K ；（3）测定稳定流条件、变过水断面下砂性土的渗透系数。
2、主要设备：达西渗流实验仪（图2-1）及变径达西渗透仪（图2-2）图2—1 达西渗流实验仪装置图1—试样；2—进水开关；3—出水管；4—测压管；5—仪器架6—排气口图2-2 变径达西渗透仪实验三：测定砂土的毛细上升高度1、实验内容：毛细水上升高度是水在疏松岩石孔隙中因毛管力的作用。
以一定的速度上升，直至达到毛管水上升最大高度。
（1）观测并比较不同粒径砂样毛细上升速度；（2）观测砂土毛细饱和带水分的运动。
2、主要设备：毛细上升速度装置，如图3-1、图3-2。
图3—1 观测砂土中水的毛细上升速度装置图1—钢丝网；2—透水石；3—玻璃管；4—砂样；5—水槽；6—进水管；7—溢水管；8—支架图3—2 观测砂土饱和毛细水运移的装置图1—砂样；2—长管；3—铜丝网；4—短管；5—量杯实验四：潜水模拟演示1、实验内容：潜水与大气水和地表水的联系密切，积极参与水循环。
（1）观察地表径流；（2）观察和确定潜水面的形状；（3）观察和分析地下水分水岭的运动；（4）演示不同条件下的潜水流网。
实验二 给水度、孔隙度、持水度测定实验
五、实验成果
完成实验成果（表 2-1） 表 2-1 给水度、孔隙度和持水度实验记录表 仪器编号： 试 样 名 称 试样体积： 累计饱 水时间 （min） cm
3
(体积法 1) cm
透水石选用负压值：
粒径 （mm）
进水量 3 （cm ）
退水量 3 （cm ）
累计退 水时间 （min）
孔隙度 （%）
给水度 （%）
持水度 （%）
备注
平 均 实验日期 同组成员 报告人 班号 组号
体积法（2）
一、仪器设备
1．玻璃管：直径 4cm，长 25cm。管底部放有筛网，底上有一个入水孔 2，击棒：一根 3．金属小土铲：一把 4．小漏斗：一个 5．量筒:（容量 500ml）一个 6．量杯： （容量 l00ml）一个 7．烧瓶架及烧瓶夹；二个
实验二
一、实验目的
给水度、孔隙度、持水度测定实验
1．加深理解松散岩石的孔隙度、给水度和持水度的概念。 2．熟练掌握实验室测定孔隙度、给水度和持水度的方法。 3．熟悉给水度仪并对仪器进行标定。 4．测定三种松散岩石试样的孔隙度、给水度和持水度。
二、实验原理
给水度就是饱水岩石在重力作用下， 能从岩石中自由流出来的水的体积与整个岩石体积 之比。在数值上相当于岩石饱和容水度（简称容水度）与最大分子水容度（持水度）之差。 其计算公式为 V2 V3 。 孔隙度是指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。其计算公式为
3．注水入滴定管至零刻度。然后徐徐打开管夹 b，使水由下而上饱和试样，直至试样 表面刚见自由水面为止，关管夹 b，测记注水量V 。
水文地质学实验报告-中国地质大学实验一 孔隙与水 操作原理说明+实验数据
实验一孔隙与水一、实验目的1．加深理解松散岩土的孔隙度、给水度和持水度的概念。
2．掌握实验室测定砂土样孔隙度、给水度和持水度的方法。
二、实验内容1．熟悉给水度仪的结构并了解仪器的工作原理。
2．测定三种松散岩土试样的孔隙度、给水度和持水度。
三、实验仪器和用品1．给水度仪（图1-1）。
2．水箱与大号吸耳球，用以抽吸给水度仪底部漏斗的气体。
3．水杯、量筒(100ml)和胶头滴管。
4．天然松散岩土试样：砾石（粒径为5~10mm，大小均匀，磨圆好）；砂（粒径为0.45mm~0.6mm）；砂砾混合样（把上述砂样完全充填于砾石样的孔隙中得到的一种新试样）。
四、实验原理与准备1．透水石与底部漏斗简介透水石是用一定直径的砂质颗粒均匀胶结成的多孔板。
透水石的负压值是指在实验过程中靠近试样的一侧，在气、液、固三相介质界面上，形成弯液面后产生的附加表面压强（-P）。
给水度仪的底部漏斗是连接供水装置与试样筒的中间部件，实验过程中要保持完全饱水状态，实验前需要事先排气充水。
2．标定透水石的负压值（-P）饱和透水石并使试样筒底部漏斗充满水（最好用去气水，即通过加热或蒸馏的方法去掉水中部分气体后的水）。
打开a、b开关，缓慢降低A滴定管（滴定管液面低于透水石底面），同时注意观测其液面的变化。
当A滴定管液面突然上升时，立刻关闭b开关。
此时滴定管液面到透水石底面的高度就是透水石的负压值。
反复测定几次，选其中最小数值(绝对值)作为实验仪器所采用的负压值。
3．标定试样筒的容积（V）将试样筒装满水，用量筒或滴定管测出所装水的体积即为试样筒的容积。
（以上准备由实验教师或同学在实验课前做好。
）图1-1 给水度仪装置图图1-2 退水时给水度仪安置/退水示意图五、实验步骤1．连接：将试样筒与滴定管装满水，同时打开a、b两开关，保持两管口朝上并在两管口同时流水的情况下连接塑料管。
关闭a、b开关，倒去试样筒中剩余的水。
2．检查：试样筒与滴定管连接之后，检查仪器底部漏斗是否有气泡，如有气泡，应参照实验室准备工作中第2点第一步进行排气，然后重复实验步骤第1步（连接）。
松散岩石容水度给水度和持水度的测定试验指导
《松散岩石容水度、给水度和持水度的测定》实验指导实验类型：综合实验学时：2实验要求：必修一、实验目的1、认识空隙中水的存在形式，加深理解松散岩石容水度、给水度、持水度、孔隙度的概念及其相互关系。
2、掌握给水度仪的使用方法。
二、实验内容实验测出样砂的容水度、给水度，通过计算得出持水度。
三、仪器设备给水度仪、试样筒、量筒、滴定管、水槽、管夹四、所需耗材沙子自来水擦水纸五、实验原理、方法和手段将试样装入给水度仪的试样筒中，自下而上充水，达到饱和后，在重力作用下，一部分水从孔隙中流出，另一部分保留在孔隙中，测得给进和退出的水量及试样的体积，以求出容水度、给水度、持水度。
先测出试样筒的容积即为装入试样筒中试样的体积(V 干试样)，再测出试样饱水时所用水的体积(从滴定管读数视差),称为进水量。
最后在重力的作用下测出给出水的体积(V 给水),则为给水量；则试样所保持的水体积(V 持水)为：V 持水=V 饱水―V 给水据此,就可求出相应的容水度、给水度、持水度。
容水度%=（进水量/试样体积）ⅹ100%给水度%=（给水量/试样体积）ⅹ100%持水度%=[（进水量―给水量）/试样体积]ⅹ100%六、实验步骤1、饱和透水石及底部漏斗充水将试样筒从开关C处卸下，以底部漏斗向上，倒置水槽中，并从底部管中吸气，使透水石完全饱和（不在冒气泡），并使底部漏斗完全充水，关闭b，在水中倒转试样筒，并保留半筒水放回支架上。
将滴定管充水，同时打开a、b，连接管子，关闭b，倒去试样筒中的水。
2、测定透水石的负压值打开a、b，缓慢降低滴定管，同时注意观察滴定管液面，当液面停止不同，接着突然上升时，液面到透水石底部的高差，即为该透水石的负压值。
3、测定试样筒容积重复步骤1，试样筒盛水与筒口平齐，然后将水倒入量筒，记下水的体积，重复测量三次，求其平均值。
4、装样用干布将试样筒内壁擦干（注意不要接触透水石），将试样分次少量倒入，同时拍打试样筒，以保证试样均匀密实，装样至与筒中平齐为止。
松散岩石孔隙度、持水度和给水度的测定
实验三松散岩石孔隙度、持水度和给水度的测定一实验目的及要求通过本次实验，使学生加深对孔隙度、给水度和持水度概念的理解，掌握室内测定基本方法;要求学生在实验过程中认真观察和记录，分析本次实验后面的相关问题。
二测定方法及原理松散岩石的孔隙度、持水度与给水度测定方法，通常有高柱仪法和加压法，前者适用于砂和亚砂;后者则用于粘土及亚粘土。
本实验为高柱仪法(图Ⅰ—1)，用以下两种方法均可求得其相应参数。
(一) 直接测定水量法根据定义，只要测出装入高柱筒中干试样的体积(V干试样)、试样饱水时所用水的体积(向供水瓶内加入的水和剩余水的体积之差)，即：V饱水=V加水―V剩水和在重力的作用下试样排出水的体积(V排水)，则试样所保持的水体积(V持水)为：V持水=V饱水―V排水据此，就可求出相应的孔隙度(n)、图Ⅰ—1高柱仪测定装置持水度(sr)和给水度(μ)。
1—高柱筒2—橡胶管3—橡皮塞4—金属网(二) 间接测定水量法5—调流量管夹6—接水桶7—供水瓶先将干试样装入高柱筒，并测出干试样体积(V干试样)，倒出干试样，并将干燥试样称量获得其总重量(W干试样)后，再装入高柱筒，并加水饱和，最后使其在重力的作用下自由流出，直至排尽。
根据试样所排出的水量(V排水)、试样饱水时的含水率和重力作用下仍能保持的含水率与试样总重量W干试样，就可求出砂土的V持水及V饱水。
然后再由后面式子求出相应的孔隙度(n)、持水度(sr)和给水度(μ)。
三测定装置(图Ⅰ—1)漏斗、塑料桶、供水瓶、支撑铁架、流量调节阀、高柱仪、接水桶、样品盒、托盘天平、橡胶塞、牛角勺、烘箱、电子天平。
四测定步骤1.用滤网垫住高柱筒底部排水孔，将橡胶塞斜面上抹少量凡士林，塞住高柱筒侧壁上各个取样孔。
2.用漏斗向高柱筒中分层加入干燥试样，一边装一边振动，使试样达到最大密实度。
装填试样至距离高枉筒顶部孔口约3―5cm为止。
3.测量高柱筒内径和试样柱高度，计算试样体积，并填写记录表在相应测定孔隙度和测定持水度实验数据表Ⅰ—2和Ⅰ—3。
实验部分
Ⅰ实验部分实验一 松散岩石孔隙度、持水度和给水度的测定岩石的空隙是地下水赋存的场所和运移的通道，作为含水介质，空隙的性状严格控制着地下水的分布、埋藏和运动特征。
在孔隙水研究中，首先要对岩石的孔隙度、持水度和给水度进行实际测定，以了解岩层容水、持水和给水能力等方面的水文地质特征。
岩石的孔隙度是用以表征岩石容水性能的重要指标;岩石的持水度是用来表征岩石在重力作用下仍能保持一定水量能力的指标；岩石的给水度是表征饱水岩石在重力作用下所释出或给出水量大小的指标。
岩石的给水度是评价地下水资源量的一个重要参数，也是矿坑排水或疏干、建筑工程地基设计和施工等工作必需的一个重要水文地质参数。
一 实验目的及要求通过本次实验，使学生加深对孔隙度、给水度和持水度概念的理解，掌握室内测定基本方法;要求学生在实验过程中认真观察和记录，分析本次实验后面的相关问题，写出实验报告书。
二 测定方法及原理松散岩石的孔隙度、持水度与给水度测定方法，通常有高柱仪法和加压法，前者适用于砂和亚砂;后者则用于粘土及亚粘土。
本实验为高柱仪法(图Ⅰ—1)，用以下两种方法均可求得其相应参数。
(一) 直接测定水量法根据定义，只要测出装入高柱筒中 干试样的体积(V 干试样)、试样饱水时所 用水的体积(向供水瓶内加入的水和剩 余水的体积之差)，即： V 饱水=V 加水―V 剩水和在重力的作用下试样排出水的体 积(V 排水)，则试样所保持的水体积(V 持水) 为：V 持水=V 饱水―V 排水据此，就可求出相应的孔隙度(n)、 图Ⅰ—1高柱仪测定装置持水度(s r )和给水度(μ)。
1—高柱筒2—橡胶管3—橡皮塞4—金属网 (二) 间接测定水量法 5—调流量管夹6—接水桶7—供水瓶 先将干试样装入高柱筒，并测出干试样体积(V 干试样)，倒出干试样，并将干燥试样称量获得其总重量(W 干试样)后，再装入高柱筒，并加水饱和，最后使其在重力的作用下自由流出，直至排尽。
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实验三松散岩石孔隙度、持水度和给水度的测定
一实验目的及要求
通过本次实验，使学生加深对孔隙度、给水度和持水度概念的理解，掌握室内测定基本方法;
要求学生在实验过程中认真观察和记录，分析本次实验后面的相关问题。
二测定方法及原理
松散岩石的孔隙度、持水度与给水度测定方法，通常有高柱仪法和加压法，前者适用于砂和
亚砂;后者则用于粘土及亚粘土。
本实验为高柱仪法(图Ⅰ—1)，用以下两种方法均可求得其相应参数。
(一) 直接测定水量法
根据定义，只要测出装入高柱筒中
干试样的体积(V干试样)、试样饱水时所
用水的体积(向供水瓶内加入的水和剩
余水的体积之差)，即：
V饱水=V加水―V剩水
和在重力的作用下试样排出水的体
积(V排水)，则试样所保持的水体积(V持水)
为：
V持水=V饱水―V排水
据此，就可求出相应的孔隙度(n)、图Ⅰ—1高柱仪测定装置
持水度(sr)和给水度(μ)。
1—高柱筒2—橡胶管3—橡皮塞4—金属网
(二) 间接测定水量法5—调流量管夹6—接水桶7—供水瓶
先将干试样装入高柱筒，并测出干试样体积(V干试样)，倒出干试样，并将干燥试样称量获得其总重量(W干试样)后，再装入高柱筒，并加水饱和，最后使其在重力的作用下自由流出，直至排尽。
根据试样所排出的水量(V排水)、试样饱水时的含水率和重力作用下仍能保持的含水率与试样总重量W干试样，就可求出砂土的V持水及V饱水。
然后再由后面式子求出相应的孔隙
度(n)、持水度(sr)和给水度(μ)。
三测定装置(图Ⅰ—1)
漏斗、塑料桶、供水瓶、支撑铁架、流量调节阀、高柱仪、接水桶、样品盒、托盘天平、橡胶塞、牛角勺、烘箱、电子天平。
四测定步骤
1.用滤网垫住高柱筒底部排水孔，将橡胶塞斜面上抹少量凡士林，塞住高柱筒侧壁上各个取样孔。
2.用漏斗向高柱筒中分层加入干燥试样，一边装一边振动，使试样达到最大密实度。
装填试样至距离高枉筒顶部孔口约3―5cm为止。
3.测量高柱筒内径和试样柱高度，计算试样体积，并填写记录表在相应测定孔隙度和测定持水度实验数据表Ⅰ—2和Ⅰ—3。
4.用电子天平称取试样总的净重量，并填入相应测定孔隙度和测定持水度实验数据记录表Ⅰ—2和Ⅰ—3。
之后将试样按步骤2方法重新分层装填到高柱筒内。
5.将供水瓶排水口用胶塞、玻璃管和胶管连接好，装上流量调节阀并关闭阀门，向瓶内加入2/3容积水，将所加水体积填写在直接测定水量法实验数据记录表Ⅰ—1，并将供水瓶放置在支撑铁架子上。
连接供水瓶胶管与高柱仪筒下面水嘴。
6.缓缓开启流量调节阀，使水自下而上流入高柱仪筒中，直至在高柱仪筒顶部孔口试样表面出现水膜为止，此时试样己全部饱和。
随即关闭流量调节阀停止供水。
7.从高柱仪筒顶部孔口中用牛角勺取30至50克饱水试样装入己称重并贴上标签的样品盒，放在托盘天平上称量，将称量结果和样品盒重填写在测定孔隙度实验数据记录表Ⅰ—2，之后放入瓷盘中待烘。
8.将接水塑料桶放在高柱仪筒下面，拔开高柱仪筒下面水嘴胶管，使水从高柱仪筒内试样中自由释出，直至排尽为止。
9.从上至下依次拔开高柱仪筒上各取样孔胶塞，用牛角勺在各取样孔掏取30至50克试样，分别装入已称重并贴好标签的样品盒，称取重量后依次放入瓷盘，并将称量结果填写在测定持水度实验数据记录表Ⅰ—3，最后连同饱水样一起放入烘箱。
10.将烘箱温度设定为105℃，烘6一7小时后，取出各个烘干样称量，并将称量结果填写在相应的测定孔隙度和测定持水度实验数据记录表Ⅰ—2和Ⅰ—3。
11.将接水塑料桶内从高柱仪流出的水倒入量筒，量取其重力释水体积，并填写在相应直接测定水量法实验数据记录表Ⅰ—1。
12.将供水瓶中剩余的水放入量筒，量取供水瓶中剩余的水量，并填写在直接测定水量法实验数据记录表Ⅰ—1。
五实验数据记录与整理
1..直接测定水量法
表Ⅰ—1直接测定水量法实验数据记录表
注：表中体积单位：cm3
2.间接测定水量法实验数据记录表
表Ⅰ—2测定孔隙度数据记录表
试样的总重量W干试样_________试样的体积V干试样__________
注：表中湿样为饱和样，干样为烘干后样，重量单位为克。
表Ⅰ—3测定持水度数据记录表
试样的总重量W干试样_________试样的体积V干试样__________
注：表中湿样为保持水样，干样为烘干后样，重量单位为克。
六计算
将以上实验数据记录表中各相应量代入下式即可求出其水文地质参数：
n=Sr+μ
其中：
n=(V饱水/V干试样)×100%
Sr=(V持水/V干试样)×100%
μ=(V排水/V干试样)×100%
V饱水=ω1×W干试样/ρ水
V持水=ω2×W干试样/ρ水
上式中：W干试样为高柱仪内干试样总重量；ρ水为水的比重常等于1。
V排水也可由下式求出：
V排水=V饱水 V持水
最后由实验数据记录表中各相关参数的平均值和以上n、Sr和μ各公式求得其结果。
思考题
1.高柱仪筒内试样重力释水后，为什么要在其上部、中部和下部分别取样？
2.高柱仪筒内试样重力释出的水为什么形式水？释尽后试样中还保留的水是什么形式水？。