双环渗水试验

双环渗水试验作业指导地下水勘查项目部
二〇一四年九月
目录
一、实验目的和意义
双环法试验是野外测定包气带非饱和松散岩层的渗透系数的常用的简易方法，试验的结果更接近实际情况。

利用这个试验，主要为研究区域性水均衡、水库、灌区、渠道渗漏量、山前地区地表水渗入量等进行的。

二、实验原理
在一定的水文地质边界以内，向地表松散岩层进行注水，使渗入的水量达到稳定，即单位时间的渗入水量近似相等时，再利用达西定律的原理求出渗透系数（K）值。

三、实验仪器
渗水双环（两个高约50cm，直径分别为和的铁环）、两套带有刻度的供水桶、胶带、橡皮管,止水夹、铁锹、尺子、及若干要填在试环底部的小砾石。

图3-1 双环试验剖面示意图照片3-1 双环试验野外示意图
四、实验步骤
1、确定试点,开挖试坑。

确定试点有三个原则：
○1是代表性。

试点处的包气带岩层要能代表试区相当大范围内包气带岩层的情况；○2是一致性，试点处包气带岩层的选择应与大目标一致，如本次实例是为了选择人工回灌点，所以选择包气带岩层渗透性能较好的部位进行试验。

○3选择试验场地，最好在潜水埋藏深度大于5m的地方为好。

如果潜水埋深小于2m
时，因渗透路径太短，测得的渗透系数不真实，就不要使用渗水试验。

试坑开挖：
铲去表土，露出目标层，试坑深度应大于，试坑面积×左右，以消除包气带表层植被根系对试验的影响
2、压入双环、铺砾、立标
将双环同心压入试坑底部中央，原则上压入即可，实际中，将双环压入试层3-8cm。

铺砾的目的是防止注水时将环底的沙层冲起，试验中实际铺砾3-4cm。

立标的目的在于，定水头注水时，控制环底水层厚度，一般控制在10cm，需要说明的一点是，此处所言的“水层厚度”是包括环底铺砾厚度在内的。

3、定水头注水、观测记录
以环底水标为准，保持标头刚好淹在水中，内外环同时定水头注水（随时保持内外环的水柱都保持在10cm的同一高度。

这样即可认为，内外环之间渗入的水主要消耗在侧向扩散上，内环渗入的水主要消耗在垂向渗透上，为准垂向一维渗流）。

同时从供水桶观测注入水量。

记录的时间，开始时因渗入量大，观测间隔时间要短，稍后可按一定时间间隔比如每10分钟观测一次。

4、渗入速度稳定，完成试验
试验记录的过程中，绘制出渗速时间v-t曲线，当试验时间（一般为30分钟）曲线保持在一个不大的区间，再延续一段时间，如2-3h，即可结束试验。

图4-1 渗流速度随时间变化曲线图
5、精度要求
○1流量观测精度应达到
○2开始的5次流量观测间隔5min，以后每隔20min观测一次。

○3连续两次观测流量之差不大于5%，即可结束试验，取最后一次注入流量作为计算值
五、试验数据处理的方法
图5-1 垂向一维渗流剖面示意图
1、垂向一维渗流原理
双环渗水试验主要是利用内环渗水模拟垂向一维渗流来求取试层垂向渗透系数的。

垂向一维渗流的简单模式如图5所示。

渗水下限称为湿润锋面，对于2—a，湿润锋面未达到地下水面，其以下的岩层仍是非饱和的，湿润锋面以上的压力水头近似等于毛细上升高度Hc的二分之一；对于图2—b，由于湿润锋面已与地下水面交在一起，故其上不存在压力水头。

如果保持环内的水层厚度Hs为常数，根据达西定律，对应于图2—a和图2—b的渗水内环底部的垂向入渗速度(v)可分别用式[5-1]、[5-2]表示：
[5-1]
v=k(H S+0.5H C+L w)
L w
v=k(H S+L w)
[5-2]
L w
式中：
V—内环底部的入渗速度。

K—渗透系数。

H
s
—渗水环中的水层厚度。

Hc—毛细上升高度，水向干土中渗透时，所产生的毛细压力，以水柱高度表示。

L
w
—湿润带深度，在试验时间段内，水由试坑底向土层中渗透的深度。

L
w
值可在试验后用手摇钻、洛阳铲、铁锹获取，测定其含水量变化得知。

Hc 按表5-1确定。

如果当试验层为粗砂或粗砂卵石层，而试坑中水层厚度为10cm
时，Hc与H
s 及L
w
相比则很小，水力梯度近似等于1，则K=Q/A=V。

若试验层是粘性土类，可按H
C
的实际数值代入公式计算得出水力梯度I值，再利用V=KI求得渗透系数（K）。

表5-1 不同岩性毛细压力H
c
表
2、包气带垂向渗透系数k的求法
通常采用两种方法，渗透速度近似法和公式法。

○1入渗速度近似法
当渗水试验延续时间较长，v值趋于稳定，则由[5-1]式可得：K≈V [5-3]
v=V
At
[5-4]式中：
V—为渗水体积，
A—为渗环横截面积，
t—为入渗时间
○2公式法
对图5-1所示的垂向一维渗流，有下述微分方程：
μdL
dt =k C+L w
L w
[5-5]
C={H S+0.5H C
H S
[5-6]
式中：μ—给水度。

L
w
—t时(从注水开始算起)湿锋面的深度(从渗水环底面算起)。

在渗水试验过程中，由于用调节注水量的办法来保持试坑内水层厚度H
S
为定值，即C为定值。

积分[5-5]式，结果得：
Kt μ=C[L w
C
−ln(1+L w
C
)] [5-7]
取两次观测时间t
i 和t
j
，相应有t
i
、tj时刻湿润锋面到达的深度、和t
i
、
t j 时刻注水体积V
i
、V
j。

如果令
b i=L wi
C
[5-8]结果有
b i−ln(1+b i)=t i
t j
(b j−ln(1+b j)) [5-9]
又因为
ν=μAL w，μ=V i
AL wi
=V j
AL wj
[5-10]
令a ij=v i
v j
，则由(8)式可得：
L wi=v i
v j
L wj=a ij L wj [5-11]联立[5-8]式、[5-11]式可得：
b j=L wj
C
=L wi
Ca ij
=b i
a ij
[5-12]将[5-12]式带人[5-9]式，消去bj，最后得：
(1−t i
t j a ij )b
i
=ln(1+b i)−t i
t j
ln(1+b i
a ij
) [5-13]
最后得渗透系数k的求解公式：
k=μC
t i [b i−ln(1+b i)]=v i
At i b i
[b i−ln(1+b i)] [5-14]
由此看出，借助[5-14]式，只需确定渗水内环的横截面积A，时间t
i
及相应
的渗水体积V
i 系数b
i
的值，即可求得渗透系数k值。

六、数据处理分析
双环渗水试验简便易行，但无论借助公式法还是入渗速度近似法，所求得的渗透系数k均为一近似值，有时偏差还很大。

近似法所求数值较公式法偏大的直
接原因在于概化为1的系数H
S ++Lw/L
w
实际上是大于1的。

对数据处理结果偏差的原因探讨可得。

除了人为的随机性因素以外，主要有以下三个。

①包气带岩层实际渗透系数是非均质的，例如，在剖面中存在一层很薄弱的透水或不透水岩层，就可能会使渗入的水流产生比较大的横向扩散。

从而影响所获得的渗透系数的精确度。

②由于双环试验所用的渗水环横截面积很小，侧向渗透不能完全消除，而求解原理是建立在无侧渗垂向一维渗流的基础上的，由此产生计算偏差是显而易见的。

③在非饱和岩层渗入的水中包裹空气。

渗透系数比完全饱和时要小。

七、试坑渗水试验的成果资料包括以下内容
1）试坑平面位置图
2）水文地质剖面图与试验安装示意图
3）渗透速度历时曲线图
4）渗透系数的计算
5）原始记录表格等
八、总结
由于经济成本低且简便易行，在包气带岩层参数的求取中，双环渗水试验具有重要的实用价值，但要慎重对待试验数据采集和处理，在采集中尽量避免人为误差，在处理中力求减小概化误差。

由于基于垂向一维渗流，在公式法求渗透系数的过程中，侧向渗透对求解结果的影响颇大。

因此，在双环试验中保持内、外
环水层高度一致很重要。

在入渗速度近似法求k中，约束条件为H
S +L
w
很小，要
使此条件得到满足，控制上试环水层厚度在10cm以下是必要的。

双环渗水试验对渗透系数较大的松散岩类孔隙岩层的适用性较好，而对渗透系数较小的粘土、亚粘土岩层的适用性较差。