《水文地质学基础》实验实习讲义

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。

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(s r )和给水度(μ)。

砂类土孔隙度等于其容水度; 而膨胀性粘性土的孔隙度往往小于其容水度。

三、测定装置(图Ⅰ—1)及所用器具漏斗、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。

当试样装填高度达到高柱筒2/3时，将高柱筒横过来取样孔向下反复摇晃几次，使试样充滿高柱筒内所有空间，再继续装填试样至距离高枉筒顶部孔口约3 ― 5cm为止。

3、用盒尺量取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、接通电子天平电源, 先称量盛试样的塑料桶重量, 按去皮键清零。

将高柱仪筒内试样倒入塑料桶内, 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。

13、将高柱仪筒内试样倒出, 并取出底部滤网, 清洗干净，将各种器具放回原处。

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：cm32、 间接测定水量法实验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。

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 = S r + μ 其中：n =(V 饱水/ V 干试样)×100% S r =(V 持水/ V 干试样)×100% μ=(V 排水/ V 干试样)×100% q 3 – q 4 ω1 = q 4 – q 0q 1― q 2ω2 = q 2― q 0V 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 、S r 和μ各公式求得其结果。

七、实验中注意事项1、 试样充水时, 水流量不宜调的过大, 以免破坏试样结构。

2、本实验应平行测定二次以上, 平均误差不得大于0.5%。

八、撰写实验报告主要包括对本次实验过程中所存在的问题和改进建议，及本次实验后面所提的问题的看法。

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？实验二、达西渗流实验(岩石渗透系数的实验室测定)地下水在岩石空隙中的运动称为渗流。

渗透系数是表征地下水在岩石空隙中渗透性能的指标, 具有速度的量纲(LT-1), 在数值上等于水力坡度为1时的渗透速度。

是进行地下水资源评价、地下水中污染物迁移等各种水文地质研究和计算的重要参数。

也是从事水文地质工作首先测定的最主要参数。

一、实验目的和要求通过稳定流条件下的渗流实验, 使学生加深理解达西定律的建立条件, 渗流速度、水力坡度和渗透系数之间的关系, 掌握测定渗透系数的方法。

实验中要求学生认真观察,分析本次实验后面的问题, 写出实验报告书。

二、测定原理由达西定律, 常水头条件下, 水流在单位时间内透过岩石空隙的流量(Q)与岩石的断面面积(ω)、水力坡度(I)成正比：Q = KωI 或 V = KI上式中Q、ω、I 均可在试验中测得, 则渗透系数K也就求出。

三、测定装置(图Ⅰ—2)及所用器具水平尺、量筒、秒表、盒尺、捣棒、图Ⅰ—2 达西仪装置图水位调节器、达西仪、测水头板。

1—试样 2—进水开关 3—出水管四、测定步骤4—测压管 5—仪器支架 6—排气口1、按达西仪筒体内径大小, 裁取适当大小的过滤网放置在达西仪筒内网筛上, 再取一长条形滤网垫在达西仪筒内侧的两个水位观测孔口上。

2、向达西仪筒内装入试样, 一般装5cm厚用捣棒捣实一遍, 直至超过达西仪筒内侧的上部水位观测孔5cm左右为止, 然后再在试样上铺一层2至3cm厚的卵石, 以防实验时试样颗粒浮起。

3、用水平尺校验使达西仪处于水平状态, 通过调节达西仪下方三角架上三个镙丝, 将达西仪调平。

4、将测水头板两胶管分别插上细玻璃管和胶塞与达西仪筒上的两个水位观测孔相连。

5、用盒尺量取达西仪筒内径(D)和壁上分别代表两个过水断面的两个水位观测孔间距(L), 分别将测量数据填入实验数据记录表Ⅰ—4。

6、将水位调节器下方排水管与达西仪筒底部供水嘴相连, 水位调节器侧面溢水管和达西仪上部排水管下面分別放上塑料接水桶。

再将连接自来水阀门的胶管口伸进水位调节器, 并将水位调节器调到合适高度。

通常高出达西仪20cm左右。

7、慢慢打开自来水阀门, 使自来水缓缓流入水位调节器, 保持水位调节器侧面溢水口始终有水稳定流出。

直到达西仪筒口有水出现并从达西仪上部排水管流出，且使达西仪筒口上保持稳定的水位。

8、观察测水头板上两玻璃管内水位。

若连接胶管内有气泡, 则水位会发生异常, 可用吸耳球从两玻璃管上方口中将气泡吸出。

最后将上、下两管水位高度(H2, H1)分别填入表Ⅰ—4。

9、用量筒和秒表观测从达西仪上部排水管流出的水量, 每隔10一15分钟观测一次, 连续观测三次, 每次误差均应小于5%, 最后将测得的结果填入表Ⅰ—4 。

10、将水位调节器向上分別抬高20cm两次, 重复上面操作过程, 分别再观测水位和测流量6次, 将测得的结果填入表Ⅰ—4。

11、拆除实验装置, 倒出达西仪筒内试样，将仪器各部分清洗干净, 放回原处。

五、实验数据记录表D ：___________ L;____________六、计算 由达西定律得：K = Q / ( I ω) I = (H 1― H 2) / Lω= ( πD 2) / 4式中：L 为达西仪侧面两水位观测孔中心距离, D 为达西仪园筒内径, 均可用盒尺量出。

将实验记录表Ⅰ—4中相应数据代入上式, 即可求出渗透系数K 。

最后取其平均值作为最终测得结果。

七、实验时注意事项1、 试验前一定要检查连接水头板的胶管和玻璃管中有无气泡, 需先排除空气后才能进行实验。

2、计算时单位换算要统一成厘米·克·秒-1制。

八、撰写实验报告主要包括分析本实验所得结果的正确性都受何条件影响和对本次实验后面思考题的解释。

思考题1、为什么要在测压管水位稳定后才能测流量？2、对于同一粒径砂样, 达西实验所做出的渗透系数与不同粒径的渗透系数是否一样？3、渗透圆筒垂直放置和倾斜放置所测的k 值、I 值、V 值和Q 值是否一样？如果将渗透圆筒水平放置所求各值又怎样？实验三、土的毛细水上升高度测定毛细水是赋存在包气带岩石空隙中的地下水, 它同时承受着重力和毛细力的共同作用。