地下水渗流模型实验系统设计
地下水数值模型设计步骤及对资料的要求
建立数值模型
网格剖分：根据确定的数值方法和软件，对研究区进行剖分。 对于平面二维流问题，一般将研究区剖分成矩形或三角形网格； 对于剖面二维流问题，一般也是将剖面区域剖分成矩形或三角形； 对于三维流问题，一般先在垂向上分成若干层，而在每层剖分成矩 形或三角形。
边界条件： 初始条件： 含水层参数：渗透系数、储水系数、给水度、孔隙度 源汇项：降雨入渗、河流补给、蒸发排泄、地表水体、沟渠渗漏、
上述数学模型是一个偏微分方程定解问题，通常只能用数值方法 求解，常用的数值方法有：有限差分法和有限单元法。
目前有一些软件可以直接用于求解地下水流动问题，如果不是自 己编写程序，可以选择合适的软件，建立数值模型。
如果用软件，则需对软件功能作简要介绍，论述软件的适用性。
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第七章 数值模型一般步骤及对 勘查资料的要求
模型设计者应出具有较高理论水平和丰富经验的水文地质工作者担 任。设计者应精细地分析有关资料, 以获得较符合实际条件的分区 图。
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三、数值模型设计中一些特殊问题
（一）抽水试验设计 （二）抽水试验数值模拟设计 （一）含水层剖分注意事项
（一）抽水试验设计
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三、数值模型设计中一些特殊问题
（一）含水层剖分注意事项
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二、数值模型设计及对资料和水文地质勘探的要求
（四）边界条件的确定
边界条件是与计算区的范围同时确定的
考虑计算区的范围时, 必须同时确定边界条件的性质； 反之, 边界的位置一旦确定, 计算区的范围自然也就确定下来了。
合水层的边界分为自然边界与人为边界两类
当研究的合水层系统(包括弱透水的含水层)与非含水层相接触时,其界 面(线)称为自然边界；
实验三 达西渗流实验
达尔西仪法
一、实验仪器
1．达西仪（图 3-1） ，分别装有不同粒径的均质试样：①砾石（粒径 5~10mm） ；②粗砂 （粒径 0.6~0.9mm） ；③砂砾混合（①与②的混合样） 。
图 3-1 达西仪装置图
1—试样；2—进水开关；3—出水管；4—测压管；5—仪器架；6—排气管
2．秒表。 。 3．量筒（100ml,500ml 各一个） 4．直尺。 5．计算器。
三、实验成果
1．提交实验报告表（表 3-2） 。 2．在同一坐标系内绘出三种试样的 V — I 曲线，并分别用这些曲线求渗透系数 K 值， 与直接据（表 3-1）中实验数据计算结果进行对比。 表 3-2 渗透系数试验记录（70 型渗透仪）
实 验 次
测流 量时 间t
实测水 量W (cm3)
渗透流 量Q (cm3/s)
二、实验步骤
1．测量仪器的几何参数（实验员准备） 。 分别测量过水断面面积（ ） 、测压管 a、b、c 的间距或渗透途径（ 3-1） 。 2．调试仪器（实验员准备） 。 打开进水开关 2，待水缓慢充满整个试样，且出水管有水流出后，慢慢拧动开关 2，调 节进水量，使 a、c 两测压管读数之差最大。同时注意打开排气口排尽试样中的气泡，使测 压管 a、b 的水头差与测压管 b、c 的水头差相等。
L
） ；记入（表
3．测定水头 待 a、b、c 三个测压管的水位稳定后，读出各测压管的水头值，记入（表 3-1）中。 4．测定流量 在进行步骤 3 的同时，利用秒表和量筒测量 t 时间内水管流出的水体积，及时计算流量
Q 。连测两次，使流量的相对误差小于 5％[相对误差
入（表 3-1） 。
Q 2 Q1 (Q1 Q 2 ) / 2
土坝渗流模型实验报告
土坝渗流模型实验报告一、实验目的本实验旨在通过建立土坝渗流模型，研究土壤渗透性以及影响因素，为土壤水分运动的研究提供参考。
二、实验材料与设备1. 材料- 方形玻璃水槽：用于容纳土坝模型和水。
- 土样：用于构建土坝模型。
- 水：作为水流介质。
- 水槽支架：用于固定水槽和土坝模型。
2. 设备- 水位计：用于测量水位高度。
- 计时器：用于计时。
- 数字天平：用于称量土样。
三、实验步骤1. 土坝模型的构建1. 准备土样，并用数字天平称量土样质量。
2. 在水槽中构建一个方形土坝模型，固定土坝模型。
2. 实验条件设置1. 调整实验室温度为常温，保持相对稳定。
2. 将水槽中的水温调整为实验室温度。
3. 实验操作1. 在水槽中注入适量的水，使水位稍高于土坝的顶部。
2. 开始计时器，记录实验开始的时间。
3. 每隔一定时间间隔，在不同位置测量水位高度，并记录下对应的时间。
4. 持续观察和记录水位变化，直到水位稳定。
四、实验结果与分析利用实验得到的数据，绘制土坝渗流模型的水位变化曲线，并进行分析和讨论。
1. 实验数据记录下表为实验记录的水位高度数据：时间（分钟）水位高度（cm）0 155 1410 1315 12.520 1225 11.530 1135 10.540 10... ...2. 数据处理和分析根据实验记录的数据，绘制土坝渗流模型的水位变化曲线图如下：实验结果显示，随着时间的推移，水位逐渐下降，但下降速度逐渐减小。
初时，土坝渗透性较差，水位下降较慢；随着时间的延长，土壤内部存在的孔隙逐渐被水填满，渗透速度减小，导致水位下降的速度减缓。
最终水位趋于稳定。
五、实验结论通过土坝渗流模型实验的结果分析，得出以下结论：1. 土壤的渗透性与水位下降速度成正相关，渗透性较好的土壤，水位下降速度较快。
2. 随着时间的延长，水位下降的速度减缓，土壤内部孔隙被水填满，导致渗透速度减小。
岩土工程中地下水渗流模型的建立与分析
岩土工程中地下水渗流模型的建立与分析地下水是岩土工程中非常重要的一个方面，其成因、分布规律、水位变化等都对工程建设具有直接的影响。
在岩土工程中，地下水的流动过程是非常复杂的，需要进行深入分析和模拟。
因此，地下水渗流模型的建立和分析是岩土工程中重要的一环。
一、地下水渗流模型建立的基本思路及步骤地下水渗流模型是指把实际的地下水系统复杂程度抽象为一个由数学模型描述的虚拟系统，通过对模型中水力参数的确定和求解，模拟实际地下水系统的各项参数变化。
地下水渗流模型建立的基本思路是，通过对真实地下水系统（模拟对象）的所处环境、沉积堆积、地静力压力、保护层、气候条件以及岩石构造的变化等因素进行实际测量和观测，获得现场样品或数据。
接着，通过建立地下水系统数学模型，对实际地下水系统进行模拟和规划。
地下水渗流模型建立的步骤一般包括以下几个步骤：实际地下水环境分析、地下水系统数学建模、数值计算、数据处理及模型验证。
在建立地下水渗流模型之前，首先需从地下水环境中收集各种类型的资料包括水文地质、测量数据、环境观测资料等进行备案。
收集完毕资料后，需要通过建立适当的模型对地下水进行建模。
二、地下水渗流模型建立的方法地下水渗流模型建立的方法一般可分为解析方法和数值方法两种。
解析方法利用数学公式推导出解析解，计算时间短但只能应用于非常简单的情况。
而数值方法，则把真实的物质世界抽象为虚拟的数值世界，通过数值计算得到近似解。
常用的数值方法包括有限差分法、有限元法、边界元法等。
三、地下水渗流模型存在的问题及改进地下水渗流模型在实际应用中，仍然存在一些问题，如建模误差、边界条件不精确、模型过于简化等。
这些问题会对模型的结果产生重要的影响，需要对其进行改进。
建模误差是建立地下水渗流模型中非常重要的问题。
建模误差往往来源于对数据采集不够充分和对数据分析不够透彻，建议使用虚拟样品等新颖的数据分析技术以提高建模质量。
边界条件的确定也是地下水渗流模型中的一个难题。
渗流模型在地下水资源管理决策
渗流模型在地下水资源管理决策一、渗流模型的基本概念与重要性渗流模型是地下水资源管理中的关键工具，它通过模拟地下水的流动过程来帮助科学家和决策者理解地下水系统的行为。
渗流模型的基本概念涉及到地下水在多孔介质中的运动，包括地下水的补给、流动和排泄过程。
这些模型能够提供地下水流速、水位、水质和水量的预测，对于地下水资源的合理开发和保护至关重要。
1.1 渗流模型的基本原理渗流模型基于达西定律，该定律描述了地下水在多孔介质中的线性流动速度与水力梯度之间的关系。
通过这一原理，模型能够模拟地下水在不同条件下的流动路径和速度。
1.2 渗流模型的分类渗流模型可以根据其复杂性和应用场景被分为不同的类型，包括解析模型、数值模型和物理模型。
解析模型基于数学方程，适用于简单的地下水系统；数值模型通过计算机模拟复杂的地下水流动过程；物理模型则通过实验来模拟地下水流动。
1.3 渗流模型在地下水资源管理中的作用渗流模型是地下水资源管理决策的重要支撑，它能够帮助决策者评估不同管理策略对地下水系统的影响，预测地下水资源的未来变化趋势，以及制定合理的开发和保护措施。
二、渗流模型的构建与应用构建一个有效的渗流模型需要考虑地下水系统的多个方面，包括地质结构、水文条件、边界条件和初始条件等。
模型的构建过程通常包括数据收集、概念模型建立、数值模型开发和模型校准等步骤。
2.1 数据收集与处理数据收集是渗流模型构建的第一步，需要收集地下水位、降雨量、蒸发量、补给量等水文地质数据。
这些数据的准确性直接影响模型的可靠性。
2.2 概念模型的建立概念模型是对地下水系统的基本理解，它包括地下水流动的物理过程、地下水系统的边界和初始条件等。
概念模型的建立是模型开发的基础。
2.3 数值模型的开发数值模型的开发涉及到选择合适的数值方法来求解地下水流动方程。
常用的数值方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法等。
选择合适的数值方法对于提高模型的计算效率和精度至关重要。
中国石油大学 水电模拟渗流实验讲义
1 - 电解槽 2 - 铜丝（模拟井） 3 - 供给边界
3、计算原理 圆形恒压边界中心一口直井（完善井）稳定生产时产量计算公式： (3-17)
地层中任一点压力分布公式： (3-18)
由相似原理可知，模拟模型中电压与电流同样满足上述关系式： 完善“井”“产量”公式：
通过导体的电流遵守欧姆定律： (3-2)
式中，为电导率，是电阻率的倒数，西门子/cm；U—电压，伏；-电流 密度，安培/cm2；I-电流，安培，S-导体截面积，cm2。
均质地层不可压缩流体通过多孔介质稳定渗流连续性方程： (3-3)
均匀导体中电压分布方程： (3-4)
对比方程上述方程可以看出：电场与渗流场可用相同的微分方程进 行描述，因此，不可压缩流体的稳定渗流问题可用稳定电场进行模拟。 于是可以用电位分布来描述渗流场的压力分布，用电流来描述流量或流 速，电阻描述渗流阻力。
由模拟条件下任意半径处的电位值U，可求得实际地层中任意半径r
出的压力P，即可求得地层中的压力分布：
压力：； 对应半径：
(3-22)
式(3-18)的压力及半径均用式（3-22）处理，可求得实际地层中任
意点的压力分布。
4、实验步骤
（1）首先确定模拟油藏的参数的大小：渗透率k、供给半径re、井 半径rw、油层厚度h、流体粘度、生产压差（Pe-Pw），计算油井产量 Q；确定模拟系统的有关参数的大小：模拟油藏供给半径rem、最大电流 I、最大电压。
（2）计算相似系数：，，，计算，， （3）由，计算溶液的电导率，溶液厚度，具体方法见示例。 （2）根据电导率值，从溶液浓度与电导率关系曲线（图3-2）中查 出与蒸馏水配制比例，然后进行配制。 （3）配制完毕，测定溶液实际电导率值，计算相似系数。 （4）将调压器旋钮旋至“0”位置，按图3-7所示连接好电路。 （5）打开电源，顺时针旋转变压器旋钮，将电源电压调到所需值 （注意：不要高于36伏）。 （6）顺时针慢慢旋动调压器的旋钮，使电压值从低到高变化（最
典型二元结构地层三维渗流模型
典型二元结构地层三维渗流模型摘要：以南京某深基坑工程为例，探求典型二元结构特征区域的地下水渗流模型，利用数值模拟方法预测基坑开挖施工阶段承压含水层的水位变化特征，为深大基坑地下水处理提供依据。
关键词：地下水三维渗流模型深基坑前言长江流域，特别在中下游的三角洲区域，下伏着较厚的松散沉积层，一般上部为粘性土，下部为砂性土，砂性土上细下粗，呈典型的二元结构特征，其中发育较厚的孔隙承压水层，承压水水头压力较高，含水层埋深较浅，各层含水层之间存在水力联系，形成一个较为复杂的地下水系统。
在这类区域的深大基坑开挖过程中，会面临承压水突涌问题，减压降水保证基坑开挖安全是一项极为重要的工作。
本文以南京某基坑工程为例，论述基坑降水三维渗流模型建立的理论，建立本工程的三维渗流模型，模拟预测本工程开挖降水期间的渗流场变化特征。
1、工程概况本工程紧邻地铁线，地铁区间隧道与本基坑地下室最近距离不足10m，基坑开挖面积约36400 ㎡，最深开挖约26.4m。
基坑下伏地层主要为：①1杂填土、②粘土、③淤泥质粉质粘土、④1粉细砂、④2中细砂、④2a粉质粘土（呈透镜体分布）、④3含砾中细砂及⑤层强风化~微风化砂质泥岩层。
潜水主要赋存于①填土中，初始水位埋深约1.0m，弱承压含水层由④1粉细砂、④2中细砂及④3含砾中细砂复合而成。
复合弱承压含水层厚度近50m，富水性好，透水性强，水量丰富，补给源为长江，承压水顶埋深约15~19m，承压水初始水头约3.0m。
2、三维渗流数学模型地下水流和土体是由固体、液体、气体三相体组成的空间三维系统，土体可以模型化为多孔介质。
因此求解地下水问题就可以简化为求解地下水在多孔介质中流动的问题，可以用下述地下水渗流连续性方程及其定解条件来描述地下水的三维非稳定渗流规律。
根据与本场地相适应的水文地质条件，可建立下列与之相适应的地下水三维非稳定渗流数学模型：（1）式中：S为储水系数；Sy 为给水度；M为承压含水层单元体厚度(m)；B为潜水含水层单元体地下水饱和厚度(m)。
水文地质学实验报告-中国地质大学实验六 多源汇地下水流系统实验及数据
实验六多源汇地下水流系统设计与演示一．实验目的1.通过砂箱物理模拟直观再现托特理论的多级次地下水流动系统---局部、中间、区域的水流系统；2.通过调整降雨量大小，模拟不同降雨入渗补给强度对地下水流动系统发育模式的影响；3.通过均质砂箱和非均质砂箱多级水流系统的模拟演示，分析介质场渗透性对水流系统发育模式的影响。
二．仪器介绍多级水流系统演示仪主要包含潜水砂箱、降水系统、河流排泄系统、示踪点、测压点、测压板1.潜水砂箱主体装的是石英砂，模拟砂粒介质，可以是均质含水层，也可以是非均质含水层；2.降水系统：砂箱补给源为3个独立的降水装置，从右到左为三段补给源。
每个降水装置的进水口都与蠕动泵相连，可以独立并精确的控制降雨量大小；3. 河流排泄系统：砂箱有三个低洼河谷，构成可能的势汇，三个河谷从右往左依次降低，河流的流量可以用量筒和秒表测量；4.流线示踪系统：砂箱正面上方有一排示踪点，示踪点外面套有红色中空橡皮头，以便注入红色墨水，可以示踪地下水流线；5.水位观测系统：砂箱背面有多排测压点，连接测压板，可以测定砂箱中不同测压点的水头值。
三、实验步骤1. 熟悉地下水流系统模拟演示仪的结构及功能。
2. 观察均匀介质中的地下水流系统。
1号砂箱为均匀介质，通过调节蠕动泵转速，使得降雨强度中等，砂箱中出现三级地下水流系统。
水位稳定以后，根据示踪流线和测压点水位，在图6-1中绘制流网图。
测量各个蠕动泵的转速，砂箱各个排泄点的流量，并记录在表6-1中。
减小蠕动泵转速，减小降雨强度，向简单水流系统转变（局部、区域两级水流系统），分析降水对地下水流系统发育模式的影响。
3. 观察层状非均质介质中的地下水流系统。
在2号砂箱进行中等强度的降水，水位稳定以后，根据示踪流线和测压点水位，在图6-2中绘制流网图。
测量各个蠕动泵的转速，砂箱各个排泄点的流量，并记录在表6-1中。
与1号砂箱中等降水强度下的水流系统进行对比，分析介质渗透性对地下水流系统发育模式的影响。
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地下水渗流模型实验系统设计
【摘要】为了观察水在土中的渗透过程，模拟工程降水、边坡工程施工过程中出现的地下水渗透破坏，设计了一套能进行多种渗透情况的演示和模拟实验地下水渗流模型实验系统。
介绍了地下水渗流模型实验系统的组成结构，以及它所能进行的模型试验。
可为工程降水及
边坡工程稳定等研究提供实验室数据和基础参数。
【关键词】渗透；模型试验；传感器
1 前言
目前，随着城市建设进程的加快，城区内的建筑高度越来越大，基坑也越来越深，在开
挖较深、地表有沉降有严格要求的基坑时，通常会采取坑内降水、坑外止水的措施，这样在
坑内外就形成了一个水头差，当水头差达到一定程度且止水结构失效时，就会发生土体的渗
透破坏。
造成基坑失稳、堤坝塌方等工程事故 [1~5]。
不仅影响施工进度，更有甚者会造成人
员伤亡。
如何评价基坑及边坡发生渗透破坏的稳定性问题成为重要的课题。
在基坑工程中，由于常采用帷幕来降低发生渗透破坏的可能性，井点降水过程中坑底水
位不断下降，以及水源补给条件的多样性，都会造成基坑工程中渗流场的分布有很大的不确
定性、复杂性。
本文提出的地下水渗流模型实验系统能对基坑土体在降水、回灌，以及不同
工况下的边坡工程进行渗流模拟，通过压力传感器测得孔隙水压力，计算压力水头，分析其
渗流场，评价其稳定性。
为基坑工程降水及边坡工程的渗透稳定等研究提供实验室数据和基
础参数。
2 地下水渗流模型实验系统组成
整个设备由主要渗流装置、供水系统、排水系统、降雨模拟系统、计算机监控系统共五
大系统及角钢支座组成。
主要渗流装置是完成各种模型试验的主要设备，由有机玻璃水槽做成，厚1.5cm ,玻璃水槽尺寸为L×B×H=2.6m×1.4m×1.2m，长边方向两端面布置直径２cm的小孔，作为渗流时补给
水源及排水用；隔板用来区分不同的功能区：槽首供水区，尺寸L×B×H=0.3m×1.4m×1.2m；
槽中渗流区，尺寸L×B×H=2.0m×1.4m×1.2m；槽尾排水区，尺寸L×B×H=0.3m×1.4m×1.2m。
供水区与渗流区之间，以及渗流区与排水区之间加透水活动传力柱顶托，以防装样后渗
流区两端变形；传力柱布局及结构见图1。
传力柱在实验后可以拆卸。
传力柱外侧直径8cm，壁厚5mm，长29.9cm；侧壁开口宽度为1cm。
材质为有机玻璃。
监测井包括抽水井和回灌井，监测井可以根据实验目的自由设计其结构和安放位置，采用PVC管制成；内径2cm，外
径2.5cm，管壁厚2.5mm，井长度120cm，网眼密度：3眼/cm2，网眼直径：3mm，在使用
时需用纱网将监测井包裹防止砂粒进入监测井，以防止发生堵塞。
供水系统是补给土体进行渗透试验用水的设备，其通过可以调节高度的支架及设置在储
水箱的排水孔来保证进行渗透试验所需的水源。
供水箱可在带螺纹的升降杆作用下上下移动，用以调节渗流槽内的压力水头，供水箱下方有与渗流槽相连的软管，中间用阀门控制供水量
大小。
图2 主要渗流装置图
排水系统是各种地下水相关试验过程中进行排水的装置，包括排水管，阀门等。
降雨模拟系统是用来模拟工程场地受降水影响时的淋雨装置，由喷淋器、供水管路、供
水泵组成。
淋喷器用硬塑料管做成，均布着直径为３mm的小孔，通过供水泵和阀门来调节
降水量的大小。
计算机监控系统是本实验装置的数据采集系统，其通过设置在不同位置处的传感器和百
分表，来测量土体在渗流作用下的侧向压应力的变化、孔隙水压力的变化以及土体表面的沉降。
角钢支座能防止因水土压力导致玻璃水槽发生变形，起固定的作用。
从槽底部向上，分
别在高度为30cm、60cm、90cm处，加水平角钢围栏固定槽体周边四个侧壁。
槽体底部的托
底角钢从渗流区一端开始布设，相邻两个角钢横梁相距40cm。
角钢厚度为5mm，宽度5cm。
角钢强度须要能够承载槽中的荷载，确保渗流装置不发生明显变形而影响实验精度。
3 渗流模型实验系统功能设计
本地下水渗流模型实验系统可通过不同设计完成如下实验功能：
3.1 模拟降水及回灌引起的土体沉降
本渗流模型实验系统能够模拟工程场地受施工降水及自然降水影响地基土体的沉降，模
拟工程场地土体由于回灌作用产生的变形回弹及土体应力的变化。
并能进行水土压力的测量、地基土体沉降的量测。
根据工程场地的勘察报告，在渗流区设置模拟实际情况的土层，通过
供水系统设置一定高度的地下水位，在渗流槽特定位置设置抽水井，用抽水泵进行抽水；在
土体表面放置百分表，百分表固定在渗流槽壁上，可以测量表面土体在施工降水作用下土体
表面的沉降。
在土体内部埋设水压力和土压力传感器，用来测量土体在施工降水影响作用下
土压力及水压力的变化。
通过架设喷淋器可以模拟基坑工程土体受自然降水的影响，观测地
表沉降及水、土压力的变化情况。
3.2 计算土体的渗透系数
在渗流区设置模拟实际情况的土层，在土体两端设置稳定的供水和排水装置，利用传感
器测定不同位置的孔隙水压力，通过测量一定时间内土体中渗流出水量的多少，可计算土体
的渗透系数。
进行水平向的渗透演示实验时，在渗流区中放入土样，然后通过侧壁上的孔向主要渗流
区中注水，可以观察渗透的全过程。
通过水压力传感器可读出不同位置的土样的孔隙水压力。
进行常水头实验，待渗流稳定后保持供水支架上水筒的水位保持不变。
通过计算单位时间内
排水区水的渗透量可得出土的渗透系数。
对于常水头实验，由达西定律[6]：
式中：i为水力梯度，表示单位渗流长度上的水头损失；
A为土样的横截面积；
Q为水在时间t内的渗透量；
3.3 流网绘制及边坡渗透失稳模型实验
本实验系统能够模拟降雨入渗过程中土质边坡失稳情况及水、土压力的变化情况。
根据
实际工程中边坡倾角，通过控制边坡隔板的角度，设置不同坡角的边坡模型。
同时布置水、
土压力传感器，待装好土样后，可以利用供水系统在主要渗流装置一端提供稳定水头，观察
土中水的渗流情况，通过水压力传感器可记录不同位置处的孔隙水压力，进而可作出土中渗
流水的等势线，做出二维的渗流流网。
在供水系统一端逐渐增大水头，可观察边坡土体发生渗透破坏的情况，读取土体发生渗
透破坏时水、土压力传感器的数据，分析土体发生渗透破坏时土压力与孔隙水压力的变化情
况。
通过设置不同坡角的边坡模型，做出不同边坡模型发生渗透破坏时的倾角与压力水头大小的关系，可为实际工程提供实验室数据。
4 结论
此地下水模型实验系统的研制，主要用于模型试验。
通过对实际工程项目的地基土体进行模型试验，模拟其受施工降水、自然降水、回灌等作用下土体的变形和应力变化情况，模拟工程边坡模型受地下水渗透力作用下失稳过程中水、土压力的变化。
可为实际工程的施工提供实验室数据，为施工方案的优化调整提供室内模型数据支持。
可进行土体渗透破坏的演示实验，为土体渗透破坏提供更直观的设备，并能计算土体的渗透系数。
参考文献：
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[6]张克恭，刘松玉.土力学[M].北京:中国建筑工业出版社,2001
作者简介：
张清林（1987-），男，工程师，硕士，主要研究方向为岩土工程。