1、地下水水文學(xué)Groundwater Hydrology,講授：杜發(fā)興 吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 水文水資源系 2005年10月,地下水水文學(xué)實驗,實驗一 達西實驗 實驗二 持水度測定 實驗三 含水率剖面 實驗四 孔隙度測定 實驗五 給水度測定 實驗六 毛細水上升高度的測定 實驗七 滲壓實驗,實驗一 達西定律-1.目的意義,(1) 掌握實驗室測定巖石滲透系數(shù)的方法，加深對巖石滲透系數(shù)的認識。 (2) 驗證達西定律，從而提高對直線滲透定律的理解。 巖石滲透系數(shù)是定量描述巖石透水性能的物理指標，巖石空隙越大、連通性越好，則滲透系數(shù)越大，單位時間內(nèi)通過過水斷面的水量越多。其物理含義是當水力坡度等于1時，

2、滲透系數(shù)就等于滲透速度。滲透系數(shù)是進行井孔、礦坑涌水量及水庫，渠道滲流量計算時不可缺少的重要水文地質(zhì)參數(shù)。 確定滲透系數(shù)的方法很多，在野外常用井孔抽水，注水及試坑滲水、壓水試驗等方法。所得資料可靠精度高，但效率低，成本高。在室內(nèi)常用達西儀，戚姆儀及滲壓儀等方法測定。本次實驗采用達西儀測定巖石的滲透系數(shù)。,實驗一 達西定律-2. 儀器設(shè)備,達西儀共由四部分組成。 (1) 供水器裝置（馬氏瓶）：以法國物理學(xué)家Mariotte的馬利奧特瓶裝置，是一種能控制水位又能自動連續(xù)補給水的量測裝置。 (2) 滲透裝置（試樣筒）：有機玻璃園桶，上部設(shè)有進水孔，底部裝有過濾篩板，下端有出水孔，供測量滲流量用。側(cè)面

3、有三個側(cè)壓孔。 (3) 測壓裝置（測壓板和測壓管）：在測壓板上裝有三根5-8cmm帶刻度的玻璃管，分別與試樣筒上的三個測壓孔連接，測定三個斷面上的測壓水位用。三個測壓管用膠管分別與試樣筒相應(yīng)的管孔聯(lián)結(jié)。其它設(shè)備有100m1的量筒、水槽、漏斗、搗捧、裝樣杯、秒表、溫度計、管夾、膠皮管及吸氣球等。 (4) 排水裝置：在測壓板上均勻分布有一系列的圓孔，用于調(diào)節(jié)排水水位。,實驗一 達西定律2 儀器設(shè)備,馬氏瓶,試樣筒,測壓板,測壓管,排水裝置,實驗一 達西定律-3. 實驗步驟,(1) 檢查儀器設(shè)備是否齊全，完好：膠管與儀器連結(jié)處是否漏氣漏水或堵塞。 (2) 裝樣；在裝樣前在過濾篩板上放二層濾紙，然后裝

4、樣，每裝35cm厚時，均用搗捧輕擊數(shù)次，并測定試樣的孔隙度或容重使其結(jié)構(gòu)盡量符合實地的狀態(tài)。重復(fù)上述過程，直至試樣超過最上一個測壓孔以上5cm為止。 (3) 飽和試樣，將排水水位調(diào)節(jié)高于試樣水面，打開供水管夾，待試樣表面出現(xiàn)水膜時立即關(guān)閉供水夾，觀察試樣筒及三個側(cè)壓管水位是否在同一水平面上(1mm為準)；如果沒有則說明氣泡沒有排盡或側(cè)壓管被堵塞，需將側(cè)壓板傾斜或用吸氣球從低水位管中吸出水為止。 (4) 實驗測定：打開供水管夾調(diào)節(jié)排水水位，當側(cè)壓管水位穩(wěn)定后(30秒鐘內(nèi)水位變動1mm)，記錄各側(cè)壓水位值(讀彎液面下緣高度)，同時測定在時間t秒鐘內(nèi)出水管的滲透量及水溫T。重復(fù)測定二次取其平均值。然

5、后再調(diào)節(jié)二次排水水位(即改變I)，如同前述測得二次調(diào)節(jié)后的各值。調(diào)節(jié)時應(yīng)逐級上升或依次下降，不要跳躍式的上升或下降，以免沖壞試樣原有結(jié)構(gòu)。,實驗一 達西定律-3. 實驗步驟,最后測量試樣筒內(nèi)徑d及測壓孔間距L1、L2并將三次不同排水水位時，所測得數(shù)據(jù)一一填入記錄表11 儀器內(nèi)徑Dcm班級： 滲透土柱斷面面積Fcm2試驗者： 測壓間距Lcm日期： 表1-1 達西實驗記錄表,2020/9/12,8,實驗一 達西定律-4作業(yè)要求,1.計算滲透系數(shù)（K） 根據(jù)達西公式， (11) ; (12) 式中： K試樣的滲透系數(shù)（cm/s）；v滲透速度（cm/s）；Q滲透流量（cm3/s）；t測流的時間段（s）

6、；W在t秒時間段內(nèi)測得的滲透量（cm3）；F過水斷面積（cm2）；d試樣圓筒的內(nèi)徑即試樣柱的直徑（cm）；I水力坡度： h1,h2,h3分別為側(cè)壓管1,2，3的相對水位（cm）； L1, L2分別為側(cè)壓孔1,2,3孔的間距（cm）。,;,實驗一 達西定律-4作業(yè)要求,2、滲透系數(shù)溫度校正計算 。 地下水的滲透速度不僅與巖石本身的性質(zhì)有關(guān)，而且還與水溫和動力粘滯系數(shù)有關(guān)，因此在計算溫熱礦水或預(yù)測不同水溫的滲透系數(shù)時，應(yīng)考慮水溫的影響，現(xiàn)以校正成水溫為10時為例對滲透系數(shù)校正計算，其計算公式為： 式中： K0，K10, KT分別為水溫在10；T的滲透系數(shù)。 t0，t10, tT 分別為水溫在10；

7、T的溫度校正系數(shù)。 m0，m10, mT分別為水溫在0；10；T的水的動力粘滯系數(shù)，根據(jù)普阿杰里表，直接查得。,；,實驗一 達西定律-4作業(yè)要求,實驗一 達西定律-4作業(yè)要求,實驗二 持水度/含水率的測定-1.目的意義,1. 通過實驗，加深對持水性、持水度概念的理解，以及持水度與含水率的根本區(qū)別。 2.掌握實驗室測定持水度的基本方法和步驟。 巖石的持水性是指飽水巖石在重力作用下釋水時，由于巖石顆粒表面與水分子間的分子吸引力及孔隙毛管力的作用，使一部分水份仍能保持在孔隙中的這種性能。 巖石持水性大小的定量指標以持水度來表示，即為飽水巖石經(jīng)釋水后所能保持水的重量與其巖石的重量之比值。也可稱為最大分

8、子持水度，在支持毛管水帶內(nèi)所測得的持水度叫毛管持水度。,實驗二、三 持水度/含水率的測定-1.目的意義,持水度是飽水巖石經(jīng)天然或人工排水疏干自由重力水時的含水率，即為巖石所含結(jié)合水重量與巖石干重之比。其值大小僅取決于巖性、結(jié)構(gòu)。相同粒度、結(jié)構(gòu)的巖石，持水度應(yīng)接近于常值。 含水率的大小除與巖性、結(jié)構(gòu)外還與巖石所處的自然環(huán)境、距水及地下水面遠近有關(guān)，隨垂向剖面由上至下，由天然含水率(最小值)漸變到飽和含水率(最大值)，其值相差非常懸殊。 持水度是進行地下水儲量計算或排水疏干以及地下水動態(tài)研究時的重要參數(shù)之一，在加強田間土壤水分管理增產(chǎn)增收及道路翻漿，凍脹研究工作中起著重要的作用。,實驗二、三 持水

9、度的測定-1.目的意義,持水度與給水度,實驗二、三 持水度/含水率的測定-2 儀器設(shè)備,以前習慣將含水率合并在持水度測定試驗中進行，選用高柱儀。本次試驗為了測定垂向剖面上的含水率及繪制剖面水分特征曲線，采用土柱儀進行實驗。 土柱儀也可用于含水率、給水度的測定，在裝樣前首先測得過濾底板以下的體積(或密封)，用馬氏瓶供水，測得試樣體積和充水至試樣表面出現(xiàn)水膜為止時，所需水的體積，又可用注水法測定試樣的孔隙度。 儀器設(shè)備：恒溫烘箱(100105)，百分之一天秤；稱樣鋁盒，取樣小勺，干燥器，裝樣杯及搗棒等。,實驗二、三 持水度的測定2儀器設(shè)備,土柱儀,馬氏瓶,供水夾,排水夾,實驗二、三 持水度/含水率

10、的測定3.實驗步驟,(1) 裝樣：最好是取直徑稍大于土柱儀的原狀試樣，邊削邊裝入園筒中。擾動試樣要分層裝，每裝35cm厚時，均用搗棒輕擊數(shù)次，并測定試樣的孔隙度或容重使其結(jié)果盡量符合實地的狀態(tài)。重復(fù)上述過程直至試樣與土柱儀筒口一樣高為止。 (2) 飽水和釋水：打開供水夾，向土柱中充水。待試樣表面出觀水膜時立即停止供水。充分飽水后開始釋水，排盡柱儀中自由重力水。 (3)取樣秤重：記錄最終水位，分別在2，4，6，8，10，12，14，16及18號孔取試樣3050g左右，裝入已知重量(g0)的鋁盒內(nèi)；立即蓋好盒蓋(蓋及盒號應(yīng)相符)，擦凈盒外余土雜物，用天秤稱得盒及濕土重量(g1)，打開盒蓋放入烘箱，

11、在105溫度下恒溫4小時以上，烘干。,實驗二 、三 持水度/含水率的測定,(4) 分別蓋好相應(yīng)的盒蓋，放入干燥器，冷卻至室溫，稱得盒和干樣重量(g2)。 (5) 將稱得盒重，盒及濕樣，盒及干樣重量按孔號分別填入記錄表1-1。 表1-1 持水度試驗記錄表,實驗二、三 持水度/含水率的測定-4. 作業(yè)要求,(1) 含水率(q)的計算： 將各孔試樣計算的含水率逐一填入表11。 (2) 繪制剖面水分分布曲線h q ，首先分別測得取樣各孔至釋水后最終靜止水位的距離h(cm)，設(shè)水位為原點，以距離h為縱座標，以含水率(q)為橫座標，繪制hq曲線。曲線上q值變化不大的孔段范圍內(nèi)， q的平均值即為持水度(Sr

12、 ) 。 (3) 分析h q曲線的特征和拐點，確定持水度(最大分子持水度)、毛管水及支持毛管水帶的分布高度(cm)。,實驗二、三 持水度/含水率的測定-4. 作業(yè)要求,剖面水分分布曲線h q,實驗四、五 給水度/孔隙度的測定-1.實驗?zāi)康募耙饬x,（1）通過實驗，加深對巖土容水性/容水度/孔隙度、給水性/給水度概念的理解，以及給水度與容水度的區(qū)別。 （2）掌握實驗室測定容水度/孔隙度/給水度的基本方法和步驟。 給水度是衡量潛水含水層給水性能大小的一個重要指標。 早在四十年代，蘇聯(lián)學(xué)者提出：在重力作用下，單位體積飽水巖石所排出重力水的體積，稱為重力給水度。 七十年代，著名的地下水水力學(xué)家J.Bea

13、r提出新概念潛水水位下降單位深度時下降水位以上單位橫截面積土柱所排除的水量，稱為給水度。 模擬試驗結(jié)果表明，前者僅適用于理想的砂礫石（很少見），這就限制了它的廣泛應(yīng)用。后者不僅適用于任何粒度的孔隙巖石，而且還能把下降水位以上的水位變動帶與非飽和水帶做為統(tǒng)一體考慮，反映出飽和流和非飽和流之間的內(nèi)在聯(lián)系，應(yīng)用范圍廣。,實驗四、五 給水度/孔隙度的測定-1.實驗?zāi)康募耙饬x,近年來, 在上述研究成果基礎(chǔ)上，應(yīng)用水文地質(zhì)力學(xué)觀點，分析作用在潛水含水層上界面自由水面處土自重壓力變化對含水層釋水的作用，經(jīng)多次模擬試驗得知：潛水水位下降，不僅會引起下降水位以上(包括水位變動帶在內(nèi))的整個非飽水帶的排水，而且還

14、能引起下降水位以下整個飽水帶(含水層)的壓縮變形，部分孔隙被擠出而稱為釋水。 潛水含水層的給水度，不能僅視為由水位變動帶的巖性和包氣帶的水分再分配而決定的物理參數(shù)，而是與包括包氣帶與飽水帶在內(nèi)的整個含水柱體有關(guān)的經(jīng)驗參數(shù).,實驗四、五 給水度/孔隙度的測定-1.實驗?zāi)康募耙饬x,潛水含水層的給水度,實驗四、五 給水度/孔隙度的測定-1.實驗?zāi)康募耙饬x,容水度/孔隙度,實驗四、五給水度/孔隙度的測定-1.實驗?zāi)康募耙饬x,持水度與給水度,實驗四、五 給水度/孔隙度的測定-2儀器設(shè)備,土柱儀,馬氏瓶,供水夾,排水夾,實驗四、五 給水度/孔隙度的測定3.實驗步驟,(1) 裝樣：最好原狀試樣；擾動試樣要分

15、層裝，每裝35cm厚時，均用搗棒輕擊數(shù)次，并測定試樣的孔隙度或容重使其結(jié)果盡量符合實地的狀態(tài)。重復(fù)上述過程直至試樣與土柱儀筒口一樣高為止。 (2) 飽水：打開供水夾，向土柱中充水。待試樣表面出觀水膜時立即停止供水；量測并記錄飽和干燥試樣所用的水體積Vn。 (3) 釋水：充分飽水后，打開排水夾開始釋水，排盡土柱儀中自由重力水，采用量杯量測并記錄所排出的水體積Vw。 測量土柱儀直徑D(半徑r)、偶數(shù)編號各孔高度(hi)、土柱高度(Hw)。,實驗四、五 給水度/孔隙度的測定4.作業(yè)要求,(1) 計算巖土的孔隙度n：n=Vn/Vt, Vt=3.1415r2Hw 式中Vn飽和干燥試樣所用的水體積； Vt

16、 土柱儀中土柱的總體積； (2) 計算巖土的給水度m：m =Vw/Vt, Vt=3.1415r2Hw 式中Vw飽和土柱在重力作用下完全排水所排出的重力水體積； Vt 土柱儀中土柱的總體積； (3) 成果檢驗：m + Sr =n （砂土）； m + nd+Sr =n （粘土） 若測得飽和重量含水量q s和干容重（干密度）gd，則有 n= gd q s (4) 分析給水度/容水度的影響因素。,實驗六 毛細上升高度的測定1.目的意義,(1) 掌握實驗室測定巖石毛細上升高度的方法； (2)加深對毛細現(xiàn)象和毛細水的認識。 毛細水上升高度是水在疏松巖石孔隙中因毛管力的作用。以定的速度上升，直至達到毛管水上

17、升最大高度。 測定毛細水上升高度，對研究地下水的蒸發(fā)消耗以及土壤鹽漬化的形成，改良等有著重要的意義。地下水的入滲和蒸發(fā)都是毛管水通過靜水壓力來傳遞的。因此有必要對包氣帶中毛管水的上升高度、賦存，運移特征及其影響因素進行研究。,實驗六 毛細水上升高度的測定2基本原理,卡明斯基毛管上升高度測定儀是根據(jù)土中發(fā)生毛管水現(xiàn)象時，彎液面產(chǎn)生負壓力使毛管中靜水壓力小于大氣壓力，其所差之值相當于毛管水上升水柱高度乘以水的容重(水的容重等于1)，利用連通管測定毛管水上升高度的負壓水柱等于支持下降水柱高度的等壓面原理測得的。 毛管水能夠傳遞靜水壓力，是通過長、短管中的毛管力與支持毛管水上升高度水柱的重量相平衡的原

18、理進行實驗的。當?shù)玫饺霛B補給時飽水高度超過毛管水上升最大高度時，便要流出高出部分的重力水，直至達到毛管水最大上升高度為止。,實驗六 毛細水上升高度的測定3儀器設(shè)備,卡明斯基毛管儀 (1)試樣筒：直徑為46cm的玻璃管：高約為20cm、其底部有兩細管A、B。其中A管用于充水、排水、B管用于排氣；試樣筒底部鋪一金屬網(wǎng)或透水板，防止試樣流失。 (2)供水瓶 (3)U字型壓力計：以直徑為0.51.0cm的玻璃管連成U字型的壓力計，壓力計下部有個三通管。分別與壓力計，供水瓶、排水管C連結(jié)。 (4)標尺：標尺鑲在型壓力計玻璃管的的右側(cè)，標尺零點在上端與裝樣筒底部試樣在同一水平面上。 (5)搗棒.,實驗六

19、毛細水上升高度的測定目的意義,卡明斯基長、短管裝置: 其厚壁玻璃管內(nèi)徑23cm，長管長為60100cm三根，短管長為1020cm，上有精度為1mm的刻度，零點在下端，管下端用金屬網(wǎng)縛住。,實驗六 毛細水上升高度的測定4. 實驗步驟,卡明斯基毛管儀的實驗步驟 (1)將試樣裝入試樣瓶中約10cm。裝樣時分 數(shù)次進行，并分層搗實。如采用原狀土樣，可切成與試樣簡直徑相同，高約10cm的土柱裝入試樣筒中，四周孔隙用蠟密封，不使漏氣； (2)打開A、B管，關(guān)上C管，逐漸使土樣被水飽和至表面出現(xiàn)水膜為止。土樣飽和需緩慢進行。排盡管內(nèi)空氣，至管B中流出的水無氣泡時，關(guān)閉B管，試樣上部出現(xiàn)水膜時關(guān)閉A管。 (3

20、)慢慢松開C管夾，把水流控制在每秒12滴。使右側(cè)壓管水面緩緩下降，記下管內(nèi)水面停止下降接著突然上升時刻的測壓管中水面對應(yīng)標尺的讀數(shù)。即為毛細水上升高度HK。 (4)重復(fù)上述步驟，測定HK值，取其算術(shù)平均值。若兩次試驗結(jié)果相差太大，應(yīng)重復(fù)實驗。,實驗六 毛細水上升高度的測定4. 實驗步驟,卡明斯基管的實驗步驟 (1)將欲測粗、中、細砂樣分別裝入三個玻璃管中，每裝入23cm高度的砂時，用棒輕輕搗實之。 (2)將裝滿砂樣的玻璃管用萬能表夾夾上后固定在支架上，其下端插入水槽內(nèi)中部。 (3)注水入槽時，使水面高出管下端0.51cm。試驗過程中用馬氏瓶供水，保持水槽中水面不變。 (4)注水入槽后，間隔2、

21、3、4、5、10、20、30、 60分鐘觀察玻璃管中土樣顏色的深淺，記錄各時刻毛管水上升高度值(高度從槽中水面算起)直至上升穩(wěn)定為止。將所測時間及毛管水上升值記錄在表4-1中。,實驗六 毛細水上升高度的測定4. 實驗步驟,實驗六 毛細水上升高度的測定4. 實驗步驟,長短管實驗步驟: (1) 取一支10cm短管，均勻密實裝填欲測試樣至8cm。該試樣最大毛管上升高度應(yīng)小于長管長度，而大于短管長度。放入盛有顏色水的量杯中。使之被毛管水所飽和，之后取出擦凈管外壁的水，放到支架上，下端放空量筒。然后在試樣面上加水10ml，記錄管下流出水量，顏色以及管上端白山水面消失與管下端無水流出的時間關(guān)系。 (2)

22、取長，短管各一支，均勻密實裝填同樣試樣與管口齊平。短管放入內(nèi)盛顏色水的量杯，使之飽和。長管放入盛無色水的水槽。使之毛管水上升至穩(wěn)定為止。 (3) 取出長、短管、擦凈外壁，然后，將長管下端緊壓在短管上端，使其密接，下端用量筒接滴水。滴水停止后，記下流出水量及顏色。,實驗六 毛細水上升高度的測定5.作業(yè)要求,(1) 用卡明斯基毛管儀測定毛管上升高度時，為什么取當測壓管水面下降停止，然后突然回彈上升時刻的高度為最大毛管上升高度Hk ? (2) 利用粗、中、細砂最大毛管上升高度的實驗結(jié)果，簡述影響毛管水上升高度的因素。試樣瓶及側(cè)壓管的直徑大小, 對測定結(jié)果有否影響? (3) 根據(jù)表41資料，繪制毛管水

23、上升高度與時間的關(guān)系曲線(用h作縱坐標)。近于拋物線， (常值)，m值通常大于2，且常值m隨試樣而異。根據(jù) 式，說明毛管水運動的特征。 (4) 用現(xiàn)象來說明毛管水是怎樣傳遞靜水壓力的。 (5) 長、短管未相接前，為什么不滴水?相接后為什么又滴水？滴出的水量相當于原先那一個管里的水?,實驗七 滲壓實驗-1.目的意義,(1) 掌握實驗室方法開采條件下的滲透系數(shù)的方法； (2) 了解滲透系數(shù)的影響因素及變化特征。 由于土體在地下不同深度處，其壓密程度是不同的，當試樣從地下取至地面后，由于上覆土層自重壓力的解除，試樣體積將會發(fā)生膨脹，使土體孔隙加大，導(dǎo)致滲透系數(shù)K增大，為了恢復(fù)土樣的天然狀態(tài)，可向試樣

24、施加一與自重壓力相當?shù)墓探Y(jié)壓力，待固結(jié)穩(wěn)定后，即認為土樣恢復(fù)了天然狀態(tài)，再進行滲透試驗，即得到天然狀態(tài)下的滲透系數(shù)K。如果按不同深度上的自重壓力，逐級加荷、固結(jié)穩(wěn)定，進行滲透實驗，則可得到天然狀態(tài)下的含水層滲透系數(shù)剖面。對取得開采條件下的滲透系數(shù)有實際意義。,實驗七 滲壓實驗-2.實驗原理,滲壓儀即可模擬試樣的天然狀態(tài)，它采用純氣壓加荷穩(wěn)壓系統(tǒng)，由空壓機通過壓力控制器向試樣施加固結(jié)壓力，固結(jié)壓力的大小，通過調(diào)壓閥調(diào)節(jié)，精密壓力表監(jiān)控，固結(jié)過程由百分表監(jiān)測土樣的變形量。 滲壓儀的滲壓系統(tǒng)可造成一個水頭差，使水在土樣中呈層流運動，同時可以通過施加滲透壓力、加快滲透速度，實驗時的滲透流量，、過水斷面

25、以及滲透路徑均可直接測得，滲壓實驗在滲透過程中水頭是隨時間變化的變永頭。,實驗七 滲壓實驗-2.實驗原理,流量方程的微分形式 ： 變換后得： 式中：K 滲透系數(shù)(cms)； f 計量管面積(cm2)； L 試樣高度，即滲透路徑(一般為2cm)； F 試樣面積，即過水斷面面積(一般為30cm2)； T 滲透時間（s）； H1 初始水頭(cm) ； H2 末刻水頭(cm)； h 任意時刻t的水頭 (cm)。,實驗七 滲壓實驗-3.實驗儀器與工作原理,滲壓儀工作原理 (1) 動力系統(tǒng)：儀器的動力系統(tǒng)是空壓機，空壓機由壓力控制器控制，將空氣壓縮到儲氣筒，由壓力表監(jiān)測其壓力的大小。 (2) 加荷系統(tǒng)(固結(jié)試驗部分)：調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，使儲氣簡中的氣通過管道，輸出裝有滾動隔膜的氣缸，推動加壓活塞向試樣施加固結(jié)壓力，其壓力大小由精密壓力表