《水文地质学基础》实验实习讲义

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1、1 实验部分实验部分实验一实验一、松散岩石孔隙度、持水度和给水度的测定松散岩石孔隙度、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

2、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1), 用以下两种方法均可求得其相应参数。( (一一) )、直接测定水量法、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

3、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)、 图图1 1 高柱仪测定装置高柱仪测定装置持水度(sr)和给水度()。 1 1高柱筒高柱筒 2 2橡胶管橡胶管 3 3橡皮塞橡皮塞 4 4金属网金属网( (二二) )、间接测定水量法、间接测定水量法 5 5调流量管夹调流量管夹 6 6接水桶接水桶 7 7供水瓶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

4、, 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()。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、测定装置三、测定装置(图1)及所用器具及所用器具漏斗、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、测定步骤四、测定步骤21、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

5、，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2 和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2 和3。之后将试样按步骤 2 方法重新

6、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2, 之后放入瓷盘中待烘。8、将接水塑料桶放在

7、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2 和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1。12、将供

8、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五、实验数据记录与整理1、 直接测定水量法 表1 直接测定水量法实验数据记录表实 验 次 数加入 瓶的 水量 V加水瓶内 剩余 水量 V剩水试样 饱和 水量 V饱水试样 排出 水量 V排水试样 的持 水量 V持水试样 的总 体积 V干试样实测 的孔 隙度n实测 的给 水度实测 的持 水度Sr3注：表中体积单位：cm32、 间接测定水量法实验数据记录表表2 测定孔隙度数据记录表 实 验 次 数样 品 编 号

9、湿样 加盒 重量(q3)干样 加盒 重量(q4)样品 盒的 重量(q0)饱和 样含 水率(1)饱和 样水 体积 (V饱水)实测 的孔 隙度(%)平 均 值试样的总重量 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3 测定持水度数据记录表实 验 次 数测 孔 编 号样 品 盒 号湿样 加盒 重量(q1)干样 加盒 重量(q2)样品 的盒 重量(q0)样品 的含 水率(2)样品 含水 体积 (V持水)实测 的持 水度(%)平 均 值 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

10、算六、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 + 其中：n =(V饱水/ V干试样)100%Sr =(V持水/ V干试样)100% =(V排水/ V干试样)100%q3 q41 = q4 q04q1 q22 = q2 q0V饱水= 1W干试样 /水 V持水 = 2W干试样 /水 上式中：W干试样为高柱仪内干试样总重量；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 各公式求得其结果。七、实验中注意事项七、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

11、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？5实验二、达西渗流实验实验二、达西渗流实验( (岩石渗透系数的实验室测定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

12、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()、水力坡度(I)成正比：Q = KI 或 V = KI 上式中 Q、I 均可在试验中测 得, 则渗透

13、系数 K 也就求出。三、测定装置三、测定装置(图2)及所用器具及所用器具水平尺、量筒、秒表、盒尺、捣棒、 图图2 2 达西仪装置图达西仪装置图水位调节器、达西仪、测水头板。 1 1试样试样 2 2进水开关进水开关 3 3出水管出水管四、测定步骤四、测定步骤 4 4测压管测压管 5 5仪器支架仪器支架 6 6排气口排气口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

14、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

15、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4 。610、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、实验数据记录表五、实验数据记录表表表4 岩石渗透系数的实验室测定数据记录表测 压 管 的 水 位(cm)实 验 次 数测 流 量 时 间(s)实测 的水 体积