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1、水文地质学基础课程实验,实验一、地表水流速量测（毕托管）实验 实验二、给水度、孔隙度、持水度测定实验 实验三、饱水带地下水渗流实验-达西实验 实验四、潜水模拟演示实验 实验五、承压水模拟演示实验,实验一、地表水流速量测（毕托管）实验,一、实验目的 1通过本次实验，掌握基本的测速工具（毕托管）的性能和使用方法。 2加深对明槽水流流速分布的认识，并绘制垂线流速分布图，计算垂线平均流速。 二、仪器设备 毕托管、比压计及水槽简图如图。,三、实验原理 毕托管是由两根同心圆组成的管体和A、B两个引管所组成。引管A与毕托管头部顶端小孔相连，引管B与离毕托管头部顶端为3d的断面上的环形孔相通。A、B引管与比压
2、计相连。由于环形孔与毕托管管体的表面垂直，因此它所测得的是不含水流动能的总势能z+p/；而引管A连接的顶端小孔由于正对流向，此处为水流的驻点，它所测得的是包括水流动能在内的总机械能z+p/ +u2/2g。当比压计测压牌垂直放置时，测压牌上所反映的两测压管液面差 即为测点的流速水头。 为了提高量测的精度，将测压牌倾斜角，若两测压管液面之间的读数差为L，则有h=Lsin，从而可以求得测点的流速表达式： 式中： C流速修正系数，对不同结构的毕托管，其值由实验率定确定。本实验使用的毕托管，经率定C=0.999。,实验一、地表水流速量测（毕托管）实验,将所测得的同一垂线各点流速，按选定的比例尺画在坐标纸
3、上。槽底的流速为零，水面的流速矢端为水面以下各点流速矢端连线向上顺延与水面相交的那一点。由水深线及各点流速矢端所围成的矢量图，即为垂线流速分布图，如图所示。显然，流速分布图的面积除以水深h，就是垂线的平均流速 ，其表达式为： 式中 垂线平均流速（cm/s）； w垂线流速分布图的面积（cm2）； h水深（cm）。,实验一、地表水流速量测（毕托管）实验,四、实验步骤 1确定全关阀门，然后接通水泵和涡轮流量数字积算仪的电源。 2缓慢打开水槽的进水阀门，调节尾门，将水深控制在15厘米左右。 3用测针测得水深h。如图所示，在断面垂线上布置5个测点。毕托管最高点宜在水面以下2厘米，最低点为毕托管的半径(0
4、.4厘米)，其余各点均分布在其中。 4按所布置的垂线及测点位置逐步进行测量。例如：把毕托管放到槽底，同时测读固定毕托管测杆标尺上的读数，稍待稳定后，再测读比压计上的读数 ， 这就完成了第1个测点的工作。然后将毕托管依次提升，直至水面下2厘米那一点为止。 5将测得的数据进行分析、整理，并按一定的比例在坐标纸上点绘垂线上流速分布图。,实验一、地表水流速量测（毕托管）实验,五、注意事项 1测速之前，首先要对毕托管、比压计进行排气。排气方法：将毕托管置于防气盒中，从比压计三通管注入有一定压力的水流，使水和空气由毕托管喷出，冲水约3分钟左右并使毕托管淹没于防气盒中。然后打开三通管，在大气压强作用下比压计
5、测管中的水面下降，待降到便于测读的位置时，用止水夹夹紧三通管。待静止稳定后比压计两测管中的水面应该齐平，否则要稍作整平或重新冲水排气，直至两管水面齐平后去掉防水盒方可进行测速工作。 2实验过程中，为防止进气，毕托管不得露出水面。实验结束后，将毕托管放入防气盒静水中，检查是否进气，若比压计两管水面不平，说明所测数据有误差，应重新冲水排气，重新进行测量。 3毕托管管体必须正对流向。 4测读时，视线应垂直于比压计的倾斜面，读取弯液面的最低点读数，当测管中的水面上下脉动时，读取平均值。,实验一、地表水流速量测（毕托管）实验,六、实验成果 1已知数据 水槽宽度B=10(cm)。毕托管直径d=0.8(cm
6、)。比压计倾斜角30。重力加速度g=980(cm/s2)。 2实测数据与计算 槽底测针读数 厘米；测针尖接触水面时的读数 厘米； 测针量得水深h= 厘米。 3将所测得实验数据填入实验记录表（1-1）中。 4根据已知数据和实测与计算的数据在坐标纸上点绘垂线上流速分布图。,实验一、地表水流速量测（毕托管）实验,表1-1 垂线流速分布测定表,实验一、地表水流速量测（毕托管）实验,L=,实验一、地表水流速量测（毕托管）实验,七、思考问题 1毕托管、比压计排气不净，为什么会影响量测精度？ 2为什么必须将毕托管正对来流方向？如何判断毕托管是否正对了流向？ 3比压计安放位置的高低，是否影响量测数据？为什么？
7、,实验二 给水度、孔隙度、持水度测定实验,一、实验目的 1加深理解松散岩石的孔隙度、给水度和持水度的概念。 2熟练掌握实验室测定孔隙度、给水度和持水度的方法。 3熟悉给水度仪并对仪器进行标定。 4测定三种松散岩石试样的孔隙度、给水度和持水度。 二、仪器设备 1给水度仪。 2十二指肠减压器，或大号吸耳球，用以抽吸气体。 3量筒(25ml)和胶头滴管。 4松散岩石试样：砾石（粒径为510mm，大小均匀，磨圆好）；砂（粒径为0.45mm0.6mm）；砂砾混合样（指把上述砂样完全充填进砾石样的孔隙中得到的一种新试样）。,实验二 给水度、孔隙度、持水度测定实验,1装样筛；2筛板；3试样筒；4透水石；5固
8、定连接板；6试样筒底部漏斗；7弹簧夹；8硬塑料管；9滴定管；10三通管,1H为三通管液面到透水石底面的距离； 2三通管液面,三、实验室准备工作 1标定透水石的负压值 透水石是用一定直径的砂质颗粒均匀胶结成的多孔板。透水石的负压值是指在气、液、固三相介质界面上形成的弯液面产生的附加表面压强。标定方法如下： 首先，饱和透水石并使试样筒底部漏斗充满水（最好用去气水，即通过加热或蒸馏的方法去掉水中部分气体后的水）。具体做法是：将试样筒与底部漏斗一起从开关a处卸下，浸没于水中并倒置，将漏斗管口与十二指肠减压器抽气管连接，抽气使透水石饱水，底部漏斗全充满水。用弹簧夹在水中封闭底部漏斗管，倒转试样筒，将装有
9、水(可以不满)的试样筒放回支架。同时打开a、b两开关，在两管口同时流水的情况下连接塑料管。关闭a、b开关，倒去试样筒中剩余的水，将A滴定管液面调至零刻度，并与透水石底面水平。,实验二 给水度、孔隙度、持水度测定实验,第二步，测定透水石的负压值。打开a、b开关，缓慢降低A滴定管，同时注意观测其液面的变化。当滴定管液面突然上升时，立刻关闭b开关。此时滴定管液面到透水石底面的高度就是透水石的负压值。 反复测定几次，选其中最小数值(指绝对值)作为实验仪器所采用的负压值。 2标定试样筒的容积 将试样筒装满水，用量筒或滴定管测出所装水的体积即为试样筒的容积。 （以上两步可以由实验室同志在实验课前做好。）,
10、实验二 给水度、孔隙度、持水度测定实验,四、实验原理 给水度就是饱水岩石在重力作用下，能从岩石中自由流出来的水的体积与整个岩石体积之比。在数值上相当于岩石饱和容水度（简称容水度）与最大分子水容度（持水度）之差。其计算公式为 。 孔隙度是指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。其计算公式为 。 持水度是指饱水岩石在重力作用下释水后，岩石中保持的水的体积与岩石体积之比。其计算公式为 。 式中： 水充满砂样孔隙的体积（进水量体积）（cm3）； 重力作用下，饱水砂中自由流出的水体积（退水量体积）（ cm3 ）； 饱水砂样的总体积（试样体积）（ cm3 ） 给水度、孔隙度和持水度的测定有两种
11、方法：体积法和差值法。体积法适用于碎石、砾和砂等粗粒岩土。差值法适用于砂、粉砂和粘性土等细粒岩土。 本实验要求掌握体积法测定砂的给水度、孔隙度和持水度。,实验二 给水度、孔隙度、持水度测定实验,五、实验步骤 1连接：将试样筒与滴定管装满水，同时打开a、b两开关，在两管口同时流水的情况下连接塑料管。关闭a、b开关，倒去试样筒中剩余的水。 2检查：试样筒与滴定管连接之后，检查仪器底部漏斗是否有气泡，如有气泡先要参照实验室准备工作中第1点进行排气，然后重复第1步。 3装样：装样前，将A滴定管液面调到零刻度，关闭a、b开关，用干布把试样筒内壁擦干（注意不要将干布接触透水石）。装砾石样和砂样时，不用安装
12、装样筛，直接将试样逐次倒入试样筒并轻振试样筒以保证试样密实，直至与试样筒口平齐。装砂砾混合样时，先按上述方法把砾石装满，再安装装样筛，将砂样从装样筛中漏入，直至完全充填砾石样孔隙。,实验二 给水度、孔隙度、持水度测定实验,4测定孔隙度：适当抬高滴定管，使其液面略高于试样筒口。打开a、b开关(同时用手表计时)，用b开关控制进水速度。试样饱水后立即关闭b开关。记下A滴定管进水量及饱水累计时间，填入（表2-1）。进水量(体积)与试样筒容积之比就是这种试样的孔隙度。 5测定给水度：将A滴定管加满水并装上三通管。用胶头滴管调整三通管液面。将B滴定管初始刻度调至100m1处。同时降低A、B滴定管后，打开b
13、开关，使从试样中退出的水沿三通管进入B滴定管。退水过程中，三通管液面到透水石底面的距离不得大于透水石的选用负压值。退水终止后，将退水量和累计退水时间记入（表2-1）。退水量（体积）与试样体积之比就是试样的给水度。 6重复上述3、4、5步骤，测定另两种试样的孔隙度和给水度（也可以分组测定不同试样，各组交换实验记录）。,实验二 给水度、孔隙度、持水度测定实验,六、注意事项 1防止仪器底部漏斗有气泡。 2自下往上饱和试样过程要缓慢，以避免砂样中残留气泡。 3测量水体积，要注意读数精确。 七、实验成果 完成实验成果（表2-1）,实验二 给水度、孔隙度、持水度测定实验,实验二 给水度、孔隙度、持水度测定
14、实验,表2-1 给水度、孔隙度和持水度实验记录表,报告人 班号 组号同组成员 实验日期 年 月 日,八、思考问题 1.从试样中退出的水是什么形式的水？退水结束后，试样中保留的水是什么形式的水？ 2.根据实验结果，分析比较松散岩石的孔隙度、给水度、持水度与粒径和分选的关系。,实验二 给水度、孔隙度、持水度测定实验,实验三：饱水带地下水渗流实验-达西实验,一、实验目的 1通过稳定流条件下的渗流实验，进一步理解渗流基本定律达西定律。 2了解达西实验装置，加深理解渗流速度、水力梯度、渗透系数之间的关系，并熟悉实验室测定渗透系数的方法。 二、实验仪器 1达西仪，分别装有不同粒径的均质试样：砾石（粒径51
15、0mm）；粗砂（粒径0.60.9mm）；砂砾混合（与的混合样）。 2秒表。 3量筒（100ml,500ml各一个）。 4直尺。 5计算器。,达西实验装置示意图 1试样；2进水开关；3出水管；4测压管；5仪器架；6排气管,实验三：饱水带地下水渗流实验-达西实验,三、实验原理 室内渗透系数测定是根据达西关于多孔介质中地下水的线性渗透定律而设计的。由达西定律, 在常水头条件下, 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： 测定不同试样的渗透系数。 式中：Q渗透流量（cm3）； 过水断面面积（cm2）； 上下游过水断面的水头差（cm）；L渗透途径（cm）；I水
16、力梯度。 由上式可推知， ，亦即，渗透系数在数值上等于水力坡度为1时，透过某单位过水断面的渗流量（亦即渗流速度）。,实验三：饱水带地下水渗流实验-达西实验,四、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（L）；记入（表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。 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。,
