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1、地下水水文学地下水水文学Groundwater Hydrology 讲授：杜发兴讲授：杜发兴吉林大学环境与资源学院吉林大学环境与资源学院水文水资源系水文水资源系20052005年年1010月月10/29/20221地下水水文学实验地下水水文学实验 实验实验一一 达西达西实验实验实验实验二二 持水度持水度测测定定实验实验三三 含水率剖面含水率剖面实验实验四四 孔隙度孔隙度测测定定实验实验五五 给给水度水度测测定定实验实验六六 毛毛细细水上升高度的水上升高度的测测定定实验实验七七 渗渗压实验压实验10/29/20222实验一实验一 达西定律达西定律-1.-1.目的意义目的意义 (1)掌掌握握实实验
2、验室室测测定定岩岩石石渗渗透透系系数数的的方方法法，加加深深对对岩岩石石渗渗透透系系数数的认识。的认识。(2)验证达西定律，从而提高对直线渗透定律的理解。验证达西定律，从而提高对直线渗透定律的理解。岩岩石石渗渗透透系系数数是是定定量量描描述述岩岩石石透透水水性性能能的的物物理理指指标标，岩岩石石空空隙隙越越大大、连连通通性性越越好好，则则渗渗透透系系数数越越大大，单单位位时时间间内内通通过过过过水水断断面面的的水水量量越越多多。其其物物理理含含义义是是当当水水力力坡坡度度等等于于1时时，渗渗透透系系数数就就等等于于渗渗透透速速度度。渗渗透透系系数数是是进进行行井井孔孔、矿矿坑坑涌涌水水量量及及
3、水水库库，渠道渗流量计算时不可缺少的重要水文地质参数。渠道渗流量计算时不可缺少的重要水文地质参数。确确定定渗渗透透系系数数的的方方法法很很多多，在在野野外外常常用用井井孔孔抽抽水水，注注水水及及试试坑坑渗渗水水、压压水水试试验验等等方方法法。所所得得资资料料可可靠靠精精度度高高，但但效效率率低低，成成本本高高。在在室室内内常常用用达达西西仪仪，戚戚姆姆仪仪及及渗渗压压仪仪等等方方法法测测定定。本本次实验采用达西仪测定岩石的渗透系数。次实验采用达西仪测定岩石的渗透系数。10/29/20223实验一实验一 达西定律达西定律-2.-2.仪器设备仪器设备 达西仪共由四部分组成。达西仪共由四部分组成。(
4、1)(1)供供水水器器装装置置（马马氏氏瓶瓶）：以以法法国国物物理理学学家家MariotteMariotte的的马马利利奥奥特特瓶瓶装装置置，是是一一种种能能控控制制水水位位又又能能自自动动连连续续补补给给水水的的量量测测装装置。置。(2)(2)渗渗透透装装置置（试试样样筒筒）：有有机机玻玻璃璃园园桶桶，上上部部设设有有进进水水孔孔，底底部部装装有有过过滤滤筛筛板板，下下端端有有出出水水孔孔，供供测测量量渗渗流流量量用用。侧侧面面有有三个侧压孔。三个侧压孔。(3)(3)测测压压装装置置（测测压压板板和和测测压压管管）：在在测测压压板板上上装装有有三三根根5-5-8cmm8cmm带带刻刻度度的的
5、玻玻璃璃管管，分分别别与与试试样样筒筒上上的的三三个个测测压压孔孔连连接接，测测定定三三个个断断面面上上的的测测压压水水位位用用。三三个个测测压压管管用用胶胶管管分分别别与与试试样样筒筒相相应应的的管管孔孔联联结结。其其它它设设备备有有100m1100m1的的量量筒筒、水水槽槽、漏漏斗斗、捣捣捧捧、装样杯、秒表、温度计、管夹、胶皮管及吸气球等。装样杯、秒表、温度计、管夹、胶皮管及吸气球等。(4)(4)排排水水装装置置：在在测测压压板板上上均均匀匀分分布布有有一一系系列列的的圆圆孔孔，用用于于调调节排水水位。节排水水位。10/29/20224实实验验一一 达达西西定定律律2 2 仪仪器器设设备备
6、 马氏瓶马氏瓶试样筒试样筒测压板测压板测压管测压管排水装置排水装置10/29/20225实验一实验一 达西定律达西定律-3.-3.实验步骤实验步骤 (1)(1)检检查查仪仪器器设设备备是是否否齐齐全全，完完好好：胶胶管管与与仪仪器器连连结结处处是是否否漏漏气气漏水或堵塞。漏水或堵塞。(2)(2)装装样样；在在装装样样前前在在过过滤滤筛筛板板上上放放二二层层滤滤纸纸，然然后后装装样样，每每装装35cm35cm厚厚时时，均均用用捣捣捧捧轻轻击击数数次次，并并测测定定试试样样的的孔孔隙隙度度或或容容重重使使其其结结构构尽尽量量符符合合实实地地的的状状态态。重重复复上上述述过过程程，直直至至试试样样超
7、超过过最最上上一一个个测测压压孔以上孔以上5cm5cm为止。为止。(3)(3)饱饱和和试试样样，将将排排水水水水位位调调节节高高于于试试样样水水面面，打打开开供供水水管管夹夹，待待试试样样表表面面出出现现水水膜膜时时立立即即关关闭闭供供水水夹夹，观观察察试试样样筒筒及及三三个个侧侧压压管管水水位位是是否否在在同同一一水水平平面面上上(1mm(1mm为为准准)；如如果果没没有有则则说说明明气气泡泡没没有有排排尽尽或或侧侧压管被堵塞，需将侧压板倾斜或用吸气球从低水位管中吸出水为止。压管被堵塞，需将侧压板倾斜或用吸气球从低水位管中吸出水为止。(4)(4)实实验验测测定定：打打开开供供水水管管夹夹调调
8、节节排排水水水水位位，当当侧侧压压管管水水位位稳稳定定后后(30(30秒秒钟钟内内水水位位变变动动1mm)1mm)，记记录录各各侧侧压压水水位位值值(读读弯弯液液面面下下缘缘高高度度)，同同时时测测定定在在时时间间t t秒秒钟钟内内出出水水管管的的渗渗透透量量及及水水温温TT。重重复复测测定定二二次次取取其其平平均均值值。然然后后再再调调节节二二次次排排水水水水位位(即即改改变变I)I)，如如同同前前述述测测得得二二次次调调节节后后的的各各值值。调调节节时时应应逐逐级级上上升升或或依依次次下下降降，不不要要跳跳跃跃式式的的上上升升或或下降，以免冲坏试样原有结构。下降，以免冲坏试样原有结构。10
9、/29/20226实验一实验一 达西定律达西定律-3.-3.实验步骤实验步骤 最最后后测测量量试试样样筒筒内内径径d及及测测压压孔孔间间距距L1、L2并并将将三三次次不不同同排排水水水水位位时时，所所测得数据一一填入记录表测得数据一一填入记录表11 仪器内径仪器内径Dcm班级：班级：渗透土柱断面面积渗透土柱断面面积Fcm2试验者：试验者：测压间距测压间距Lcm日期：日期：表表1-1 达西实验记录表达西实验记录表10/29/20227实验一实验一 达西定律达西定律-4-4作业要求作业要求1.计算渗透系数（计算渗透系数（K）根据达西公式，根据达西公式，(11);(12)式中：K试样的渗透系数（cm
10、/s）；v渗透速度（cm/s）；Q渗透流量（cm3/s）；t测流的时间段（s）；W在t秒时间段内测得的渗透量（cm3）；F过水断面积（cm2）；d试样圆筒的内径即试样柱的直径（cm）；I水力坡度：h1,h2,h3分别为侧压管1,2，3的相对水位（cm）；L1,L2分别为侧压孔1,2,3孔的间距（cm）。;10/29/20228实验一实验一 达西定律达西定律-4-4作业要求作业要求n2、渗透系数温度校正计算。n地下水的渗透速度不仅与岩石本身的性质有关，而且还与水温和动力粘滞系数有关，因此在计算温热矿水或预测不同水温的渗透系数时，应考虑水温的影响，现以校正成水温为10时为例对渗透系数校正计算，其计
11、算公式为：n式中：K0，K10,KT分别为水温在10；T的渗透系数。n t0，t10,t tT 分别为水温在10；T的温度校正系数。nm0，m10,m mT分别为水温在0；10；T的水的动力粘滞系数，根据普阿杰里表，直接查得。；10/29/20229实验一实验一 达西定律达西定律-4-4作业要求作业要求10/29/202210实验一实验一 达西定律达西定律-4-4作业要求作业要求10/29/202211实验二实验二 持水度持水度/含水率的测定含水率的测定-1.-1.目的意义目的意义 1.1.通通过过实实验验，加加深深对对持持水水性性、持持水水度度概概念念的的理理解解，以以及及持持水度与含水率的
12、根本区别。水度与含水率的根本区别。2.2.掌握实验室测定持水度的基本方法和步骤。掌握实验室测定持水度的基本方法和步骤。岩岩石石的的持持水水性性是是指指饱饱水水岩岩石石在在重重力力作作用用下下释释水水时时，由由于于岩岩石石颗颗粒粒表表面面与与水水分分子子间间的的分分子子吸吸引引力力及及孔孔隙隙毛毛管管力力的的作作用用，使使一部分水份仍能保持在孔隙中的这种性能。一部分水份仍能保持在孔隙中的这种性能。岩岩石石持持水水性性大大小小的的定定量量指指标标以以持持水水度度来来表表示示，即即为为饱饱水水岩岩石石经经释释水水后后所所能能保保持持水水的的重重量量与与其其岩岩石石的的重重量量之之比比值值。也也可可称
13、称为为最最大大分分子子持持水水度度，在在支支持持毛毛管管水水带带内内所所测测得得的的持持水水度度叫叫毛毛管管持水度持水度。10/29/202212实验二、三实验二、三 持水度持水度/含水率的测定含水率的测定-1.-1.目的意义目的意义 持持水水度度是是饱饱水水岩岩石石经经天天然然或或人人工工排排水水疏疏干干自自由由重重力力水水时时的的含含水水率率，即即为为岩岩石石所所含含结结合合水水重重量量与与岩岩石石干干重重之之比比。其其值值大大小小仅仅取取决决于于岩岩性性、结结构构。相相同同粒粒度度、结结构构的的岩岩石石，持持水水度度应应接接近近于常值。于常值。含含水水率率的的大大小小除除与与岩岩性性、结
14、结构构外外还还与与岩岩石石所所处处的的自自然然环环境境、距距水水及及地地下下水水面面远远近近有有关关，随随垂垂向向剖剖面面由由上上至至下下，由由天天然然含含水水率率(最小值最小值)渐变到饱和含水率渐变到饱和含水率(最大值最大值)，其值相差非常悬殊。，其值相差非常悬殊。持持水水度度是是进进行行地地下下水水储储量量计计算算或或排排水水疏疏干干以以及及地地下下水水动动态态研研究究时时的的重重要要参参数数之之一一，在在加加强强田田间间土土壤壤水水分分管管理理增增产产增增收收及及道道路翻浆，冻胀研究工作中起着重要的作用。路翻浆，冻胀研究工作中起着重要的作用。10/29/202213实验二、三实验二、三
15、持水度的测定持水度的测定-1.-1.目的意义目的意义持水度与给水度持水度与给水度10/29/202214实验二、三实验二、三 持水度持水度/含水率的测定含水率的测定-2-2 仪器设备仪器设备 以以前前习习惯惯将将含含水水率率合合并并在在持持水水度度测测定定试试验验中中进进行行，选选用用高高柱柱仪仪。本本次次试试验验为为了了测测定定垂垂向向剖剖面面上上的的含含水水率率及及绘绘制制剖剖面面水水分分特征曲线，采用特征曲线，采用土柱仪土柱仪进行实验。进行实验。土土柱柱仪仪也也可可用用于于含含水水率率、给给水水度度的的测测定定，在在装装样样前前首首先先测测得得过过滤滤底底板板以以下下的的体体积积(或或密
16、密封封)，用用马马氏氏瓶瓶供供水水，测测得得试试样样体体积积和和充充水水至至试试样样表表面面出出现现水水膜膜为为止止时时，所所需需水水的的体体积积，又又可可用用注注水法测定试样的水法测定试样的孔隙度孔隙度。仪仪器器设设备备：恒恒温温烘烘箱箱(100105)(100105)，百百分分之之一一天天秤秤；称称样样铝盒，取样小勺，干燥器，装样杯及捣铝盒，取样小勺，干燥器，装样杯及捣棒等。棒等。10/29/202215实实验验二二、三三 持持水水度度的的测测定定2 2仪仪器器设设备备 土柱仪土柱仪马氏瓶马氏瓶供水供水夹夹排排水水夹夹10/29/202216实验二、三实验二、三 持水度持水度/含水率的测定
17、含水率的测定3.3.实验步骤实验步骤(1)装装样样：最最好好是是取取直直径径稍稍大大于于土土柱柱仪仪的的原原状状试试样样，边边削削边边装装入入园园筒筒中中。扰扰动动试试样样要要分分层层装装，每每装装35cm厚厚时时，均均用用捣捣棒棒轻轻击击数数次次，并并测测定定试试样样的的孔孔隙隙度度或或容容重重使使其其结结果果尽尽量量符符合合实实地的状地的状态态。重复上述。重复上述过过程直至程直至试样试样与土柱与土柱仪仪筒口一筒口一样样高高为为止。止。(2)饱饱水水和和释释水水：打打开开供供水水夹夹，向向土土柱柱中中充充水水。待待试试样样表表面面出出观观水水膜膜时时立立即即停停止止供供水水。充充分分饱饱水水
18、后后开开始始释释水水，排排尽尽柱柱仪仪中中自由重力水。自由重力水。(3)取取样样秤秤重重：记记录录最最终终水水位位，分分别别在在2，4，6，8，10，12，14，16及及18号号孔孔取取试试样样3050g左左右右，装装入入已已知知重重量量(g0)的的铝铝盒盒内内；立立即即盖盖好好盒盒盖盖(盖盖及及盒盒号号应应相相符符)，擦擦净净盒盒外外余余土土杂杂物物，用用天天秤秤称称得得盒盒及及湿湿土土重重量量(g1)，打打开开盒盒盖盖放放入入烘烘箱箱，在在105温温度下恒温度下恒温4小小时时以上，烘干。以上，烘干。10/29/202217实验二实验二 、三、三 持水度持水度/含水率的测定含水率的测定(4)
19、分分别别盖好相盖好相应应的盒盖，放入干燥器，冷却至室温，称得盒和的盒盖，放入干燥器，冷却至室温，称得盒和干干样样重量重量(g2)。(5)将称得盒重，盒及湿将称得盒重，盒及湿样样，盒及干，盒及干样样重量按孔号分重量按孔号分别别填入填入记录记录表表1-1。表表1-1 1-1 持水度试验记录表持水度试验记录表10/29/202218实验二、三实验二、三 持水度持水度/含水率的测定含水率的测定-4.-4.作业要求作业要求 (1)(1)含水率含水率(q q)的计算：的计算：将各孔试样计算的含水率逐一填入表将各孔试样计算的含水率逐一填入表1 11 1。(2)(2)绘绘制制剖剖面面水水分分分分布布曲曲线线h
20、 h q q，首首先先分分别别测测得得取取样样各各孔孔至至释释水水后后最最终终静静止止水水位位的的距距离离h(cm)(cm)，设设水水位位为为原原点点，以以距距离离h为为纵纵座座标标，以以含含水水率率(q q)为为横横座座标标，绘绘制制h hq q曲曲线线。曲曲线线上上q q值值变变化化不大的孔段范围内，不大的孔段范围内，q q的平均值即为持水度的平均值即为持水度(Sr)。(3)(3)分分析析h h q q曲曲线线的的特特征征和和拐拐点点，确确定定持持水水度度(最最大大分分子子持持水水度度)、毛管水及支持毛管水带的分布高度、毛管水及支持毛管水带的分布高度(cm)(cm)。10/29/20221
21、9实验二、三实验二、三 持水度持水度/含水率的测定含水率的测定-4.-4.作业要求作业要求 剖面水分分布曲线剖面水分分布曲线h h q q10/29/202220实验四、五实验四、五 给水度给水度/孔隙度的测定孔隙度的测定-1.-1.实验目的及意义实验目的及意义 （1 1）通通过过实实验验，加加深深对对岩岩土土容容水水性性/容容水水度度/孔孔隙隙度度、给给水水性性/给给水水度概念的理解，以及给水度与容水度的区别。度概念的理解，以及给水度与容水度的区别。（2 2）掌握实验室测定容水度）掌握实验室测定容水度/孔隙度孔隙度/给水度的基本方法和步骤。给水度的基本方法和步骤。给水度是衡量潜水含水层给水性
22、能大小的一个重要指标。给水度是衡量潜水含水层给水性能大小的一个重要指标。早早在在四四十十年年代代，苏苏联联学学者者提提出出：在在重重力力作作用用下下，单单位位体体积积饱饱水水岩岩石所排出重力水的体积，称为石所排出重力水的体积，称为重力给水度重力给水度。七七十十年年代代，著著名名的的地地下下水水水水力力学学家家提提出出新新概概念念潜潜水水水水位位下下降降单单位深度时下降水位以上单位横截面积土柱所排除的水量，称为位深度时下降水位以上单位横截面积土柱所排除的水量，称为给水度给水度。模模拟拟试试验验结结果果表表明明，前前者者仅仅适适用用于于理理想想的的砂砂砾砾石石（很很少少见见），这这就就限限制制了了
23、它它的的广广泛泛应应用用。后后者者不不仅仅适适用用于于任任何何粒粒度度的的孔孔隙隙岩岩石石，而而且且还还能能把把下下降降水水位位以以上上的的水水位位变变动动带带与与非非饱饱和和水水带带做做为为统统一一体体考考虑虑，反反映出饱和流和非饱和流之间的内在联系，应用范围广。映出饱和流和非饱和流之间的内在联系，应用范围广。10/29/202221实验四、五实验四、五 给水度给水度/孔隙度的测定孔隙度的测定-1.-1.实验目的及意义实验目的及意义 近近年年来来,在在上上述述研研究究成成果果基基础础上上，应应用用水水文文地地质质力力学学观观点点，分分析析作作用用在在潜潜水水含含水水层层上上界界面面自自由由水
24、水面面处处土土自自重重压压力力变变化化对对含含水水层层释释水水的的作作用用，经经多多次次模模拟拟试试验验得得知知：潜潜水水水水位位下下降降，不不仅仅会会引引起起下下降降水水位位以以上上(包包括括水水位位变变动动带带在在内内)的的整整个个非非饱饱水水带带的的排排水水，而而且且还还能能引引起起下下降降水水位位以以下下整整个个饱饱水水带带(含含水水层层)的的压缩变形，部分孔隙被挤出而称为压缩变形，部分孔隙被挤出而称为释水释水。潜潜水水含含水水层层的的给给水水度度，不不能能仅仅视视为为由由水水位位变变动动带带的的岩岩性性和和包包气气带带的的水水分分再再分分配配而而决决定定的的物物理理参参数数，而而是是
25、与与包包括括包包气气带带与与饱饱水带在内的整个含水柱体有关的经验参数水带在内的整个含水柱体有关的经验参数.10/29/202222实验四、五实验四、五 给水度给水度/孔隙度的测定孔隙度的测定-1.-1.实验目的及意义实验目的及意义潜水含水层的给水度潜水含水层的给水度 10/29/202223实验四、五实验四、五 给水度给水度/孔隙度的测定孔隙度的测定-1.-1.实验目的及意义实验目的及意义容水度容水度/孔隙度孔隙度10/29/202224实验四、五实验四、五给水度给水度/孔隙度的测定孔隙度的测定-1.-1.实验目的及意义实验目的及意义持水度与给水度持水度与给水度10/29/202225实验四、
26、五实验四、五 给给水度水度/孔隙度的孔隙度的测定测定-2-2仪器设仪器设备备 土柱仪土柱仪马氏瓶马氏瓶供水供水夹夹排排水水夹夹10/29/202226实验四、五实验四、五 给水度给水度/孔隙度的测定孔隙度的测定3.3.实验步骤实验步骤 (1)装装样样：最最好好原原状状试试样样；扰扰动动试试样样要要分分层层装装，每每装装35cm厚厚时时，均均用用捣捣棒棒轻轻击击数数次次，并并测测定定试试样样的的孔孔隙隙度度或或容容重重使使其其结结果果尽尽量量符符合合实实地地的的状状态态。重重复复上上述述过过程程直直至至试试样样与与土土柱柱仪仪筒筒口口一一样样高高为为止。止。(2)饱饱水水：打打开开供供水水夹夹，
27、向向土土柱柱中中充充水水。待待试试样样表表面面出出观观水水膜膜时时立即停止供水立即停止供水；量测并记录饱和干燥试样所用的水体积；量测并记录饱和干燥试样所用的水体积Vn。(3)释释水水：充充分分饱饱水水后后，打打开开排排水水夹夹开开始始释释水水，排排尽尽土土柱柱仪仪中中自由重力水自由重力水，采用量杯量测并记录所排出的水体积，采用量杯量测并记录所排出的水体积Vw。测测量量土土柱柱仪仪直直径径D(半半径径r)、偶偶数数编编号号各各孔孔高高度度(hi)、土土柱柱高高度度(Hw)。10/29/202227实验四、五实验四、五 给水度给水度/孔隙度的测定孔隙度的测定4.4.作业要求作业要求(1)(1)计算
28、岩土的孔隙度计算岩土的孔隙度n n：n=Vn=Vn/V/Vt,V,Vt=3.1415r=3.1415r2 2HHw式中式中V Vn饱和干燥试样所用的水体积；饱和干燥试样所用的水体积；Vt 土柱仪中土柱的总体积；土柱仪中土柱的总体积；(2)(2)计算岩土的给水度计算岩土的给水度m m：m m=V=Vw/V/Vt,V,Vt=3.1415r=3.1415r2 2HHw 式中式中V Vw饱和土柱在重力作用下完全排水所排出的重力水体积；饱和土柱在重力作用下完全排水所排出的重力水体积；Vt 土柱仪中土柱的总体积；土柱仪中土柱的总体积；(3)成果检验：成果检验：m m+Sr=n （砂土）；（砂土）；m m+
29、nd+Sr=n（粘土）（粘土）若测得饱和重量含水量若测得饱和重量含水量q q s和干容重（干密度）和干容重（干密度）g gd，则有，则有 n=n=g gd q q s (4)分析给水度分析给水度/容水度的影响因素。容水度的影响因素。10/29/202228实验六实验六 毛细上升高度的测定毛细上升高度的测定1.1.目目的意义的意义(1)掌握实验室测定岩石毛细上升高度的方法；掌握实验室测定岩石毛细上升高度的方法；(2)加深对毛细现象和毛细水的认识。加深对毛细现象和毛细水的认识。毛毛细细水水上上升升高高度度是是水水在在疏疏松松岩岩石石孔孔隙隙中中因因毛毛管管力力的的作作用用。以以定的速度上升，直至达
30、到毛管水上升最大高度。定的速度上升，直至达到毛管水上升最大高度。测测定定毛毛细细水水上上升升高高度度，对对研研究究地地下下水水的的蒸蒸发发消消耗耗以以及及土土壤壤盐盐渍渍化化的的形形成成，改改良良等等有有着着重重要要的的意意义义。地地下下水水的的入入渗渗和和蒸蒸发发都都是是毛毛管管水水通通过过静静水水压压力力来来传传递递的的。因因此此有有必必要要对对包包气气带带中中毛毛管管水水的的上上升升高高度度、赋赋存存，运运移移特特征征及及其其影影响响因因素素进行研究。进行研究。10/29/202229实验六实验六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定22基本原理基本原理 卡卡明明斯斯基基毛毛管管上上
31、升升高高度度测测定定仪仪是是根根据据土土中中发发生生毛毛管管水水现现象象时时，弯弯液液面面产产生生负负压压力力使使毛毛管管中中静静水水压压力力小小于于大大气气压压力力，其其所所差差之之值值相相当当于于毛毛管管水水上上升升水水柱柱高高度度乘乘以以水水的的容容重重(水水的的容容重重等等于于1)，利利用用连连通通管管测测定定毛毛管管水水上上升升高高度度的的负负压压水水柱柱等等于于支支持持下下降降水水柱柱高度的等压面原理测得的。高度的等压面原理测得的。毛毛管管水水能能够够传传递递静静水水压压力力，是是通通过过长长、短短管管中中的的毛毛管管力力与与支支持持毛毛管管水水上上升升高高度度水水柱柱的的重重量量
32、相相平平衡衡的的原原理理进进行行实实验验的的。当当得得到到入入渗渗补补给给时时饱饱水水高高度度超超过过毛毛管管水水上上升升最最大大高高度度时时，便便要要流流出出高出部分的重力水，直至达到毛管水最大上升高度为止。高出部分的重力水，直至达到毛管水最大上升高度为止。10/29/202230实验六实验六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定33仪器设备仪器设备 卡明斯基毛管仪卡明斯基毛管仪(1)试试样样筒筒：直直径径为为46cm的的玻玻璃璃管管：高高约约为为20cm、其其底底部部有有两两细细管管A、B。其其中中A管管用用于于充充水水、排排水水、B管管用用于于排排气气；试试样样筒筒底底部铺一金属网或
33、透水板，防止试样流失。部铺一金属网或透水板，防止试样流失。(2)供水瓶供水瓶(3)U字字型型压压力力计计：以以直直径径为为的的玻玻璃璃管管连连成成U字字型型的的压压力力计计，压压力力计下部有计下部有个三通管。分别与压力计，供水瓶、排水管个三通管。分别与压力计，供水瓶、排水管C连结。连结。(4)标标尺尺：标标尺尺镶镶在在型型压压力力计计玻玻璃璃管管的的的的右右侧侧，标标尺尺零零点点在在上上端端与装样筒底部试样在同一水平面上。与装样筒底部试样在同一水平面上。(5)捣棒捣棒.10/29/202231实验六实验六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定目目的意义的意义卡明斯基长、短管装置卡明斯基长、
34、短管装置:其其厚厚壁壁玻玻璃璃管管内内径径23cm，长长管管长长为为60100cm三三根根，短短管管长长为为1020cm，上上有有精精度度为为1mm的的刻刻度度，零零点点在在下下端端，管管下下端端用用金属网缚住。金属网缚住。10/29/202232实验六实验六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定4.4.实验步骤实验步骤卡明斯基毛管仪的实验步骤卡明斯基毛管仪的实验步骤 (1)将将试试样样装装入入试试样样瓶瓶中中约约10cm。装装样样时时分分 数数次次进进行行，并并分分层层捣捣实实。如如采采用用原原状状土土样样，可可切切成成与与试试样样简简直直径径相相同同，高高约约10cm的土柱装入试样筒中
35、，四周孔隙用蜡密封，不使漏气；的土柱装入试样筒中，四周孔隙用蜡密封，不使漏气；(2)打打开开A、B管管，关关上上C管管，逐逐渐渐使使土土样样被被水水饱饱和和至至表表面面出出现现水水膜膜为为止止。土土样样饱饱和和需需缓缓慢慢进进行行。排排尽尽管管内内空空气气，至至管管B中中流流出出的水无气泡时，关闭的水无气泡时，关闭B管，试样上部出现水膜时关闭管，试样上部出现水膜时关闭A管。管。(3)慢慢慢慢松松开开C管管夹夹，把把水水流流控控制制在在每每秒秒12滴滴。使使右右侧侧压压管管水水面面缓缓缓缓下下降降，记记下下管管内内水水面面停停止止下下降降接接着着突突然然上上升升时时刻刻的的测测压压管中水面对应标
36、尺的读数。即为毛细水上升高度管中水面对应标尺的读数。即为毛细水上升高度HK。(4)重重复复上上述述步步骤骤，测测定定HK值值，取取其其算算术术平平均均值值。若若两两次次试试验验结果相差太大，应重复实验。结果相差太大，应重复实验。10/29/202233实验六实验六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定4.4.实验步骤实验步骤 卡明斯基管的实验步骤卡明斯基管的实验步骤 (1)将将欲欲测测粗粗、中中、细细砂砂样样分分别别装装入入三三个个玻玻璃璃管管中中，每每装装入入23cm高度的砂时，用棒轻轻捣实之。高度的砂时，用棒轻轻捣实之。(2)将将装装满满砂砂样样的的玻玻璃璃管管用用万万能能表表夹夹夹夹
37、上上后后固固定定在在支支架架上上，其其下端插入水槽内中部。下端插入水槽内中部。(3)注注水水入入槽槽时时，使使水水面面高高出出管管下下端端0.51cm。试试验验过过程程中中用用马马氏瓶供水，保持水槽中水面不变。氏瓶供水，保持水槽中水面不变。(4)注注水水入入槽槽后后，间间隔隔2、3、4、5、10、20、30、60分分钟钟观观察察玻玻璃璃管管中中土土样样颜颜色色的的深深浅浅，记记录录各各时时刻刻毛毛管管水水上上升升高高度度值值(高高度度从从槽槽中中水水面面算算起起)直直至至上上升升稳稳定定为为止止。将将所所测测时时间间及及毛毛管管水水上上升升值记录在表值记录在表4-1中。中。10/29/2022
38、34实验六实验六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定4.4.实验步骤实验步骤10/29/202235实验六实验六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定4.4.实验步骤实验步骤长短管实验步骤长短管实验步骤:(1)取取一一支支10cm短短管管，均均匀匀密密实实装装填填欲欲测测试试样样至至8cm。该该试试样样最最大大毛毛管管上上升升高高度度应应小小于于长长管管长长度度，而而大大于于短短管管长长度度。放放入入盛盛有有颜颜色色水水的的量量杯杯中中。使使之之被被毛毛管管水水所所饱饱和和，之之后后取取出出擦擦净净管管外外壁壁的的水水，放放到到支支架架上上，下下端端放放空空量量筒筒。然然后后在在试试
39、样样面面上上加加水水10ml，记记录录管管下下流流出出水水量量，颜颜色色以以及及管管上上端端白白山山水水面面消消失失与与管管下端无水流出的时间关系。下端无水流出的时间关系。(2)取取长长，短短管管各各一一支支，均均匀匀密密实实装装填填同同样样试试样样与与管管口口齐齐平平。短短管管放放入入内内盛盛颜颜色色水水的的量量杯杯，使使之之饱饱和和。长长管管放放入入盛盛无无色色水水的的水槽。使之毛管水上升至稳定为止。水槽。使之毛管水上升至稳定为止。(3)取取出出长长、短短管管、擦擦净净外外壁壁，然然后后，将将长长管管下下端端紧紧压压在在短短管管上上端端，使使其其密密接接，下下端端用用量量筒筒接接滴滴水水。
40、滴滴水水停停止止后后，记记下下流流出出水量及颜色。水量及颜色。10/29/202236实验六实验六 毛细水上升高度的测定毛细水上升高度的测定5.5.作业要求作业要求 (1)用用卡卡明明斯斯基基毛毛管管仪仪测测定定毛毛管管上上升升高高度度时时，为为什什么么取取当当测测压压管管水水面面下下降降停停止止，然然后后突突然然回回弹弹上上升升时时刻刻的的高高度度为为最最大大毛毛管管上上升高度升高度Hk?(2)利利用用粗粗、中中、细细砂砂最最大大毛毛管管上上升升高高度度的的实实验验结结果果，简简述述影影响响毛毛管管水水上上升升高高度度的的因因素素。试试样样瓶瓶及及侧侧压压管管的的直直径径大大小小,对对测测定
41、定结果有否影响结果有否影响?(3)根根据据表表41资资料料，绘绘制制毛毛管管水水上上升升高高度度与与时时间间的的关关系系曲曲线线(用用h作作纵纵坐坐标标)。近近于于抛抛物物线线，(常常值值)，m值值通通常常大大于于2，且常值且常值m随试样而异。根据随试样而异。根据 式，说明毛管水运动的特征。式，说明毛管水运动的特征。(4)用现象来说明毛管水是怎样传递静水压力的。用现象来说明毛管水是怎样传递静水压力的。(5)长长、短短管管未未相相接接前前，为为什什么么不不滴滴水水?相相接接后后为为什什么么又又滴滴水水？滴出的水量相当于原先那一个管里的水滴出的水量相当于原先那一个管里的水?10/29/202237
42、实验七实验七 渗压实验渗压实验-1.-1.目的意义目的意义 (1)掌握实验室方法开采条件下的渗透系数的方法；掌握实验室方法开采条件下的渗透系数的方法；(2)了解渗透系数的影响因素及变化特征。了解渗透系数的影响因素及变化特征。由由于于土土体体在在地地下下不不同同深深度度处处，其其压压密密程程度度是是不不同同的的，当当试试样样从从地地下下取取至至地地面面后后，由由于于上上覆覆土土层层自自重重压压力力的的解解除除，试试样样体体积积将将会会发发生生膨膨胀胀，使使土土体体孔孔隙隙加加大大，导导致致渗渗透透系系数数K增增大大，为为了了恢恢复复土土样样的的天天然然状状态态，可可向向试试样样施施加加一一与与自
43、自重重压压力力相相当当的的固固结结压压力力，待待固固结结稳稳定定后后，即即认认为为土土样样恢恢复复了了天天然然状状态态，再再进进行行渗渗透透试试验验，即即得得到到天天然然状状态态下下的的渗渗透透系系数数K。如如果果按按不不同同深深度度上上的的自自重重压压力力，逐逐级级加加荷荷、固固结结稳稳定定，进进行行渗渗透透实实验验，则则可可得得到到天天然然状状态态下下的的含含水水层层渗渗透透系系数数剖剖面面。对对取取得得开开采采条条件件下下的的渗渗透透系系数数有实际意义。有实际意义。10/29/202238实验七实验七 渗压实验渗压实验-2.-2.实验原理实验原理 渗渗压压仪仪即即可可模模拟拟试试样样的的
44、天天然然状状态态，它它采采用用纯纯气气压压加加荷荷稳稳压压系系统统，由由空空压压机机通通过过压压力力控控制制器器向向试试样样施施加加固固结结压压力力，固固结结压压力力的的大大小小，通通过过调调压压阀阀调调节节，精精密密压压力力表表监监控控，固固结结过过程程由由百百分分表监测土样的变形量。表监测土样的变形量。渗渗压压仪仪的的渗渗压压系系统统可可造造成成一一个个水水头头差差，使使水水在在土土样样中中呈呈层层流流运运动动，同同时时可可以以通通过过施施加加渗渗透透压压力力、加加快快渗渗透透速速度度，实实验验时时的的渗渗透透流流量量，、过过水水断断面面以以及及渗渗透透路路径径均均可可直直接接测测得得，渗
45、渗压压实实验验在渗透过程中水头是随时间变化的变永头。在渗透过程中水头是随时间变化的变永头。10/29/202239实验七实验七 渗压实验渗压实验-2.-2.实验原理实验原理流量方程的微分形式流量方程的微分形式：变换后得：变换后得：式中：式中：K 渗透系数渗透系数(cms)；f 计量管面积计量管面积(cm2)；L 试样高度，即渗透路径试样高度，即渗透路径(一般为一般为2cm)；F 试样面积，即过水断面面积试样面积，即过水断面面积(一般为一般为30cm2)；T 渗透时间（渗透时间（s）；）；H1 初始水头初始水头(cm)；H2 末刻水头末刻水头(cm)；h 任意时刻任意时刻t的水头的水头(cm)。
46、10/29/202240实验七实验七 渗压实验渗压实验-3.-3.实验仪器与工作原理实验仪器与工作原理渗压仪工作原理渗压仪工作原理 (1)动动力力系系统统：仪仪器器的的动动力力系系统统是是空空压压机机，空空压压机机由由压压力力控控制制器控制，将空气压缩到储气筒，由压力表监测其压力的大小。器控制，将空气压缩到储气筒，由压力表监测其压力的大小。(2)加加荷荷系系统统(固固结结试试验验部部分分)：调调节节调调压压阀阀，使使储储气气简简中中的的气气通通过过管管道道，输输出出装装有有滚滚动动隔隔膜膜的的气气缸缸，推推动动加加压压活活塞塞向向试试样样施施加固结压力，其压力大小由精密压力表监控。加固结压力，
47、其压力大小由精密压力表监控。(3)渗渗压压系系统统(渗渗透透试试验验部部分分)：计计量量管管中中的的水水通通过过渗渗压压容容滞滞的的底底部部进进入入试试样样，对对试试样样进进行行渗渗透透，同同时时可可以以采采用用施施加加气气压压方方法法，来来调调节节定定值值器器，给给计计量量管管水水面面施施加加不不同同的的稳稳定定渗渗透透压压力力，加加快快渗透速度，渗透压力的大小由精密压力表监控。渗透速度，渗透压力的大小由精密压力表监控。(4)供供水水箱箱与与集集水水箱箱：供供水水箱箱向向计计量量管管中中供供水水，渗渗透透排排出出的的水水通过溢水孔排到集水箱中。通过溢水孔排到集水箱中。10/29/202241
48、实验七实验七 渗压实验渗压实验-4.-4.实验步骤实验步骤 (1)取取样样：用用环环刀刀削削取取原原状状土土样样(粗粗砂砂除除外外)，顶顶，底底面面贴贴上上滤滤纸纸，放放在在透透水水石石中中间间，用用饱饱和和架架夹夹紧紧，放放到到饱饱和和器器中中进进行行真真空空饱饱和和(抽抽真真空空12小小时时，饱饱水水12小小时时)，砂砂土土可可直直接接放放到到渗渗压压容容器中渗透饱和。器中渗透饱和。(2)放放松松调调压压阀阀和和定定值值器器，防防止止打打开开空空压压机机时时，较较大大的的压压力力突突然加于试样上，然后打开空压机。然加于试样上，然后打开空压机。(3)装装样样：将将饱饱和和好好的的试试样样，刀
49、刀口口向向上上，放放在在渗渗压压容容器器底底座座上上，套套上上橡橡胶胶止止水水圈圈和和定定向向片片，压压紧紧圈圈按按顺顺时时针针方方向向旋旋紧紧，然然后后套套上上导导向向环环，放放上上透透明明水水石石，传传压压帽帽和和钢钢球球以以及及套套环环，打打开开三三通通开开关关，使使供供水水筘筘与与试试样样底底座座相相通通，再再打打开开计计量量A(或或B)的的两两通通开开关，待水达到溢水孔后，关闭两通开关。关，待水达到溢水孔后，关闭两通开关。10/29/202242实验七实验七 渗压实验渗压实验-4.-4.实验步骤实验步骤 (4)调调零零：缓缓缓缓地地旋旋转转调调压压阀阀，当当气气压压表表读读数数为为时
50、时，土土样样上上部部的的钢钢球球与与横横梁梁刚刚好好接接触触，装装上上百百分分表表，旋旋转转调调节节环环，使使百百分分表表的指针对准零位。的指针对准零位。(5)施施加加固固结结压压力力：根根据据固固结结压压力力与与气气压压表表读读数数之之间间的的关关系系q=0.14+0.6p(q为为气气压压表表读读数数，p为为固固结结压压力力)，对对土土样样施施加加固固结结压压力力，使使气气压表读数达到土体自重压力。压表读数达到土体自重压力。(6)渗渗透透：固固结结稳稳定定后后(一一小小时时内内、百百分分表表读读数数变变化化小小于于0.5)，首首先先向向计计量量管管中中洪洪水水，即即打打开开计计量量管管A(或