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1、 水文地质学基础实验水文地质学基础实验 文字文字编辑：编辑：曹曹继星继星 影视制影视制作作：曹继星：曹继星 配配 音：曹继星音：曹继星 实验操作：周淑敏实验操作：周淑敏 技术指导：刘技术指导：刘金金峰峰 技术顾问：李技术顾问：李 铎铎 前前 言言 水文地质学基础实验是水文地质学基础实验是水文与水资源工程、环境工程、水文与水资源工程、环境工程、土木工程、资源勘查、勘查技术土木工程、资源勘查、勘查技术与工程等专业学生今后从事地下与工程等专业学生今后从事地下水研究必备的基本手段和技能水研究必备的基本手段和技能,通过实验可提高学生分析问题和通过实验可提高学生分析问题和解决问题的能力。解决问题的能力。实
2、验三 毛细水上升高度测定毛细水上升高度测定 毛细水是赋存在包气带岩石毛细水是赋存在包气带岩石空隙中的地下水空隙中的地下水,它同时承受着它同时承受着重力和毛细力的共同作用。最受重力和毛细力的共同作用。最受人类关注的主要是地下水面以上人类关注的主要是地下水面以上的支持毛细水的支持毛细水,它分布在包气带它分布在包气带下部形成毛细水带下部形成毛细水带,毛细水上升毛细水上升高度决定着该带的厚度。高度决定着该带的厚度。饱水带的地下水只所以能沿饱水带的地下水只所以能沿毛细空隙上升毛细空隙上升,主要是受毛细力主要是受毛细力的牵引。毛细力是发生在岩石介的牵引。毛细力是发生在岩石介质空隙中固、液、气三相界面上质空
3、隙中固、液、气三相界面上的一个向上的力的一个向上的力,它是由岩石颗它是由岩石颗粒表面张力和水的作用产生的。粒表面张力和水的作用产生的。形成指向弯液面凹侧向上的附加形成指向弯液面凹侧向上的附加表面压强表面压强,该附加压强因弯液面该附加压强因弯液面上凹而向上上凹而向上,为一负值为一负值,称为毛称为毛细负压。因此细负压。因此,凹液面所受的大凹液面所受的大气压气压强要比水平液面小一个毛细压强强要比水平液面小一个毛细压强,相当于凹液面之下存在一个与毛相当于凹液面之下存在一个与毛细压强相等的真空值。所以细压强相等的真空值。所以,可可认为该毛细负压力就是一个向上认为该毛细负压力就是一个向上的弯液面力。该弯液
4、面力抵抗着的弯液面力。该弯液面力抵抗着大气压力和重力使水沿毛细管上大气压力和重力使水沿毛细管上升升,直至液柱重力与之平衡。若直至液柱重力与之平衡。若换算成水柱高度可表示为：换算成水柱高度可表示为：h=0.03/Dh=0.03/D 式中式中,h,h为水柱最大毛细上升为水柱最大毛细上升高度高度(单位：单位：m);Dm);D为毛细管的直为毛细管的直径径(单位：单位：mm)mm)。由上式看出由上式看出,毛细管直径越小毛细管直径越小,水的毛细上升高度越大水的毛细上升高度越大,反之则越反之则越小。因而在大孔隙的粗砂中小。因而在大孔隙的粗砂中,毛毛细管直径较大细管直径较大,毛细水上升高度毛细水上升高度较小较
5、小,而细砂、粘土而细砂、粘土,由于孔隙由于孔隙直径较小直径较小,毛细水上升高度则较毛细水上升高度则较大。大。岩石中毛细水上升高度对于岩石中毛细水上升高度对于研究包气带水运动、大气降水入研究包气带水运动、大气降水入渗补给地下水、农田灌溉、盐碱渗补给地下水、农田灌溉、盐碱地改良、地下水污染及工程建筑地改良、地下水污染及工程建筑地基处理设计与稳定性评价等地基处理设计与稳定性评价等,都具有重要意义。都具有重要意义。松散岩石的毛细水上升高度松散岩石的毛细水上升高度测定方法测定方法,有直接观察法和卡明有直接观察法和卡明斯基仪法。前者适用于粗砂和中斯基仪法。前者适用于粗砂和中砂砂,后者则适用于粉砂和粘土。后
6、者则适用于粉砂和粘土。一、直接观察法一、直接观察法 该法是将试样装入有刻度的该法是将试样装入有刻度的玻璃管中玻璃管中,管的底部缚有滤网管的底部缚有滤网,并并放置于盛水槽中放置于盛水槽中,直接观测毛细直接观测毛细水的上升高度。水的上升高度。玻玻璃璃管管架架铁皮水槽铁皮水槽带带刻刻度度玻玻璃璃管管 1、测定装置、测定装置 2、测定操作步骤、测定操作步骤 3、实验数据记录表、实验数据记录表观观察察次次数数 观察时间观察时间 各种粒度成分砂毛细上升高度各种粒度成分砂毛细上升高度(cm)日日 时时分分 间隔间隔(分分)极细砂极细砂 细细 砂砂 中中 砂砂 粗粗 砂砂 4、实验数据整理、实验数据整理 将记
7、录表中数据将记录表中数据,在同一座在同一座标纸上分别绘出粗砂、中砂、细标纸上分别绘出粗砂、中砂、细砂和极细砂的毛细水上升高度与砂和极细砂的毛细水上升高度与时间关系曲线。该曲线可用如下时间关系曲线。该曲线可用如下经验式表示：经验式表示：Hn =m t 上式中上式中,n一般大于一般大于2,m随土随土质而异。可利用作图分析方法分质而异。可利用作图分析方法分别确定三条曲线的实用经验式。别确定三条曲线的实用经验式。将上式两边取对数得：将上式两边取对数得：lgt=nlgH lgm 显然上式为一线性方程显然上式为一线性方程,将所测的将所测的t 和和H取对数取对数,然后在双对数纸上作其关系曲线然后在双对数纸上
8、作其关系曲线,其直线的斜率为其直线的斜率为n,截距为截距为lgm。取其反对。取其反对数就可求出数就可求出m来。来。lgtlgH(lgH1,lgt1)(lgH2,lgt2)lgt2 lgt1n=tg =lgH2 lgH1 lgm 二、卡明斯基仪测定法二、卡明斯基仪测定法 1、原理、原理 该法是根据弯液面力能产生该法是根据弯液面力能产生一定负压力一定负压力,使供水中的静水压使供水中的静水压力小于外界大气压力。其压差所力小于外界大气压力。其压差所支持的毛细水柱高度即为被动的支持的毛细水柱高度即为被动的毛细力支持的下降水柱高度毛细力支持的下降水柱高度,用用连通管等压面原理就可进行测定。连通管等压面原理
9、就可进行测定。2、测定装置、测定装置滤网滤网铁夹子铁夹子调调流流量量阀阀固固定定铁铁架架子子铁铁架架子子接水桶接水桶AB 3、测定步骤、测定步骤 4、实验数据记录表、实验数据记录表实实验验次次数数岩岩 性性粒粒 径径(mm)测定累计时间测定累计时间 毛细上升毛细上升 高高 度度 (cm)备备 注注 时时 分分 秒秒 平平 均均 值值 三、撰写实验报告三、撰写实验报告 包括直接观测法和卡明斯基包括直接观测法和卡明斯基仪测定法的实验体会和看法。描仪测定法的实验体会和看法。描述负水头法测定过程中值得注意述负水头法测定过程中值得注意的现象等。分析实验讲义中相应的现象等。分析实验讲义中相应的思考题。的思考题。石家庄经济学院工程学院石家庄经济学院工程学院 水文与水资源工程教研室监制水文与水资源工程教研室监制 2004.11