水文地质学实验项目

《水文地质学》

实验一 松散岩石容水度、给水度和持水度的测定

实验类型：综合 实验学时：2 实验要求：必修

一、实验目的

1、 认识空隙中水的存在形式，加深理解松散岩石容水度、给水度、持水度、孔隙度的概念及相互关系。 2、 掌握给水度仪的使用方法。

二、实验内容

实验测出样砂的容水度、给水度，通过计算得出持水度。

三、仪器设备

给水度仪、试样筒、量筒、滴定管、水槽、管夹

四、所需耗材

沙子 自来水 擦水纸

五、实验原理、方法和手段

将试样装入给水度仪的试样筒中，自下而上充水，达到饱和后，在重力作用下，一部分水从孔隙中流出，另一部分保留在孔隙中，测得给进和退出的水量及试样的体积，以求出容水度、给水度、持水度。

先测出试样筒的容积即为装入试样筒中试样的体积(V干试样)，再测出试样饱水时所用水的体积(从滴定管读数视差) ,称为进水量。

最后在重力的作用下测出给出水的体积(V给水),则为给水量； 则试样所保持的水体积(V持水)为：

V持水=V饱水 ― V给水

据此, 就可求出相应的容水度、给水度、持水度 。

容水度%=（进水量/试样体积）ⅹ100% 给水度%=（给水量/试样体积）ⅹ100%

持水度%=[（进水量―给水量）/试样体积 ]ⅹ100%

六、实验步骤

1、饱和透水石及底部漏斗充水

将试样筒从开关C处卸下，以底部漏斗向上，倒置水槽中，并从底部管中吸气，使透水石完全饱和（不在冒气泡），并使底部漏斗完全充水，关闭b，在水中倒转试样筒，并保留半筒水放回支架上。将滴定管充水，同时打开a、b，连接管子，关闭b，倒去试样筒中的水。 2、测定透水石的负压值

打开a、b，缓慢降低滴定管，同时注意观察滴定管液面，当液面停止不同，接着突然上升时，液面到透水石底部的高差，即为该透水石的负压值。 3、测定试样筒容积

重复步骤1，试样筒盛水与筒口平齐，然后将水倒入量筒，记下水的体积，重复测量三次，求其平均值。 4、装样

用干布将试样筒内壁擦干（注意不要接触透水石），将试样分次少量倒入，同时拍打试样筒，以保证试样均匀密实，装样至与筒中平齐为止。 5、 测定进水量

将滴定管充水至零刻度，然后抬高滴定管，使其液面高于试样筒口，打开a、b，用开关a控制进水速度，使试样逐渐饱水 。(注意，若进水速度过快，则孔隙中的气体不易排出)。当试样表面看到液面时，立即关闭a，记下滴定管液面刻度。 6、 测定退水量 降低滴定管，使滴定管液面与透水石底部高差比透水石的负压值小5厘米。打开b，控制其缓慢退水，当滴定管液面稳定时（2分钟内退水不足1毫升），关闭a、b，记下滴定管液面刻度。 7、 换试样，重复步骤4~6。

七、实验结果处理

1、认真填写实验数据及计算结果。表1-1和表1-2。 表1-1 给水度仪编号 透水石负压值（水柱高，厘米） 试样筒容积（ mL ） 第一次 第二次 选用负压值 第一次测定 第二次测定 表1-2 A砂 B砂 粒径 粒径 进水量（mL） 初始液面刻度 终止液面刻度 进水量 退水量(mL) 初始液面刻度 终止液面刻度 退水量 容水度（%） 给水度（%） 持水度（%） 平均值 八、实验注意事项 1、充水结束底部漏斗不可留气泡，固定后保证透水石面水平 2、装样前擦干试样筒时不可接触饱和过的透水石。 3、滴定管充水要缓慢，否则空隙中的气体不易排出。

九、预习与思考题

1、从试样中退出的水是什么形式的水，退水结束后，试样中保留的是什么形式的水？

2、能否得出该样的空隙度?

实验二 达西渗流实验

实验类型：综合 实验学时：2 实验要求：必修

一、实验目的

1、 测量样砂的渗透系数k值，掌握特定介质渗透系数的测量技术。 2、通过测量透过砂土的渗流流量和水头损失的关系，来验证达西定律。

二、实验内容

通过测渗流筒两测点间的压差，求出流量、流速和渗透系数。

三、仪器设备

本实验装置图如图所示。

1 达西渗流定律实验仪装置示意图 1、恒压水箱 2、进水阀 3、输水管 4、进水管 5、试验筒 6、试验砂 7、下过滤网 8、下稳水室 9、放空阀 10、水质过滤器 11、蓄水箱 12、水泵 13、排气嘴

14、上稳水室 15、上过滤网 16、溢流管 17、出水阀 18、排气嘴 19、U型差压计

四、所需耗材

样砂、自来水

五、实验原理、方法和手段

液体在孔隙介质中流动时，由于粘滞性作用将产生能量损失。达西（Henri Darcy）在1852—1855年间通过实验，总结出渗流能量损失与渗流速度成一次方的线性规律，后人称为达西定律。

由于渗流流速很小，故流速水头可以忽略不计。因此总水头H可用测管水头h来表示，水头损失hw可用测管水头差来表示，则水力坡度J可用测管水头坡度来表示： Jhwh1h2h lll式中：l为两个测量管孔之间距离；h1与h2为两个侧压孔的测管水头。

达西通过大量实验，得到圆筒断面积A和水力坡度J成正比，并和土壤的透水性能有关，所建立基本关系式如下：

vkhwkJ l qVkAJ

式中 v —— 渗流断面平均流速；

k —— 土质透水性能的综合系数，称为渗透系数；

qV—— 渗流量；

A —— 圆桶断面面积； hw —— 水头损失； l —— 测孔间距。

当实验中的渗流区为一圆柱形的均质砂体时，属于均匀渗流，可以认为各点的流动状态是相同的，任一点的渗流流速u等于断面平均渗流流速，因此达西定律也可以表示为：

ukJ

上式表明，渗流的水力坡度，即单位距离上的水头损失与渗流流速的一次方成正比，因此称为渗流线性定律。

六、实验步骤

1、准备 熟悉实验装置各部分结构特征、作用性能，认识装砂圆筒内砂的种类，记录圆桶直径D、测压孔间距l等常数。

下一步，若实验从新装干砂开始则转入步骤2，若仪器已装砂充水则转入步骤4。

2、安装试验砂 将干燥的试验砂分层装入筒内，每层2 ~ 3 cm，每加一层，用压砂杆适当压实，装砂量以高出上测压点6 ~ 7 cm为宜。装砂完毕，在实验砂上部加装过滤网15及玻璃球。最后在试验筒上部装接恒压水箱1，并在两法兰盘之间衬垫两面涂抹凡士林的橡皮垫，注意拧紧螺丝以防漏气漏水。

3、 新装干砂加水 旋开试验桶顶部排气嘴13及进水阀2，关闭出水阀17、放空阀9，开启水泵对恒压水箱1供水，恒压水箱1中的水通过进水管4进入下稳水室8，如若进水管4中存在气柱，可挤压其软管予以排除。继续进水，待水慢慢浸透装砂圆筒内全部砂体，并且使上稳水室完全充水之后，旋紧排气嘴13及进水阀2，待接上测压计，并排气后即可试验。

4、测压架排气 待试验筒内加水完成之后，把测压架顶部排气嘴旋开，用吸气球放在排气嘴抽吸气体排除连通管与测压管内气体，使测压管保持一半空气段，并及时旋紧气嘴。关闭出水阀17，静置数分钟，检查两测压管水位是否与装砂圆筒内的水面齐平，如不齐平，说明仪器有集气或漏气。需检查原因或重新排气。

5、开启进水阀2、出水阀17，待出水流量恒定后，用重量法或体积法测量流量；测读U型差压计水位差。

6、调节出水阀17，改变流量，重复实验过程5，再次测量。

7、试验结束，关闭进水阀门2、出水阀17，如果短期内做该实验，为便于下次试验开启，关闭进水阀2、出水阀17、排气嘴13、放空阀9，（防止试验筒内进气）再关闭水泵。如果长期不做该实验，可将出水阀17、放空阀9（在水箱内）开启，关闭水泵，水体由放空阀9流回蓄水箱。

七、实验注意事项

1、 实验中不允许气体渗入砂土中。若在实验中，下稳水室8中有气体滞留，应关闭出水阀17，打开排气嘴18，排除气体。

2、 实验停泵后，再次启动时，应使上水箱水位淹没进水口后，方可打开进水阀2。否则，气体将进入进水管。若进水管4进气，应予排除，方法是：在上水箱正常溢流情况下，关阀9、17，开启阀13、2，将洗耳球充满水后，通过阀13口向上压力水箱加压注水，则可使进水管倒流排气。

八、实验结果处理

1． 记录有关常数。

砂土名称：

测点间距l = cm 砂筒直径 d = cm 2． 记录及计算（见表2-1）

表2-1 渗流实验测记表 序次 测点间距(cm) 1 32 3 4 h1 测点压差(cm) h2 h 水力坡度J 体积(cm) 流量qV 时间(s) 流量（cm/s) 3砂筒直径d(cm) 面积Acm 流速v(cm /s) 渗透系数k(cm/s) 备注 2九、预习与思考题 1当砂桶的试验段滞留大量气泡后，对实验结果的渗流系数k有何影响？

2 绘制V-J曲线图

实验三 潜水模拟演示

一、实验目的

1．熟悉与潜水有关的基本概念，理解潜水与潜水含水层的基本要素。 2．增强对潜水补给、径流和排泄的感性认识。

3．加深对流网、潜水流动系统概念的理解，培养综合分析问题的能力。 二、实验内容

1．观察降水与降水入渗过程。 2．确定潜水面形状。

3．分析地下水分水岭的移动。 4．演示不同条件下的潜水流网。

三、实验仪器及用品

1．潜水演示仪(图2-1)。该仪器的主要组成部分及功能介绍如下： (1)槽体：内盛均质砂，模拟含水层。

(2)降雨器：模拟降雨，可人为控制雨量大小及降雨的分布。 (3)模拟井：两个完整井和两个非完整井分别装在仪器的正面(A面)和背面(B面)，均可人为对任一井进行抽(注)水模拟，也可联合抽(注)水。

(4)模拟集水廊道：可人为控制集水廊道的排水。

(5)测压点：与测压管架上的测压管连通，可以测定任一测压点的测压水头；注入示踪剂可以演示流线。

(6)测压管架。

(7)稳水箱：用于稳定河水位。

图2-1 潜水演示仪装置实体图 2．示踪剂：选用红墨水演示流线。 3．直尺(50cm)和计算器等。

四、实验步骤

1． 熟悉潜水演示仪的结构及功能。 2． 降水入渗与地表径流的演示。

打开降雨开关，人为调节降雨强度。保持两河较低水位排水。认真观察降水与降水入渗过程、地表径流产生情况。分析讨论：

（1）降雨强度与入渗、地表径流的关系。 （2）地形与地表径流的关系。 3．观测有入渗条件的潜水面形状

如图2－2所示，潜水含水层中，等势线上各点的水头都相等，即B、C、D各点测压水位分别与潜水面上M、N、O各点的测压水位相等。由此可以按以下具体步骤确定潜水面形状。

（1）中等强度降雨，保持两河同等低水位排水，待水位稳定后测定井水位和河水位，并按比例

表示在实验二A剖面图上。

（2）在河与分水岭之间选择3~5个测压点，注入示踪剂，观察流线特征，分析流网分布规律，

在A剖面图上画出流线和等势线。

（3）选择3~5个测压点与测压管连接(注意连接时不要进气)，测定测压水位，按比例表示在A

剖面图上。自各测压点测压水位顶点作水平线交各测压点所在的等势线(各交点均在潜水位线上)。结合井水位和河水位以及各平行线与等势线的交点，在A剖面图上描绘潜水位线。

图 2-2 潜水含水层中等势线任一点水头示意图 （测压管涂黑部分为对应点的测压高度）

4．观测地下分水岭的偏移 中等强度均匀降雨，保持两河等值低水位排水，观察地下分水岭位置。

抬高一侧河水位，即抬高一侧的稳水箱。观察地下分水岭向什么方向移动。试分析为什么分水岭会发生移动？能否稳定？停止降雨，地下分水岭又将如何变化？认真观察停止降雨后地下分水岭变化过程。

五、实验成果

1．根据步骤3绘制实验二A剖面流网图。

实验二 潜水模拟演示（A剖面）

2、思考题：河流附近河水位下方的水位要比河水位高，为什么？

3、抬高右侧河水位，分水岭会如何偏移？河间地块流网会如何变化？

实验四 土的毛细水上升高度测定

实验类型：验证 实验学时：2 实验要求：必修

一、实验目的

（毛细上升高度是指水在松散岩石孔隙中毛细力的作用，以一定速度上升的最大高度。

毛细上升高度对研究非饱和带水的运动、大气将水入渗滞留量、水均衡计算以及铁路路基的稳定性、土壤沼泽化、盐渍化的研究等方面都有重要意义。）

1 掌握用卡明斯基毛细管法测定毛细上升高度的原理及影响毛细上升高度的因素。 2 熟悉非饱和带中毛细水的赋存与运动特征。 3 了解毛细水传递静水压力的过程。

二、实验内容

观测、比较不同粒径砂样的毛细上升速度，观测砂土毛细饱和带水的运移。

三、仪器设备

卡明斯基毛细仪（图3-1）、止水夹（普通2个和调速1个），小桶

图3-1

①-供水箱 ②-玻璃管 ③-胶皮管 ④-试样筒 ⑤-刻度管 四、所需耗材

粒径不同（0.25~0.5mm、0.5~1mm、1~2mm）的砂子、自来水

五、实验原理、方法和手段

卡明斯基管法基本原理：将试样装入有刻度的底部包有铜丝网的玻璃管中，然后置于水面上，记录一定时间内测定毛细管水上升高度得出上升速度。即根据毛细力支持上升水柱的原理实验。

六、实验步骤

1、装样：将欲测砂样经漏斗装入玻璃管中，每装入2~3厘米高度的砂以捣棒轻捣之。 2、将装满砂样的玻璃管固定在支架上，其下端插入水槽中部。

3、注水入槽，应使水面高出管下端0.5~1cm，实验过程中槽中水面应保持一定。

4、注水如槽后，经过2、3、4、5、10、20、30、60分钟，以后每隔数小时，根据玻璃管中图样颜色的深浅，记录各时刻毛细水上升高度值，直至上升稳定为止。 5、干沙回收，湿沙倒入指定容器，冲洗擦干（或烘干）。

七、实验结果与整理

1 记录实验 粒径 mm 粒径 mm 粒径 mm 累计时间（s） 毛细高度（cm） 累计时间（s） 毛细高度（cm） 累计时间（s） 毛细高度（cm）