水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)課程實驗

1、Company L水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)課程實驗 實驗一、地表水流速量測（畢托管）實驗實驗二、給水度、孔隙度、持水度測定實驗實驗三、飽水帶地下水滲流實驗-達(dá)西實驗 實驗四、潛水模擬演示實驗 實驗五、承壓水模擬演示實驗 Company L（畢托管）的性能和使用方法。2加深對明槽水流流速分布的認(rèn)識，并繪制垂線流速分布圖，計算垂線平均流速。v二、儀器設(shè)備畢托管、比壓計及水槽簡圖如圖。Company L和A、B兩個引管所組成。引管A與畢托管頭部頂端小孔相連，引管B與離畢托管頭部頂端為3d的斷面上的環(huán)形孔相通。A、B引管與比壓計相連。由于環(huán)形孔與畢托管管體的表面垂直，因此它所測得的是不含水流動能的總勢能z+p/

2、；而引管A連接的頂端小孔由于正對流向，此處為水流的駐點，它所測得的是包括水流動能在內(nèi)的總機(jī)械能z+p/ +u2/2g。當(dāng)比壓計測壓牌垂直放置時，測壓牌上所反映的兩測壓管液面差即為測點的流速水頭。為了提高量測的精度，將測壓牌傾斜角，若兩測壓管液面之間的讀數(shù)差為L，則有h=Lsin，從而可以求得測點的流速表達(dá)式：式中：C流速修正系數(shù)，對不同結(jié)構(gòu)的畢托管，其值由實驗率定確定。本實驗使用的畢托管，經(jīng)率定C=0.999。gupzgupzh2)()2(22sin22LgChgCuCompany L坐標(biāo)紙上。槽底的流速為零，水面的流速矢端為水面以下各點流速矢端連線向上順延與水面相交的那一點。由水深線及各點流

3、速矢端所圍成的矢量圖，即為垂線流速分布圖，如圖所示。顯然，流速分布圖的面積除以水深h，就是垂線的平均流速，其表達(dá)式為：式中垂線平均流速（cm/s）；w垂線流速分布圖的面積（cm2）；h水深（cm）。hwv vvCompany L輪流量數(shù)字積算儀的電源。2緩慢打開水槽的進(jìn)水閥門，調(diào)節(jié)尾門，將水深控制在15厘米左右。3用測針測得水深h。如圖所示，在斷面垂線上布置5個測點。畢托管最高點宜在水面以下2厘米，最低點為畢托管的半徑(0.4厘米)，其余各點均分布在其中。4按所布置的垂線及測點位置逐步進(jìn)行測量。例如：把畢托管放到槽底，同時測讀固定畢托管測桿標(biāo)尺上的讀數(shù)，稍待穩(wěn)定后，再測讀比壓計上的讀數(shù)，這就完

4、成了第1個測點的工作。然后將畢托管依次提升，直至水面下2厘米那一點為止。5將測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理，并按一定的比例在坐標(biāo)紙上點繪垂線上流速分布圖。ABCompany L進(jìn)行排氣。排氣方法：將畢托管置于防氣盒中，從比壓計三通管注入有一定壓力的水流，使水和空氣由畢托管噴出，沖水約3分鐘左右并使畢托管淹沒于防氣盒中。然后打開三通管，在大氣壓強(qiáng)作用下比壓計測管中的水面下降，待降到便于測讀的位置時，用止水夾夾緊三通管。待靜止穩(wěn)定后比壓計兩測管中的水面應(yīng)該齊平，否則要稍作整平或重新沖水排氣，直至兩管水面齊平后去掉防水盒方可進(jìn)行測速工作。2實驗過程中，為防止進(jìn)氣，畢托管不得露出水面。實驗結(jié)束后，將畢托管放

5、入防氣盒靜水中，檢查是否進(jìn)氣，若比壓計兩管水面不平，說明所測數(shù)據(jù)有誤差，應(yīng)重新沖水排氣，重新進(jìn)行測量。3畢托管管體必須正對流向。4測讀時，視線應(yīng)垂直于比壓計的傾斜面，讀取彎液面的最低點讀數(shù)，當(dāng)測管中的水面上下脈動時，讀取平均值。Company L=10(cm)。畢托管直徑d=0.8(cm)。比壓計傾斜角30。重力加速度g=980(cm/s2)。2實測數(shù)據(jù)與計算槽底測針讀數(shù)厘米；測針尖接觸水面時的讀數(shù)厘米；測針量得水深h= 厘米。3將所測得實驗數(shù)據(jù)填入實驗記錄表（1-1）中。4根據(jù)已知數(shù)據(jù)和實測與計算的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上點繪垂線上流速分布圖。Company LBAsinLuhL=Company L凈

6、，為什么會影響量測精度？2為什么必須將畢托管正對來流方向？如何判斷畢托管是否正對了流向？3比壓計安放位置的高低，是否影響量測數(shù)據(jù)？為什么？Company L度和持水度的概念。2熟練掌握實驗室測定孔隙度、給水度和持水度的方法。3熟悉給水度儀并對儀器進(jìn)行標(biāo)定。4測定三種松散巖石試樣的孔隙度、給水度和持水度。v二、二、儀儀器器設(shè)設(shè)備備1給水度儀。2十二指腸減壓器，或大號吸耳球，用以抽吸氣體。3量筒(25ml)和膠頭滴管。4松散巖石試樣：礫石（粒徑為510mm，大小均勻，磨圓好）；砂（粒徑為0.45mm0.6mm）；砂礫混合樣（指把上述砂樣完全充填進(jìn)礫石樣的孔隙中得到的一種新試樣）。Company L

7、1裝樣篩；2篩板；3試樣筒；4透水石；5固定連接板；6試樣筒底部漏斗；7彈簧夾；8硬塑料管；9滴定管；10三通管1H為三通管液面到透水石底面的距離；2三通管液面Company L值透水石是用一定直徑的砂質(zhì)顆粒均勻膠結(jié)成的多孔板。透水石的負(fù)壓值是指在氣、液、固三相介質(zhì)界面上形成的彎液面產(chǎn)生的附加表面壓強(qiáng)。標(biāo)定方法如下：首先，飽和透水石并使試樣筒底部漏斗充滿水（最好用去氣水，即通過加熱或蒸餾的方法去掉水中部分氣體后的水）。具體做法是：將試樣筒與底部漏斗一起從開關(guān)a處卸下，浸沒于水中并倒置，將漏斗管口與十二指腸減壓器抽氣管連接，抽氣使透水石飽水，底部漏斗全充滿水。用彈簧夾在水中封閉底部漏斗管，倒轉(zhuǎn)試

8、樣筒，將裝有水(可以不滿)的試樣筒放回支架。同時打開a、b兩開關(guān)，在兩管口同時流水的情況下連接塑料管。關(guān)閉a、b開關(guān)，倒去試樣筒中剩余的水，將A滴定管液面調(diào)至零刻度，并與透水石底面水平。Company L關(guān)，緩慢降低A滴定管，同時注意觀測其液面的變化。當(dāng)?shù)味ü芤好嫱蝗簧仙龝r，立刻關(guān)閉b開關(guān)。此時滴定管液面到透水石底面的高度就是透水石的負(fù)壓值。反復(fù)測定幾次，選其中最小數(shù)值(指絕對值)作為實驗儀器所采用的負(fù)壓值。2標(biāo)定試樣筒的容積將試樣筒裝滿水，用量筒或滴定管測出所裝水的體積即為試樣筒的容積。（以上兩步可以由實驗室同志在實驗課前做好。）Company L石中自由流出來的水的體積與整個巖石體積之比。

9、在數(shù)值上相當(dāng)于巖石飽和容水度（簡稱容水度）與最大分子水容度（持水度）之差。其計算公式為?？紫抖仁侵改骋惑w積巖石（包括孔隙在內(nèi)）中孔隙體積所占的比例。其計算公式為。持水度是指飽水巖石在重力作用下釋水后，巖石中保持的水的體積與巖石體積之比。其計算公式為。式中：水充滿砂樣孔隙的體積（進(jìn)水量體積）（cm3）；重力作用下，飽水砂中自由流出的水體積（退水量體積）（cm3）；飽水砂樣的總體積（試樣體積）（cm3）給水度、孔隙度和持水度的測定有兩種方法：體積法和差值法。體積法適用于碎石、礫和砂等粗粒巖土。差值法適用于砂、粉砂和粘性土等細(xì)粒巖土。本實驗要求掌握體積法測定砂的給水度、孔隙度和持水度。32VV31V

10、Vn nm1V2V3VCompany L時打開a、b兩開關(guān)，在兩管口同時流水的情況下連接塑料管。關(guān)閉a、b開關(guān)，倒去試樣筒中剩余的水。2檢查：試樣筒與滴定管連接之后，檢查儀器底部漏斗是否有氣泡，如有氣泡先要參照實驗室準(zhǔn)備工作中第1點進(jìn)行排氣，然后重復(fù)第1步。3裝樣：裝樣前，將A滴定管液面調(diào)到零刻度，關(guān)閉a、b開關(guān)，用干布把試樣筒內(nèi)壁擦干（注意不要將干布接觸透水石）。裝礫石樣和砂樣時，不用安裝裝樣篩，直接將試樣逐次倒入試樣筒并輕振試樣筒以保證試樣密實，直至與試樣筒口平齊。裝砂礫混合樣時，先按上述方法把礫石裝滿，再安裝裝樣篩，將砂樣從裝樣篩中漏入，直至完全充填礫石樣孔隙。Company L液面略高

11、于試樣筒口。打開a、b開關(guān)(同時用手表計時)，用b開關(guān)控制進(jìn)水速度。試樣飽水后立即關(guān)閉b開關(guān)。記下A滴定管進(jìn)水量及飽水累計時間，填入（表2-1）。進(jìn)水量(體積)與試樣筒容積之比就是這種試樣的孔隙度。5測定給水度：將A滴定管加滿水并裝上三通管。用膠頭滴管調(diào)整三通管液面。將B滴定管初始刻度調(diào)至100m1處。同時降低A、B滴定管后，打開b開關(guān)，使從試樣中退出的水沿三通管進(jìn)入B滴定管。退水過程中，三通管液面到透水石底面的距離不得大于透水石的選用負(fù)壓值。退水終止后，將退水量和累計退水時間記入（表2-1）。退水量（體積）與試樣體積之比就是試樣的給水度。6重復(fù)上述3、4、5步驟，測定另兩種試樣的孔隙度和給水

12、度（也可以分組測定不同試樣，各組交換實驗記錄）。Company L自下往上飽和試樣過程要緩慢，以避免砂樣中殘留氣泡。3測量水體積，要注意讀數(shù)精確。v七、七、實實驗驗成成果果完成實驗成果（表2-1）Company L報告人 班號 組號Company L水？退水結(jié)束后，試樣中保留的水是什么形式的水？2.根據(jù)實驗結(jié)果，分析比較松散巖石的孔隙度、給水度、持水度與粒徑和分選的關(guān)系。Company L一步理解滲流基本定律達(dá)西定律。2了解達(dá)西實驗裝置，加深理解滲流速度、水力梯度、滲透系數(shù)之間的關(guān)系，并熟悉實驗室測定滲透系數(shù)的方法。v二、二、實實驗驗儀儀器器1達(dá)西儀，分別裝有不同粒徑的均質(zhì)試樣：礫石（粒徑51

13、0mm）；粗砂（粒徑0.60.9mm）；砂礫混合（與的混合樣）。2秒表。3量筒（100ml,500ml各一個）。4直尺。5計算器。Company L達(dá)西實驗裝置示意圖1試樣；2進(jìn)水開關(guān)；3出水管；4測壓管；5儀器架；6排氣管實實驗驗三：三：飽飽水水帶帶地地下下水水Company L西關(guān)于多孔介質(zhì)中地下水的線性滲透定律而設(shè)計的。由達(dá)西定律, 在常水頭條件下, 水流在單位時間內(nèi)透過巖石空隙的流量(Q)與巖石的斷面面積()、水力坡度(I)成正比：測定不同試樣的滲透系數(shù)。式中：Q滲透流量（cm3）；過水?dāng)嗝婷娣e（cm2）；上下游過水?dāng)嗝娴乃^差（cm）；L滲透途徑（cm）；I水力梯度。由上式可推知，亦

14、即，滲透系數(shù)在數(shù)值上等于水力坡度為1時，透過某單位過水?dāng)嗝娴臐B流量（亦即滲流速度）。實實驗驗三：三：飽飽水水帶帶地地下下水水IKLHKQHIVIQKCompany L驗員準(zhǔn)備）。分別測量過水?dāng)嗝婷娣e（ ）、測壓管a、b、c的間距或滲透途徑（L）；記入（表3-1）。2調(diào)試儀器（實驗員準(zhǔn)備）。打開進(jìn)水開關(guān)2，待水緩慢充滿整個試樣，且出水管有水流出后，慢慢擰動開關(guān)2，調(diào)節(jié)進(jìn)水量，使a、c兩測壓管讀數(shù)之差最大。同時注意打開排氣口排盡試樣中的氣泡，使測壓管a、b的水頭差與測壓管b、c的水頭差相等。3測定水頭待a、b、c三個測壓管的水位穩(wěn)定后，讀出各測壓管的水頭值，記入（表3-1）中。實實驗驗三：三：飽飽

15、水水帶帶地地下下水水Company L用秒表和量筒測量t時間內(nèi)水管流出的水體積，及時計算流量Q。連測兩次，使流量的相對誤差小于5相對誤差,取平均值記入（表3-1）。5由大往小調(diào)節(jié)進(jìn)水量，改變a、b、c三個測壓管的讀數(shù)，重復(fù)步驟3和4。6重復(fù)第5步驟13次。即完成35次實驗，取得35組數(shù)據(jù)。7按記錄表計算實驗數(shù)據(jù)，并抄錄其它小組另外兩種不同試樣的實驗數(shù)據(jù)(有條件的，可分別做不同的試樣)。實實驗驗三：三：飽飽水水帶帶地地下下水水%1002/ )(2112QQQQCompany L時排除氣泡。2為使?jié)B透流速水力梯度（vI）曲線的測點分布均勻，流量（或水頭差）的變化要控制合適。v六、六、實實驗驗成成果

16、果1提交實驗報告表（表3-1）。2在同一坐標(biāo)系內(nèi)繪出三種試樣的曲線，并分別用這些曲線求滲透系數(shù)K值，與直接據(jù)（表3-1）中實驗數(shù)據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行對比。實實驗驗三：三：飽飽水水帶帶地地下下水水Company L（cm）滲透途徑（L）（cm）水溫（）實實驗驗三：三：飽飽水水帶帶地地下下水水QIVK 滲透流速實驗日期 報告人 班號 組號 同組成員Company L在測壓管水位穩(wěn)定后測定流量？2討論三種試樣的曲線是否符合達(dá)西定律？試分析其原因。3將達(dá)西儀平放或斜放進(jìn)行實驗時，其結(jié)果是否相同？為什么？4比較不同試樣的K值，分析影響滲透系數(shù)K值的因素。實實驗驗三：三：飽飽水水帶帶地地下下水水Company

17、L增強(qiáng)對潛水補(bǔ)給、徑流和排泄的感性認(rèn)識。2加深對流網(wǎng)概念的理解，培養(yǎng)綜合分析問題的能力。3認(rèn)真觀察地表徑流，確定潛水面形狀，同時分析地下水分水嶺的移動過程和不同條件下的潛水流網(wǎng)。v二、二、實實驗驗儀儀器器1地下水演示儀。該儀器的主要組成部分及功能介紹如下：（1）槽體：內(nèi)盛均質(zhì)砂，模擬含水層。（2）降雨器：模擬降雨，可人為控制雨量大小及降雨的分布。（3）模擬井：兩個完整井和兩個非完整井分別裝在儀器的正面(A面)和背面(B面)，均可人為對任一井進(jìn)行抽(注)水模擬，也可聯(lián)合抽(注)水。實實驗驗四：四：潛潛水水Company L的排水。（5）測壓點：與測壓管架上的測壓管連通，可以測定任一測壓點的測壓水

18、頭；與示蹤劑注入瓶連通可以演示流線。（6）測壓管架。（7）示蹤劑注入瓶。（8）穩(wěn)水箱：用于穩(wěn)定河水位。（9）水表。2示蹤劑選用紅墨水演示流線。3直尺(50cm)和計算器等。實實驗驗四：四：潛潛水水Company L水層中的水稱作潛水。潛水沒有隔水頂板，或只有局部的隔水頂板。潛水的水面為自由水面，稱作潛水面。由于潛水含水層上面不存在隔水層，直接與包氣帶相接，所以潛水在其全部分布范圍內(nèi)都可以通過包氣帶接受大氣降水、地表水或凝結(jié)水的補(bǔ)給。潛水面不承壓，通常在重力作用下由水位高的地方向水位低的地方徑流。潛水的排泄方式有兩種：一種是徑流到適當(dāng)?shù)匦翁?，以泉、滲流等形式泄出地表或流入地表水，這便是徑流排泄；

19、另一種是通過包氣帶或植物蒸發(fā)進(jìn)入大氣，這是蒸發(fā)排泄。本次實驗就是根據(jù)自然潛水的補(bǔ)給和排泄方式進(jìn)行模擬，通過人工降水以及不同排泄方式來演示潛水運(yùn)移，同時通過改變河流水位，進(jìn)而改變地下水分水嶺的移動，從而讓學(xué)生更直觀的觀察潛水流網(wǎng)。實實驗驗四：四：潛潛水水Company L及功能。2地表徑流的演示。打開降雨開關(guān)，人為調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度。保持兩河較低水位排水。認(rèn)真觀察地表徑流產(chǎn)生情況。3觀測有入滲條件的潛水面形狀4觀測地下分水嶺的偏移中等強(qiáng)度均勻降雨，保持兩河等值低水位排水，觀察地下分水嶺位置。5人為活動影響下地下水與河水的補(bǔ)給和排泄關(guān)系的變化（此項為選擇內(nèi)容）實實驗驗四：四：潛潛水水Company L選

20、擇35個測壓點注入示蹤劑。使地下水位處于穩(wěn)定的初始狀態(tài)。具體演示：（1）集水廊道抽水：打開集水廊道開關(guān)進(jìn)行排水。觀察流線變化特征，分析集水廊道排水對地下水與河水的補(bǔ)給和排泄關(guān)系的影響。（2）完整井抽（注）水：恢復(fù)初始狀態(tài)。打開兩個完整井開關(guān)，一個抽水，一個注水。觀察地下分水嶺的變化及流線形態(tài)。（3）非完整井抽水：恢復(fù)初始狀態(tài)。打開兩個非完整井的開關(guān)，通過開關(guān)控制兩個非完整井等降深抽水。v五、五、注注意意事事項項要認(rèn)真觀察潛水流網(wǎng)變化的形狀，以便更清楚地了解天然條件下潛水運(yùn)移規(guī)律。實實驗驗四：四：潛潛水水Company L流網(wǎng)圖；根據(jù)步驟5（3）的演示，在B剖面上示意畫出兩非完整井等降深抽水時的

21、流網(wǎng)圖。2對于河間地塊含水層，當(dāng)河水位不等時，地下水分水嶺偏向哪一側(cè)?試分析其原因?v七、七、思思考考問問題題1分析降雨強(qiáng)度與地表徑流的關(guān)系。2分析地形與地表徑流的關(guān)系。3抬高一側(cè)河水位，即抬高一側(cè)的穩(wěn)水箱。觀察地下分水嶺向什么方向移動。試分析為什么分水嶺會發(fā)生移動？能否穩(wěn)定？停止降雨，地下分水嶺又將如何變化？認(rèn)真觀察停止降雨后地下分水嶺變化過程。4若兩非完整井等降深抽水時，各井的抽水量是否相等?實實驗驗四：四：潛潛水水Company L的補(bǔ)給、排泄和徑流的感性認(rèn)識。2練習(xí)運(yùn)用達(dá)西定律的基本觀點分析討論水文地質(zhì)問題。3分析討論承壓含水層補(bǔ)給與排泄的關(guān)系，觀測天然條件下泉流量的衰減曲線。v二、二

22、、實實驗驗儀儀器器1承壓水演示儀。該儀器的主要組成部分的功能如下：（1）含水層：用均質(zhì)石英砂模擬。（2）隔水層：用粘土模擬。構(gòu)成大致等厚的承壓含水層的頂板和底板。（3）斷層上升泉：承壓含水層主要通過泉排泄，泉水通過開關(guān)9排出，可用秒表和量筒配合測量其流量。（4）模擬井（虛線部分為濾水部分）：中間b井和開關(guān)8連通，通過開關(guān)8可以控制b井的抽(注)水。Company L實實驗驗五、五、承承壓壓水水Company L實實驗驗五、五、承承壓壓水水c井b井a(chǎn)井B8B7B6B5B4B3B2B1抽水井C4C3C2C1B8B7B6cB5bB4aB3B2B1A4A3A2A1泉河流剖面圖平面圖02040承壓水演示儀（1：5）Company L含水層中的水，叫做承壓水。承壓水含水層上部的隔水層稱作隔水頂板，或叫限制層。下部的隔水層叫做隔水底板。頂?shù)装逯g的距離為含水層厚度。承壓水受到隔水層的限制，與大氣圈、地表水圈的聯(lián)系較弱。當(dāng)頂?shù)装甯羲阅芰己脮r，他主要通過含水層出露地表的補(bǔ)給區(qū)（這里的水實際上已轉(zhuǎn)為潛水）獲得補(bǔ)給，并通過范圍有限的排泄區(qū)排泄。本實驗所模擬的以抬高河水的水位來補(bǔ)給承壓水，同時以泉、集水廊道和井的形式進(jìn)行排泄，通過演示承壓水