雙環(huán)滲水試驗

1、雙環(huán)滲水試驗作業(yè)指導(dǎo)地下水勘查項目部二一四年九月目 錄一、實驗?zāi)康暮鸵饬x1二、實驗原理1三、實驗儀器1四、實驗步驟11、確定試點,開挖試坑。12、壓入雙環(huán)、鋪礫、立標(biāo)23、定水頭注水、觀測記錄24、滲入速度穩(wěn)定，完成試驗25、精度要求3五、數(shù)據(jù)處理的方法31、垂向一維滲流原理32、包氣帶垂向滲透系數(shù)k的求法4六、數(shù)據(jù)處理分析6七、試坑滲水試驗的成果資料包括以下內(nèi)容7八、總結(jié)7一、實驗?zāi)康暮鸵饬x雙環(huán)法試驗是野外測定包氣帶非飽和松散巖層的滲透系數(shù)的常用的簡易方法，試驗的結(jié)果更接近實際情況。利用這個試驗，主要為研究區(qū)域性水均衡、水庫、灌區(qū)、渠道滲漏量、山前地區(qū)地表水滲入量等進行的。二、實驗原理 在一

2、定的水文地質(zhì)邊界以內(nèi)，向地表松散巖層進行注水，使?jié)B入的水量達到穩(wěn)定，即單位時間的滲入水量近似相等時，再利用達西定律的原理求出滲透系數(shù)（K）值。三、實驗儀器滲水雙環(huán)（兩個高約50cm，直徑分別為0.25m和0.5m的鐵環(huán)）、兩套帶有刻度的供水桶、膠帶、橡皮管,止水夾、鐵鍬、尺子、及若干要填在試環(huán)底部的小礫石。圖3-1 雙環(huán)試驗剖面示意圖 照片3-1 雙環(huán)試驗野外示意圖四、實驗步驟1、確定試點,開挖試坑。確定試點有三個原則：是代表性。試點處的包氣帶巖層要能代表試區(qū)相當(dāng)大范圍內(nèi)包氣帶巖層的情況；是一致性，試點處包氣帶巖層的選擇應(yīng)與大目標(biāo)一致，如本次實例是為了選擇人工回灌點，所以選擇包氣帶巖層滲透性能

3、較好的部位進行試驗。選擇試驗場地，最好在潛水埋藏深度大于5m的地方為好。如果潛水埋深小于2m時，因滲透路徑太短，測得的滲透系數(shù)不真實，就不要使用滲水試驗。試坑開挖：鏟去表土，露出目標(biāo)層，試坑深度應(yīng)大于0.8-1.2m，試坑面積1.31.0m左右，以消除包氣帶表層植被根系對試驗的影響2、壓入雙環(huán)、鋪礫、立標(biāo)將雙環(huán)同心壓入試坑底部中央，原則上壓入0.8-1cm即可，實際中，將雙環(huán)壓入試層3-8cm。鋪礫的目的是防止注水時將環(huán)底的沙層沖起，試驗中實際鋪礫3-4cm。立標(biāo)的目的在于，定水頭注水時，控制環(huán)底水層厚度，一般控制在10cm，需要說明的一點是，此處所言的“水層厚度”是包括環(huán)底鋪礫厚度在內(nèi)的。3

4、、定水頭注水、觀測記錄以環(huán)底水標(biāo)為準，保持標(biāo)頭剛好淹在水中，內(nèi)外環(huán)同時定水頭注水（隨時保持內(nèi)外環(huán)的水柱都保持在10cm的同一高度。這樣即可認為，內(nèi)外環(huán)之間滲入的水主要消耗在側(cè)向擴散上，內(nèi)環(huán)滲入的水主要消耗在垂向滲透上，為準垂向一維滲流）。同時從供水桶觀測注入水量。記錄的時間，開始時因滲入量大，觀測間隔時間要短，稍后可按一定時間間隔比如每10分鐘觀測一次。4、滲入速度穩(wěn)定，完成試驗試驗記錄的過程中，繪制出滲速時間v-t曲線，當(dāng)試驗時間（一般為30分鐘）曲線保持在一個不大的區(qū)間，再延續(xù)一段時間，如2-3h，即可結(jié)束試驗。圖4-1 滲流速度隨時間變化曲線圖5、精度要求流量觀測精度應(yīng)達到0.1L開始的

5、5次流量觀測間隔5min，以后每隔20min觀測一次。連續(xù)兩次觀測流量之差不大于5%，即可結(jié)束試驗，取最后一次注入流量作為計算值五、試驗數(shù)據(jù)處理的方法圖5-1 垂向一維滲流剖面示意圖1、垂向一維滲流原理雙環(huán)滲水試驗主要是利用內(nèi)環(huán)滲水模擬垂向一維滲流來求取試層垂向滲透系數(shù)的。垂向一維滲流的簡單模式如圖5所示。滲水下限稱為濕潤鋒面，對于2a，濕潤鋒面未達到地下水面，其以下的巖層仍是非飽和的，濕潤鋒面以上的壓力水頭近似等于毛細上升高度Hc的二分之一；對于圖2b，由于濕潤鋒面已與地下水面交在一起，故其上不存在壓力水頭。如果保持環(huán)內(nèi)的水層厚度Hs為常數(shù)，根據(jù)達西定律，對應(yīng)于圖2a和圖2b的滲水內(nèi)環(huán)底部的

6、垂向入滲速度(v)可分別用式5-1、5-2表示：v=kHS+0.5HC+LwLw 5-1v=kHS+LwLw 5-2式中：V內(nèi)環(huán)底部的入滲速度。K滲透系數(shù)。Hs滲水環(huán)中的水層厚度。Hc毛細上升高度，水向干土中滲透時，所產(chǎn)生的毛細壓力，以水柱高度表示。Lw濕潤帶深度，在試驗時間段內(nèi)，水由試坑底向土層中滲透的深度。Lw值可在試驗后用手搖鉆、洛陽鏟、鐵鍬獲取，測定其含水量變化得知。Hc按表5-1確定。如果當(dāng)試驗層為粗砂或粗砂卵石層，而試坑中水層厚度為10cm時，Hc與Hs及Lw相比則很小，水力梯度近似等于1，則K=Q/A=V。若試驗層是粘性土類，可按HC的實際數(shù)值代入公式計算得出水力梯度I值，再利用

7、V=KI求得滲透系數(shù)（K）。表5-1 不同巖性毛細壓力Hc表巖石名稱Hc(m)巖石名稱Hc（m）重亞粘土1.0細粒粘土質(zhì)砂0.3輕亞粘土0.8粉砂0.2重亞砂土0.6細砂0.1輕亞砂土0.4中砂0.052、包氣帶垂向滲透系數(shù)k的求法通常采用兩種方法，滲透速度近似法和公式法。入滲速度近似法當(dāng)滲水試驗延續(xù)時間較長，v值趨于穩(wěn)定，則由5-1式可得：KV 5-3v=VAt 5-4式中：V為滲水體積，A為滲環(huán)橫截面積，t為入滲時間公式法對圖5-1所示的垂向一維滲流，有下述微分方程：dLdt=kC+LwLw 5-5C=HS+0.5HCHS 5-6式中：給水度。Lwt時(從注水開始算起)濕鋒面的深度(從滲水

8、環(huán)底面算起)。在滲水試驗過程中，由于用調(diào)節(jié)注水量的辦法來保持試坑內(nèi)水層厚度HS為定值，即C為定值。積分5-5式，結(jié)果得：Kt=CLwC-ln(1+LwC) 5-7取兩次觀測時間ti和tj，相應(yīng)有ti、tj時刻濕潤鋒面到達的深度、和ti、tj時刻注水體積Vi、Vj。如果令bi=LwiC 5-8結(jié)果有bi-ln(1+bi)=titj(bj-ln1+bj) 5-9又因為=ALw，=ViALwi=VjALwj 5-10令aij=vivj，則由(8)式可得：Lwi=vivjLwj=aijLwj 5-11聯(lián)立5-8式、5-11式可得：bj=LwjC=LwiCaij=biaij 5-12將5-12式帶人5-

9、9式，消去bj，最后得：1-titjaijbi=ln(1+bi)-titjln(1+biaij) 5-13最后得滲透系數(shù)k的求解公式：k=Ctibi-ln(1+bi)=viAtibibi-ln(1+bi) 5-14由此看出，借助5-14式，只需確定滲水內(nèi)環(huán)的橫截面積A，時間ti及相應(yīng)的滲水體積Vi系數(shù)bi的值，即可求得滲透系數(shù)k值。六、數(shù)據(jù)處理分析雙環(huán)滲水試驗簡便易行，但無論借助公式法還是入滲速度近似法，所求得的滲透系數(shù)k均為一近似值，有時偏差還很大。近似法所求數(shù)值較公式法偏大的直接原因在于概化為1的系數(shù)HS+0.5HC+Lw/Lw實際上是大于1的。對數(shù)據(jù)處理結(jié)果偏差的原因探討可得。除了人為的

10、隨機性因素以外，主要有以下三個。包氣帶巖層實際滲透系數(shù)是非均質(zhì)的，例如，在剖面中存在一層很薄弱的透水或不透水巖層，就可能會使?jié)B入的水流產(chǎn)生比較大的橫向擴散。從而影響所獲得的滲透系數(shù)的精確度。 由于雙環(huán)試驗所用的滲水環(huán)橫截面積很小，側(cè)向滲透不能完全消除，而求解原理是建立在無側(cè)滲垂向一維滲流的基礎(chǔ)上的，由此產(chǎn)生計算偏差是顯而易見的。 在非飽和巖層滲入的水中包裹空氣。滲透系數(shù)比完全飽和時要小。七、試坑滲水試驗的成果資料包括以下內(nèi)容1）試坑平面位置圖2）水文地質(zhì)剖面圖與試驗安裝示意圖3）滲透速度歷時曲線圖4）滲透系數(shù)的計算5）原始記錄表格等八、總結(jié)由于經(jīng)濟成本低且簡便易行，在包氣帶巖層參數(shù)的求取中，雙環(huán)滲水試驗具有重要的實用價值，但要慎重對待試驗數(shù)據(jù)采集和處理，在采集中盡量避免人為誤差，在處理中力求減小概化誤差。由于基于垂向一維滲流，在公式法求滲透系