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。

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、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h w 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： w 12h h h hJ l l l-∆===式中：l 为两个测量管孔之间距离；h 1与h 2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：wh kkJ l==vV q 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；V q —— 渗流量；A —— 圆桶断面面积； h w —— 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）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。