双环渗水试验

双环渗水试验作业指导地下水勘查项目部
二O—四年九月
一、实验目的和意义 (1)
二、实验原理 (1)
三、实验仪器 (1)
四、实验步骤 (1)
1、确定试点，开挖试坑。

(1)
2、压入双环、铺砾、立标 (2)
3、定水头注水、观测记录 (2)
4、渗入速度稳定，完成试验 (2)
5、精度要求 (3)
五...................................................... 数据处理的方法 (3)
1、垂向一维渗流原理 (3)
2、包气带垂向渗透系数K的求法 (4)
六.数据处理分析
七.................................................... 试坑渗水试验的成果资料包括以下内容 (7)
八.总结
一. 实验目的和意义
双环法试验是野外测定包气带非饱和松散岩层的渗透系数的常 用的简易方法，试验的结果更接近实际情况。

利用这个试验，主要为 研究区域性水均衡、水库、灌区、渠道渗漏量、山前地区地表水渗入 量等进行的。

二. 实验原理
在一定的水文地质边界以内，向地表松散岩层进行注水，使渗入 的水量达到稳定，即单位时间的渗入水量近似相等时，再利用达西定 律的原理求出渗透系数（K ）值。

三. 实验仪器
渗水双环（两个高约50Cm,直径分别为0.25m 和0.5m 的铁环）、 两套带有刻度的供水桶、胶带、橡皮管,止水夹、铁锹、尺子、及若 干要填在试环底部的小砾石。

图3-1双环试验剖面示意图
照片3-1双环试验野外示意图
四. 实验步骤
确定试点,开挖试坑.
确定试点有三个原则：
①是代表性。

试点处的包气带岩层要能代表试区相当大范围内 包气带岩层的情况；②是一致性，试点处包气带岩层的选择应与大
供水桶
外环
/内环
渗肪向
目标一致，如本次实例是为了选择人工回灌点，所以选择包气带岩层渗透性能较好的部位进行试验。

③选择试验场地，最好在潜水埋藏深度大于
5m的地方为好。

如果潜水埋深小于2m时，因渗透路径太短，测得的渗透系数不真实，就不要使用渗水试验。

试坑开挖：
铲去表土，露出目标层，试坑深度应大于0.8-1.2m,试坑面积1.3 ×l.Om 左右，以消除包气带表层植被根系对试验的影响
2.压入双环.铺砾.立标
将双环同心压入试坑底部中央，原则上压入0.8-1Cm即可，实际中，将双环压入试层3-8Cm O铺砾的目的是防止注水时将环底的沙层冲起，试验中实际铺砾3-4cm.立标的目的在于，定水头注水时，控制环底水层厚度，一般控制在1 Ocm,需要说明的一点是，此处所言的“水层厚度”是包括环底铺砾厚度在内的。

3.定水头注水.观测记录
以环底水标为准，保持标头刚好淹在水中，内外环同时定水头注水（随时保持内外环的水柱都保持在IOCrn的同一高度。

这样即可认为，内外环之间渗入的水主要消耗在侧向扩散上，内环渗入的水主要消耗在垂向渗透上，为准垂向一维渗流）。

同时从供水桶观测注入水量。

记录的时间，开始时因渗入量大，观测间隔时间要短，稍后可按一定时间间隔比如每10分钟观测一次。

4.渗入速度稳定，完成试验
试验记录的过程中，绘制出渗速时间v・t曲线，当试验时间（一般为30分钟）曲线保持在一个不大的区间，再延续一段时间，如2-3h, 即可结束试验。

5. 精度要求
①流量观测精度应达到O.1L
Q ）开始的5次流量观测间隔5min,以后每隔20min 观测一次。

③连续两次观测流量之差不大于5%,即可结束试验，取最后一 次注入流量作为计算值
五. 试验数据处理的方法
地下水面
湿润輝面 7
∖ ! I ∣V I I
饱水帯
2-b
图5√L 垂向一维渗流剖面示意图
1、垂向一维渗流原理
双环渗水试验主要是利用内环渗水模拟垂向一维渗流来求取试 层垂向渗透系数的。

垂向一维渗流的简单模式如图5所示。

渗水下限 称为湿润锋面，对于2—a,湿润锋面未达到地下水面，其以下的岩层 仍是非饱和的，湿润锋面以上的压力水头近似等于毛细上升高度HC
的二分之一；对于图2—b,由于湿润锋面已与地下水面交在一起，故 其上不存在压力水头。

如果保持环内的水层厚度HS 为常数，根据达西 定律，对应
0.005
0•
齊
渗流速度随时间变化亡
5
10 15 20 25 30 IO 50 63 70 80 90 110 130时间/・讪
图44渗流速度随时间变化曲线图
饱水带
2~a
水面
I
试水面
I
于图2—a和图2—b的渗水内环底部的垂向入渗速度(V)可分别用式[5-1] [5-2]表示:
y=k (H S+°∙5H C+L W)[5-1]
LW
<⅛+M[5-2] V=k
式中：
V—内环底部的入渗速度。

K—渗透系数。

H渗水环中的水层厚度。

He—毛细上升高度，水向干土中渗透时，所产生的毛细压力，以水柱高度表示。

―一湿润带深度，在试验时间段内，水由试坑底向土层中渗透的深度。

LW值可在试验后用手摇钻、洛阳铲、铁锹获取，测定其含水量变化得知。

HC按表5・1确定。

如果当试验层为粗砂或粗砂卵石层，而试坑中水层厚度为IOCrn时，HC与HS及LW相比则很小，水力梯度近似等于1,则K=Q/A=V o
若试验层是粘性土类，可按HC的实际数值代入公式计算得出水力梯度I值，再利用V=Kl求得渗透系数(K )。

表5-1不同岩性毛细压力HC表
2.包气带垂向渗透系数k的求法
通常采用两种方法，渗透速度近似法和公式法。

①入渗速度近似法
当渗水试验延续时间较长，\/值趋于稳定，则由[5-1]式可得:
[5-3]
[5-4] 式中：
V—为渗水体积，
A—为渗环横截面积，
t—为入渗时间
（2）公式法
对图5J所示的垂向一维渗流，有下述微分方程：
μ dL = k c÷u [5-5] Cit LW
[5-6]
式中：
μ-给水度。

S—t时（从注水开始算起）湿锋面的深度（从渗水环底面算起）。

在渗水试验过程中，由于用调节注水量的办法来保持试坑内水层厚度HS为定值，即C为定值。

积分[5-5]式，结果得：
牛=C怜一In（1 +牛）] [5-7] 取两次观测时间ti和tj,相应有tj、tj时刻湿润锋面到达的深度、和如tj 时刻注水体积Vi、VJ e
如果令
bi =妝[5-8]
1 C
结果有
b i -ln(l ÷b i) =^-(b j -In(l + b j))[5-9]
又因为
k =μ^ [b i - In(I + b i )] [b i - In(I + b i )]
由此看出，借助[5-14]式，只需确定渗水内环的横截面积A,时 间B 及相应的渗水体积Vi 系数6的值，即可求得渗透系数k 值。

六. 数据处理分析
双环渗水试验简便易行，但无论借助公式法还是入渗速度近似法, 所求得的渗透系数k 均为一近似值，有时偏差还很大。

近似法所求数 值较公式法偏大的直接原因在于概化为1的系数H s +0.5H c +Lw∕L w 实际 上是大于
1的。

对数据处理结果偏差的原因探讨可得。

除了人为的随机性因素以 外,主要有以下三个。

①包气带岩层实际渗透系数是非均质的，例如， 在剖面中存在一层很薄弱的透水或不透水岩层，就可能会使渗入的水 流产生比较大的横向扩散。

从而影响所获得的渗透系数的精确度。

② 由于双环试验所用的渗水环横截面积很小，侧向渗透不能完全消除， 而求解原理是建立在无侧渗垂向一维渗流的基础上的，由此产生计算 偏差是显而易见的。

③ 在非饱和岩层渗入的水中包裹空气。

渗透系 数比完全饱和时要小。

V =(.1AL W , μ = =
卜 F 卜 AL Wi AL Wj ÷a ij =工则由⑻式可得：
,V i
LWi - ~
- ^*wj
联立[5-8]式、[5-11]式可得：
K = ⅛= ⅛L = k r C Ca i j a i j
将[5-12]式带人[5-9]式，消去bj,最后得:
(1-⅛)bI = In(I + b ∙)-⅛bl (1 + ⅛)
最后得渗透系数k 的求解公式：
[5-10]
[5-11]
[5-12]
[5-13]
[5-14]
七、试坑渗水试验的成果资料包括以下内容
1）试坑平面位置图
2）水文地质剖面图与试验安装示意图
3）渗透速度历时曲线图
4）渗透系数的计算
5）原始记录表格等
八、总结
由于经济成本低且简便易行，在包气带岩层参数的求取中，双环渗水试验具有重要的实用价值，但要慎重对待试验数据采集和处理,
垂向一维渗流，在公式法求渗透系数的过程中，侧向渗透对求解结果的影响颇大。

因此，在双环试验中保持内、外环水层高度一致很重要。

在入渗速度近似法求k中，约束条件为H s÷0.5H√L w很小，要使此条件得到满足，控制上试环水层厚度在IOCrn以下是必要的。

双环渗水试验对渗透系数较大的松散岩类孔隙岩层的适用性较好，而对渗透系数较小的粘土、亚粘土岩层的适用性较差。