地下水水文学 Groundwater Hydrology

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1 地下水水文学 Groundwater Hydrology
讲授：肖长来 吉林大学环境与资源学院 水文水资源系 2005年10月

2 地下水水文学实验 实验一 达西实验 实验二 持水度测定 实验三 含水率剖面 实验四 孔隙度测定 实验五 给水度测定
实验六 毛细水上升高度的测定 实验七 渗压实验

3 实验一 达西定律--1.目的意义 (1) 掌握实验室测定岩石渗透系数的方法，加深对岩石渗透系数的认识。 (2) 验证达西定律，从而提高对直线渗透定律的理解。 岩石渗透系数是定量描述岩石透水性能的物理指标，岩石空隙越大、连通性越好，则渗透系数越大，单位时间内通过过水断面的水量越多。其物理含义是当水力坡度等于1时，渗透系数就等于渗透速度。渗透系数是进行井孔、矿坑涌水量及水库，渠道渗流量计算时不可缺少的重要水文地质参数。 确定渗透系数的方法很多，在野外常用井孔抽水，注水及试坑渗水、压水试验等方法。所得资料可靠精度高，但效率低，成本高。在室内常用达西仪，戚姆仪及渗压仪等方法测定。本次实验采用达西仪测定岩石的渗透系数。

4 实验一 达西定律--2. 仪器设备 达西仪共由四部分组成。 (1) 供水器装置（马氏瓶）：以法国物理学家Mariotte的马利奥特瓶装置，是一种能控制水位又能自动连续补给水的量测装置。 (2) 渗透装置（试样筒）：有机玻璃园桶，上部设有进水孔，底部装有过滤筛板，下端有出水孔，供测量渗流量用。侧面有三个侧压孔。 (3) 测压装置（测压板和测压管）：在测压板上装有三根5-8cmm带刻度的玻璃管，分别与试样筒上的三个测压孔连接，测定三个断面上的测压水位用。三个测压管用胶管分别与试样筒相应的管孔联结。其它设备有100m1的量筒、水槽、漏斗、捣捧、装样杯、秒表、温度计、管夹、胶皮管及吸气球等。 (4) 排水装置：在测压板上均匀分布有一系列的圆孔，用于调节排水水位。

5 实验一 达西定律 2 仪器设备 马氏瓶 测压板 排水装置 测压管 试样筒

6 实验一 达西定律--3. 实验步骤 (1) 检查仪器设备是否齐全，完好：胶管与仪器连结处是否漏气漏水或堵塞。
(2) 装样；在装样前在过滤筛板上放二层滤纸，然后装样，每装3—5cm厚时，均用捣捧轻击数次，并测定试样的孔隙度或容重使其结构尽量符合实地的状态。重复上述过程，直至试样超过最上一个测压孔以上5cm为止。 (3) 饱和试样，将排水水位调节高于试样水面，打开供水管夹，待试样表面出现水膜时立即关闭供水夹，观察试样筒及三个侧压管水位是否在同一水平面上(<1mm为准)；如果没有则说明气泡没有排尽或侧压管被堵塞，需将侧压板倾斜或用吸气球从低水位管中吸出水为止。 (4) 实验测定：打开供水管夹调节排水水位，当侧压管水位稳定后(30秒钟内水位变动<1mm)，记录各侧压水位值(读弯液面下缘高度)，同时测定在时间t秒钟内出水管的渗透量及水温T℃。重复测定二次取其平均值。然后再调节二次排水水位(即改变I)，如同前述测得二次调节后的各值。调节时应逐级上升或依次下降，不要跳跃式的上升或下降，以免冲坏试样原有结构。

7 实验一 达西定律--3. 实验步骤 最后测量试样筒内径d及测压孔间距L1、L2并将三次不同排水水位时，所测得数据一一填入记录表1—1．
仪器内径D＝　　　　　　cm　　　　　　　　　　班级： 渗透土柱断面面积F＝　　cm2　　　　　　　　　试验者： 测压间距L＝　　　　　　cm　　　　　　　　　　日期： 表 达西实验记录表

8 h1,h2,h3―分别为侧压管1,2，3的相对水位（cm）； L1, L2―分别为侧压孔1,2,3孔的间距（cm）。
实验一 达西定律--4．作业要求 1.计算渗透系数（K） 根据达西公式， (1－1) ; (1－2) 式中： K－试样的渗透系数（cm/s）；v―渗透速度（cm/s）；Q―渗透流量（cm3/s）；t―测流的时间段（s）；W―在t秒时间段内测得的渗透量（cm3）；F―过水断面积（cm2）；d―试样圆筒的内径即试样柱的直径（cm）；I―水力坡度： h1,h2,h3―分别为侧压管1,2，3的相对水位（cm）； L1, L2―分别为侧压孔1,2,3孔的间距（cm）。 ; 2019/2/25

9 实验一 达西定律--4．作业要求 2、渗透系数温度校正计算 。
地下水的渗透速度不仅与岩石本身的性质有关，而且还与水温和动力粘滞系数有关，因此在计算温热矿水或预测不同水温的渗透系数时，应考虑水温的影响，现以校正成水温为10℃时为例对渗透系数校正计算，其计算公式为： 式中： K0，K10, KT―分别为水温在10℃；T℃的渗透系数。 t0，t10, tT ―分别为水温在10℃；T℃的温度校正系数。 m0，m10, mT―分别为水温在0℃；10℃；T℃的水的动力粘滞系数，根据普阿杰里表，直接查得。 ；

10 实验一 达西定律--4．作业要求

11 实验一 达西定律--4．作业要求

12 实验二 持水度/含水率的测定--1.目的意义 1. 通过实验，加深对持水性、持水度概念的理解，以及持水度与含水率的根本区别。 2.掌握实验室测定持水度的基本方法和步骤。 岩石的持水性是指饱水岩石在重力作用下释水时，由于岩石颗粒表面与水分子间的分子吸引力及孔隙毛管力的作用，使一部分水份仍能保持在孔隙中的这种性能。 岩石持水性大小的定量指标以持水度来表示，即为饱水岩石经释水后所能保持水的重量与其岩石的重量之比值。也可称为最大分子持水度，在支持毛管水带内所测得的持水度叫毛管持水度。

13 实验二、三 持水度/含水率的测定--1.目的意义
持水度是饱水岩石经天然或人工排水疏干自由重力水时的含水率，即为岩石所含结合水重量与岩石干重之比。其值大小仅取决于岩性、结构。相同粒度、结构的岩石，持水度应接近于常值。 含水率的大小除与岩性、结构外还与岩石所处的自然环境、距水及地下水面远近有关，随垂向剖面由上至下，由天然含水率(最小值)渐变到饱和含水率(最大值)，其值相差非常悬殊。 持水度是进行地下水储量计算或排水疏干以及地下水动态研究时的重要参数之一，在加强田间土壤水分管理增产增收及道路翻浆，冻胀研究工作中起着重要的作用。

14 实验二、三 持水度的测定--1.目的意义 持水度与给水度

15 实验二、三 持水度/含水率的测定---2 仪器设备
以前习惯将含水率合并在持水度测定试验中进行，选用高柱仪。本次试验为了测定垂向剖面上的含水率及绘制剖面水分特征曲线，采用土柱仪进行实验。 土柱仪也可用于含水率、给水度的测定，在装样前首先测得过滤底板以下的体积(或密封)，用马氏瓶供水，测得试样体积和充水至试样表面出现水膜为止时，所需水的体积，又可用注水法测定试样的孔隙度。 仪器设备：恒温烘箱(100—105℃)，百分之一天秤；称样铝盒，取样小勺，干燥器，装样杯及捣棒等。

16 实验二、三 持水度的测定2仪器设备 马氏瓶 供水夹 排水夹 土柱仪

17 实验二、三 持水度/含水率的测定—3.实验步骤
(1) 装样：最好是取直径稍大于土柱仪的原状试样，边削边装入园筒中。扰动试样要分层装，每装3—5cm厚时，均用捣棒轻击数次，并测定试样的孔隙度或容重使其结果尽量符合实地的状态。重复上述过程直至试样与土柱仪筒口一样高为止。 (2) 饱水和释水：打开供水夹，向土柱中充水。待试样表面出观水膜时立即停止供水。充分饱水后开始释水，排尽柱仪中自由重力水。 (3)取样秤重：记录最终水位，分别在2，4，6，8，10，12，14，16及18号孔取试样30~50g左右，装入已知重量(g0)的铝盒内；立即盖好盒盖(盖及盒号应相符)，擦净盒外余土杂物，用天秤称得盒及湿土重量(g1)，打开盒盖放入烘箱，在105℃温度下恒温4小时以上，烘干。

18 (4) 分别盖好相应的盒盖，放入干燥器，冷却至室温，称得盒和干样重量(g2)。
实验二 、三 持水度/含水率的测定 (4) 分别盖好相应的盒盖，放入干燥器，冷却至室温，称得盒和干样重量(g2)。 (5) 将称得盒重，盒及湿样，盒及干样重量按孔号分别填入记录表1-1。 表1-1 持水度试验记录表

19 实验二、三 持水度/含水率的测定--4. 作业要求
(1) 含水率(q)的计算： 将各孔试样计算的含水率逐一填入表1—1。 (2) 绘制剖面水分分布曲线h～ q ，首先分别测得取样各孔至释水后最终静止水位的距离h(cm)，设水位为原点，以距离h为纵座标，以含水率(q)为横座标，绘制h—q曲线。曲线上q值变化不大的孔段范围内， q的平均值即为持水度(Sr ) 。 (3) 分析h— q曲线的特征和拐点，确定持水度(最大分子持水度)、毛管水及支持毛管水带的分布高度(cm)。

20 实验二、三 持水度/含水率的测定--4. 作业要求
剖面水分分布曲线h～ q

21 实验四、五 给水度/孔隙度的测定--1.实验目的及意义
（1）通过实验，加深对岩土容水性/容水度/孔隙度、给水性/给水度概念的理解，以及给水度与容水度的区别。 （2）掌握实验室测定容水度/孔隙度/给水度的基本方法和步骤。 给水度是衡量潜水含水层给水性能大小的一个重要指标。 早在四十年代，苏联学者提出：在重力作用下，单位体积饱水岩石所排出重力水的体积，称为重力给水度。 七十年代，著名的地下水水力学家J.Bear提出新概念——潜水水位下降单位深度时下降水位以上单位横截面积土柱所排除的水量，称为给水度。 模拟试验结果表明，前者仅适用于理想的砂砾石（很少见），这就限制了它的广泛应用。后者不仅适用于任何粒度的孔隙岩石，而且还能把下降水位以上的水位变动带与非饱和水带做为统一体考虑，反映出饱和流和非饱和流之间的内在联系，应用范围广。

22 实验四、五 给水度/孔隙度的测定--1.实验目的及意义
近年来, 在上述研究成果基础上，应用水文地质力学观点，分析作用在潜水含水层上界面——自由水面处土自重压力变化对含水层释水的作用，经多次模拟试验得知：潜水水位下降，不仅会引起下降水位以上(包括水位变动带在内)的整个非饱水带的排水，而且还能引起下降水位以下整个饱水带(含水层)的压缩变形，部分孔隙被挤出而称为释水。 潜水含水层的给水度，不能仅视为由水位变动带的岩性和包气带的水分再分配而决定的物理参数，而是与包括包气带与饱水带在内的整个含水柱体有关的经验参数.

23 实验四、五 给水度/孔隙度的测定--1.实验目的及意义
实验四、五 给水度/孔隙度的测定--1.实验目的及意义 潜水含水层的给水度

24 实验四、五 给水度/孔隙度的测定--1.实验目的及意义
容水度/孔隙度

25 实验四、五给水度/孔隙度的测定—--1.实验目的及意义
持水度与给水度

26 实验四、五 给水度/孔隙度的测定--2仪器设备
马氏瓶 实验四、五 给水度/孔隙度的测定--2仪器设备 供水夹 排水夹 土柱仪

27 实验四、五 给水度/孔隙度的测定—3.实验步骤
(1) 装样：最好原状试样；扰动试样要分层装，每装3—5cm厚时，均用捣棒轻击数次，并测定试样的孔隙度或容重使其结果尽量符合实地的状态。重复上述过程直至试样与土柱仪筒口一样高为止。 (2) 饱水：打开供水夹，向土柱中充水。待试样表面出观水膜时立即停止供水；量测并记录饱和干燥试样所用的水体积Vn。 (3) 释水：充分饱水后，打开排水夹开始释水，排尽土柱仪中自由重力水，采用量杯量测并记录所排出的水体积Vw。 测量土柱仪直径D(半径r)、偶数编号各孔高度(hi)、土柱高度(Hw)。

28 实验四、五 给水度/孔隙度的测定—4.作业要求
(1) 计算岩土的孔隙度n：n=Vn/Vt, Vt=3.1415·r2·Hw 式中Vn—饱和干燥试样所用的水体积； Vt— 土柱仪中土柱的总体积； (2) 计算岩土的给水度m：m =Vw/Vt, Vt=3.1415·r2·Hw 式中Vw—饱和土柱在重力作用下完全排水所排出的重力水体积； (3) 成果检验：m + Sr =n （砂土）； m + nd+Sr =n （粘土） 若测得饱和重量含水量q s和干容重（干密度）gd，则有 n= gd · q s (4) 分析给水度/容水度的影响因素。

29 (1) 掌握实验室测定岩石毛细上升高度的方法； (2)加深对毛细现象和毛细水的认识。
实验六 毛细上升高度的测定—1.目的意义 (1) 掌握实验室测定岩石毛细上升高度的方法； (2)加深对毛细现象和毛细水的认识。 毛细水上升高度是水在疏松岩石孔隙中因毛管力的作用。以—定的速度上升，直至达到毛管水上升最大高度。 测定毛细水上升高度，对研究地下水的蒸发消耗以及土壤盐渍化的形成，改良等有着重要的意义。地下水的入渗和蒸发都是毛管水通过静水压力来传递的。因此有必要对包气带中毛管水的上升高度、赋存，运移特征及其影响因素进行研究。

30 实验六 毛细水上升高度的测定—2．基本原理 卡明斯基毛管上升高度测定仪是根据土中发生毛管水现象时，弯液面产生负压力使毛管中静水压力小于大气压力，其所差之值相当于毛管水上升水柱高度乘以水的容重(水的容重等于1)，利用连通管测定毛管水上升高度的负压水柱等于支持下降水柱高度的等压面原理测得的。 毛管水能够传递静水压力，是通过长、短管中的毛管力与支持毛管水上升高度水柱的重量相平衡的原理进行实验的。当得到入渗补给时饱水高度超过毛管水上升最大高度时，便要流出高出部分的重力水，直至达到毛管水最大上升高度为止。

31 实验六 毛细水上升高度的测定—3．仪器设备 卡明斯基毛管仪 (1)试样筒：直径为4~6cm的玻璃管：高约为20cm、其底部有两细管A、B。其中A管用于充水、排水、B管用于排气；试样筒底部铺一金属网或透水板，防止试样流失。 (2)供水瓶 (3)U字型压力计：以直径为0.5~1.0cm的玻璃管连成U字型的压力计，压力计下部有—个三通管。分别与压力计，供水瓶、排水管C连结。 (4)标尺：标尺镶在型压力计玻璃管的的右侧，标尺零点在上端与装样筒底部试样在同一水平面上。 (5)捣棒.

32 实验六 毛细水上升高度的测定—目的意义 卡明斯基长、短管装置: 其厚壁玻璃管内径2~3cm，长管长为60~100cm三根，短管长为10~20cm，上有精度为1mm的刻度，零点在下端，管下端用金属网缚住。

33 实验六 毛细水上升高度的测定—4. 实验步骤 卡明斯基毛管仪的实验步骤 (1)将试样装入试样瓶中约10cm。装样时分 数次进行，并分层捣实。如采用原状土样，可切成与试样简直径相同，高约10cm的土柱装入试样筒中，四周孔隙用蜡密封，不使漏气； (2)打开A、B管，关上C管，逐渐使土样被水饱和至表面出现水膜为止。土样饱和需缓慢进行。排尽管内空气，至管B中流出的水无气泡时，关闭B管，试样上部出现水膜时关闭A管。 (3)慢慢松开C管夹，把水流控制在每秒1~2滴。使右侧压管水面缓缓下降，记下管内水面停止下降接着突然上升时刻的测压管中水面对应标尺的读数。即为毛细水上升高度HK。 (4)重复上述步骤，测定HK值，取其算术平均值。若两次试验结果相差太大，应重复实验。

34 实验六 毛细水上升高度的测定—4. 实验步骤 卡明斯基管的实验步骤 (1)将欲测粗、中、细砂样分别装入三个玻璃管中，每装入2~3cm高度的砂时，用棒轻轻捣实之。 (2)将装满砂样的玻璃管用万能表夹夹上后固定在支架上，其下端插入水槽内中部。 (3)注水入槽时，使水面高出管下端0.5~1cm。试验过程中用马氏瓶供水，保持水槽中水面不变。 (4)注水入槽后，间隔2、3、4、5、10、20、30、 60分钟观察玻璃管中土样颜色的深浅，记录各时刻毛管水上升高度值(高度从槽中水面算起)直至上升稳定为止。将所测时间及毛管水上升值记录在表4-1中。

35 实验六 毛细水上升高度的测定—4. 实验步骤

36 实验六 毛细水上升高度的测定—4. 实验步骤 长短管实验步骤: (1) 取一支10cm短管，均匀密实装填欲测试样至8cm。该试样最大毛管上升高度应小于长管长度，而大于短管长度。放入盛有颜色水的量杯中。使之被毛管水所饱和，之后取出擦净管外壁的水，放到支架上，下端放—空量筒。然后在试样面上加水10ml，记录管下流出水量，颜色以及管上端白山水面消失与管下端无水流出的时间关系。 (2) 取长，短管各一支，均匀密实装填同样试样与管口齐平。短管放入内盛颜色水的量杯，使之饱和。长管放入盛无色水的水槽。使之毛管水上升至稳定为止。 (3) 取出长、短管、擦净外壁，然后，将长管下端紧压在短管上端，使其密接，下端用量筒接滴水。滴水停止后，记下流出水量及颜色。

37 实验六 毛细水上升高度的测定—5.作业要求 (1) 用卡明斯基毛管仪测定毛管上升高度时，为什么取当测压管水面下降停止，然后突然回弹上升时刻的高度为最大毛管上升高度Hk ? (2) 利用粗、中、细砂最大毛管上升高度的实验结果，简述影响毛管水上升高度的因素。试样瓶及侧压管的直径大小, 对测定结果有否影响? (3) 根据表4—1资料，绘制毛管水上升高度与时间的关系曲线(用h作纵坐标)。近于抛物线， (常值)，m值通常大于2，且常值m随试样而异。根据 式，说明毛管水运动的特征。 (4) 用现象来说明毛管水是怎样传递静水压力的。 (5) 长、短管未相接前，为什么不滴水?相接后为什么又滴水？滴出的水量相当于原先那一个管里的水?

38 实验七 渗压实验--1.目的意义 (1) 掌握实验室方法开采条件下的渗透系数的方法； (2) 了解渗透系数的影响因素及变化特征。 由于土体在地下不同深度处，其压密程度是不同的，当试样从地下取至地面后，由于上覆土层自重压力的解除，试样体积将会发生膨胀，使土体孔隙加大，导致渗透系数K增大，为了恢复土样的天然状态，可向试样施加一与自重压力相当的固结压力，待固结稳定后，即认为土样恢复了天然状态，再进行渗透试验，即得到天然状态下的渗透系数K。如果按不同深度上的自重压力，逐级加荷、固结稳定，进行渗透实验，则可得到天然状态下的含水层渗透系数剖面。对取得开采条件下的渗透系数有实际意义。

39 实验七 渗压实验--2.实验原理 渗压仪即可模拟试样的天然状态，它采用纯气压加荷稳压系统，由空压机通过压力控制器向试样施加固结压力，固结压力的大小，通过调压阀调节，精密压力表监控，固结过程由百分表监测土样的变形量。 渗压仪的渗压系统可造成一个水头差，使水在土样中呈层流运动，同时可以通过施加渗透压力、加快渗透速度，实验时的渗透流量，、过水断面以及渗透路径均可直接测得，渗压实验在渗透过程中水头是随时间变化的变永头。

40 实验七 渗压实验--2.实验原理 流量方程的微分形式 ： 变换后得： 式中：K— 渗透系数(cm／s)； f— 计量管面积(cm2)； L— 试样高度，即渗透路径(一般为2cm)； F — 试样面积，即过水断面面积(一般为30cm2)； T — 渗透时间（s）； H1— 初始水头(cm) ； H2— 末刻水头(cm)； h — 任意时刻t的水头 (cm)。

41 实验七 渗压实验--3.实验仪器与工作原理 渗压仪工作原理 (1) 动力系统：仪器的动力系统是空压机，空压机由压力控制器控制，将空气压缩到储气筒，由压力表监测其压力的大小。 (2) 加荷系统(固结试验部分)：调节调压阀，使储气简中的气通过管道，输出装有滚动隔膜的气缸，推动加压活塞向试样施加固结压力，其压力大小由精密压力表监控。 (3) 渗压系统(渗透试验部分)：计量管中的水通过渗压容滞的底部进入试样，对试样进行渗透，同时可以采用施加气压方法，来调节定值器，给计量管水面施加不同的稳定渗透压力，加快渗透速度，渗透压力的大小由精密压力表监控。 (4) 供水箱与集水箱：供水箱向计量管中供水，渗透排出的水通过溢水孔排到集水箱中。

42 实验七 渗压实验--4.实验步骤 (1) 取样：用环刀削取原状土样(粗砂除外)，顶，底面贴上滤纸，放在透水石中间，用饱和架夹紧，放到饱和器中进行真空饱和(抽真空1～2小时，饱水12小时)，砂土可直接放到渗压容器中渗透饱和。 (2) 放松调压阀和定值器，防止打开空压机时，较大的压力突然加于试样上，然后打开空压机。 (3) 装样：将饱和好的试样，刀口向上，放在渗压容器底座上，套上橡胶止水圈和定向片，压紧圈按顺时针方向旋紧，然后套上导向环，放上透明水石，传压帽和钢球以及套环，打开三通开关，使供水筘与试样底座相通，再打开计量A(或B)的两通开关，待水达到溢水孔后，关闭两通开关。

43 实验七 渗压实验--4.实验步骤 (4) 调零：缓缓地旋转调压阀，当气压表读数为0.14时，土样上部的钢球与横梁刚好接触，装上百分表，旋转调节环，使百分表的指针对准零位。 (5) 施加固结压力：根据固结压力与气压表读数之间的关系q= p(q为气压表读数，p为固结压力)，对土样施加固结压力，使气压表读数达到土体自重压力。 (6) 渗透：固结稳定后(一小时内、百分表读数变化小于0.5)，首先向计量管中洪水，即打开计量管A(或B两通开关，再打开三通开关，使供水箱与计量管相通，待计量管水位上升稳定后，关闭计量管开关，然后再打开三通开关，使计量管与试样通，记录计量管中水面标高及毫升数，打开计量管开关，同时用秒表计时，经过某一时段后，关闭计量管开关，记录A(或B)计量管中水位下降后的标高及毫升数(或施加某一渗透压进行渗透).

44 实验七 渗压实验--5.资料整理

45 实验七 渗压实验--5.资料整理