水文地质学实验项目.doc
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水文地质学实验项目.doc
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《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。
表1-1
给水度仪编号
透水石负压值(水柱高,厘米)
试样筒容积(mL)
第一次
第二次
选用负压值
第一次测定
第二次测定
平均值
表1-2
A砂
粒径
B砂
粒径
进水量(mL)
初始液面刻度
终止液面刻度
进水量
退水量(mL)
初始液面刻度
终止液面刻度
退水量
容水度(%)
给水度(%)
持水度(%)
八、实验注意事项
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。
达西渗流定律实验仪装置示意图
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(HenriDarcy)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hw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:
式中:
l为两个测量管孔之间距离;h1与h2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:
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;
——渗流量;
A——圆桶断面面积;
hw——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:
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2~3cm,每加一层,用压砂杆适当压实,装砂量以高出上测压点6~7cm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)
表2-1渗流实验测记表
序次
1
2
3
4
测点间距(cm)
测点压差(cm)
h1
h2
Dh
水力坡度J
流量qV
体积(cm3)
时间(s)
流量(cm3/s)
砂筒直径d(cm)
面积Acm2
流速v(cm/s)
渗透系数k(cm/s)
备注
九、预习与思考题
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
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