水文地质学基础实验(三) 毛细水上升高度测定

水文地质学实验指导书福州大学环境与资源学院刘思红编2012年5月目录实验一测定岩土的水理性质 (1)实验二观测岩土中毛细水的上升高度 (4)实验三达西渗流实验 (8)实验四绕坝渗流演示实验 (16)实验一测定岩土的水理性质一、实验目的松散岩土中的地下水主要是以结合水、毛细水和重力水的形式存在。

结合水是由于松散岩土的颗粒表面均带有电荷，水分子又有偶极体，由于静电吸引，颗粒表面具有吸附水分子的能力，这部分被吸附的水就被称为结合水，由于颗粒表面的吸引力大于水分子自身的重力，此部分水束缚于颗粒表面，不能在自身重力影响下运动。

毛细水是由于液体表面张力作用而存在于岩土细小孔隙或颗粒之间间隙中的水，前者称为孔角毛细水，后者称为触点毛细水，这部分水由于毛细力的作用，也不能在自身重力作用下运动。

重力水是指距离岩土颗粒较远，存在于岩土较大孔隙中的水，这部份水自身重力对它的影响大于岩土颗粒表面对它的吸引力，同时也大于毛细力的吸引力，能在自身重力影响下能够自由运动。

井、泉取用的地下水都属重力水，是水文地质研究的主要对象。

测定岩土的容水度、持水度、给水度是水文地质专业重要的工作内容之一。

1.容水度(n)容水度是指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值，可用小数或百分数表示，一般说来容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相当。

但是对与具有膨胀性的粘土，充水后体积扩大，容水度大于孔隙度。

2.给水度（μ）若使地下水面下降，则下降范围内饱水岩土中的水，将因重力作用而下移并部分地从原先赋存的空隙中释出，把地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释出的水（重力水）的体积称给水度（岩石完全饱水后在重力作用下释出的水的体积与岩石总体积的比值称给水度）。

3.持水度(s)地下水位下降时，一部分水（毛细水、结合水）由于毛细力和分子力的作用而仍然反抗重力保持于空隙中，地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量，称作持水度。

关于粘土的毛细水上升高度测量方法的论述粘土的毛细水上升高度是水库浸没评价的一个重要指标，但粘土的毛细水上升高度是一个复杂的地质现象，《规范》中有明确粘土毛细上升高度具体室内试验方法，但与现实工况观测数据有误。

现将测定粘土毛细水升高度的几种方法做比较论述。

标签：毛细水上升高度；浸没一、引言评价水库区浸没与否一个关键指标就是临界地下水位埋深，进行浸没初判时一般临界地下水位埋深按毛细水上长升高度加上安全超高值；浸没复判时农作物区及建筑物区都需要考虑土层毛细水上升高度，由此可见，水库浸没评价的一个重要指标是土的毛细水上升高度值。

二、方法介绍1 现场观测法现场观测毛细水上升高度，一种在浸没区内利用天基坑地下水揭露点，另一种为选择合适的地点人工现场开挖揭露地下水点，肉眼观察毛细水升高度值。

其基本原理为由于毛细水上升区内土层含水率较高导致土体颜色深，而非毛细水强烈上升区含水率较低而颜色浅，土体的含水率不同时导致土体的稠度状态亦有区别，深颜色与浅颜色显著差别点距地下水位深度为毛细管水上升值。

2 室内试验卡明斯基毛细仪法，室内试验测试土体毛细上升高度基本原理：存在于土的毛细管孔隙中的水，在固相、液相、气相三相交界面处形成了弯液面，产生了具有拉应力性质的弯液面力。

当土层与地下水面接触时，由于弯液面力的作用使毛细水上升，直至液柱重量与弯液面力平衡，此水柱高度是就是毛细水上升高度。

本方法可以直接观察到弯液面力能保持的水柱高度。

3 “含水率—塑限”图法此方法列入《铁路工程土工试验规程》TB10102—2010。

这是目前唯一列入规程的粘土毛细水上升高度测试方法。

具体试验过程是：1）在试井（钻孔）每15～20cm取土样，测定土的天然含水率、塑限。

2）以取样深度为纵坐标，以土的天然含水率为横坐标，绘制深度-含水率关系曲线。

3）以土层的塑限绘制竖直线段，竖直线段与含水率曲线最上面的交点，即为毛细水强烈上升高度的顶点。

此点到地下水位的距离为毛细水强烈上升高度值。

会爬高的水实验原理《会爬高的水，神奇的奥秘》朋友们，你们见过会爬高的水吗？这可不是什么魔法，而是有着有趣的科学原理在里面呢！其实啊，会爬高的水这个实验，靠的是一种叫做“毛细现象”的东西。

啥是毛细现象？简单来说，就是一些很细很细的管子，能把水吸上去。

就像我们常见的毛巾，把一角放到水里，不一会儿，整条毛巾就都湿了，这就是毛细现象在起作用。

在这个实验里，我们用的可能是有很多小孔或者小缝隙的材料，比如纸巾、棉布条。

这些小孔和小缝隙就像是无数个小小的管子。

水呢，就会顺着这些小管子一点点地往上爬。

水为啥会这么听话地往上爬呢？这是因为水分子之间有一种相互吸引的力量。

它们就像好朋友手拉手一样，不愿意分开。

当遇到那些小孔小缝的时候，下面的水分子拉着上面的水分子，大家一起努力，就把水给拉上去啦。

想象一下，这些小小的水分子团结起来，居然能完成这么神奇的事情，是不是特别有趣？我们生活中还有很多地方都有毛细现象呢，比如植物通过根部吸收水分，土壤里的水也能因为毛细现象保持一定的湿度。

所以啊，这个看似简单的会爬高的水的实验，其实藏着大大的科学道理。

下次再看到类似的现象，你就知道这是毛细现象在发挥作用啦！《探索会爬高的水的秘密》嘿，大家好！今天咱们来聊聊那个神奇的会爬高的水的实验。

你说水咋就能自己往上爬呢？这背后的原理可有意思啦！先来说说水的特性。

水啊，它有一种“粘人”的劲儿，分子之间会互相吸引。

这就像小朋友们手拉手，紧紧不松开。

然后呢，咱们做实验用的那些材料，像纸巾啥的，表面有好多小小的通道。

这些通道可小啦，咱们肉眼都不一定能看清。

但水就能钻进去。

一旦水钻进了这些小通道，靠着水分子之间的吸引力，一个拉一个，就慢慢地往上爬了。

就好像在进行一场小小的攀爬比赛。

而且啊，通道越细，水爬得就越高越厉害。

这就好比走小路比走大路更容易到达山顶一样。

这个实验让我们看到了水的神奇力量，也让我们明白了，生活中很多看似平常的现象，背后都藏着科学的道理。

《水文地质学基础》实验实习讲义Ⅰ 实验部分实验一、松散岩石孔隙度、持水度和给水度的测定岩石的空隙是地下水赋存的场所和运移的通道, 作为含水介质, 空隙的性状严格控制着地下水的分布、埋藏和运动特征。

在孔隙水研究中,首先要对岩石的孔隙度、持水度和给水度进行实际测定, 以了解岩层容水、持水和给水能力等方面的水文地质特征。

岩石的孔隙度是用以表征岩石容水性能的重要指标; 岩石的持水度是用来表征岩石在重力作用下仍能保持一定水量能力的指标；岩石的给水度是表征饱水岩石在重力作用下所释出或给出水量大小的指标。

岩石的给水度是评价地下水资源量的一个重要参数, 也是矿坑排水或疏干、建筑工程地基设计和施工等工作必需的一个重要水文地质参数。

一、实验目的及要求通过本次实验, 使学生加深对孔隙度、给水度和持水度概念的理解, 掌握室内测定基本方法; 要求学生在实验过程中认真观察和记录, 分析本次实验后面的相关问题, 写出实验报告书。

二、测定方法及原理松散岩石的孔隙度、持水度与给水度测定方法, 通常有高柱仪法和加压法, 前者适用于砂和亚砂; 后者则用于粘土及亚粘土。

本实验为高柱仪法(图Ⅰ—1), 用以下两种方法均可求得其相应参数。

(一)、直接测定水量法根据定义, 只要测出装入高柱筒中干试样的体积(V 干试样)、试样饱水时所用水的体积(向供水瓶内加入的水和剩余水的体积之差),即：V 饱水=V 加水― V 剩水和在重力的作用下试样排出水的体积(V 排水), 则试样所保持的水体积(V 持水) 为：V 持水=V 饱水― V 排水据此, 就可求出相应的孔隙度(n)、图Ⅰ—1 高柱仪测定装置持水度(s r )和给水度(μ)。

1—高柱筒 2—橡胶管 3—橡皮塞 4—金属网 (二)、间接测定水量法 5—调流量管夹 6—接水桶 7—供水瓶先将干试样装入高柱筒, 并测出干试样体积(V 干试样), 倒出干试样, 并将干燥试样称量获得其总重量(W 干试样)后, 再装入高柱筒, 并加水饱和, 最后使其在重力的作用下自由流出, 直至排尽。

土工试验毛管水上升高度试验11 毛管水上升高度试验11．1 一般规定11．1．1 本试验根据不同的土质，可分别采用直接观测法和土样管法。

11．1．2 直接观测法用于粗砂、中砂，土样管法用于细砂、粉土或毛管水上升高度较小的黏土。

11．2 直接观测法11．2．1 本试验所用的仪器设备应符合下列规定：1 毛管仪(图11．2．1)：包括支架、玻璃杯及厚壁玻璃管。

厚壁玻璃管内径为2cm～3cm，长约100cm，分度值为0．5cm，零点在下端，底端用金属网包住；图11．2．1 毛管仪1-支架；2-玻璃杯；3-厚壁玻璃管2 天平：称量2000g，分度值0．1g；3 其他：烘箱、漏斗、称量盒、捣棒。

11．2．2 直接观测法试验应按下列步骤进行：1 取代表性的风干砂土约1500g，使其分散，借漏斗分数次装入玻璃管中，并应用捣棒捣实，使密度均匀，并达到所需的干密度；2 将玻璃管垂直插入玻璃杯中，管身用支架固定；3 在玻璃杯中注入水，水面应高出管底0．5cm～1．0cm。

在试验过程中水面须保持不变；4 注水入杯后，经过5min、10min、20min、30min、60min，以后每隔数小时，根据玻璃管中砂土颜色的深浅，测记各时间毛管水上升最高点的高度(从杯中水面为基点)，直至上升稳定为止。

11．2．3 本试验的记录格式应符合本标准附录D表D．17的规定。

11．3 土样管法11．3．1 本试验所用的仪器设备应符合下列规定：1 土样管毛管仪(图11．3．1)应符合下列规定：图11．3．1 土样管毛管仪1-供水瓶；2-玻璃管；3-三通接头；4-橡皮管；5-测压管；6-直尺；7-管夹；8-排气管；9-橡皮塞；10-筛布；11-玻璃筒1)玻璃筒(或金属筒)：直径4cm～6cm，高约12cm；2)测压管：直径0．5cm～1．0cm，长约200cm；3)直尺：分度值0．5cm，其零点与试样面齐平。

2 天平：称量2000g，分度值0．1g；3 其他：烘箱、干燥缸、捣棒、直径比玻璃筒略小的切土筒、修土刀、称量盒。

《地下水水文学实验》教学大纲Groundwater Hydrology Experimental课程编码：21A42014课程类别：专业基础课（必修课）学分： 0.5计划学时： 16 课程属性：实验适用专业：水文与水资源工程推荐教材：束龙仓等著，《地下水水文学》，中国水利水电出版社，2009年。

参考资料：王大纯等著，《水文地质学基础》，地质出版社，2006年。

教学目的与任务本课程是为《地下水水文学》课程所开设的实验。

通过实验，应使学生理论联系实践，掌握实验室测定岩石渗透系数、给水度、毛细水上升高度等要素的测量原理和方法，验证达西定律，演示潜水、承压水模拟实验，提高对直线渗透定律的理解，加深对毛细现象、毛细水、潜水和承压水的特点和水位在不同空间位置上的变化规律，明确地下水与河渠之间的水量交换过程，了解河渠间的浸润曲线形状，学会对所测数据进行分析处理的方法，培养学生的动手实践能力。

教学基本要求1、使学生理解达西定律和毛细现象，加深对渗流速度、水力坡度、渗透系数之间关系的认识，并掌握实验室测定渗透系数、毛细水上升高度的方法与步骤。

2、加深对岩土给水性/给水度概念的理解，掌握实验室测定给水度的基本方法和步骤。

3、提高学生对潜水和承压水的特点和水位在不同空间位置上的变化规律的认识，学会绘制潜水和承压水等水位线图，了解河渠间潜水运动对浸润曲线形状的影响，巩固理论知识，增强实践能力。

教学内容、方式及过程安排项目一：给水度的测量建议学时：2学时[教学目的与要求]通过实验，加深对岩土给水性/给水度概念的理解，掌握实验室测定给水度的基本方法和步骤。

[教学方式]分组实验[场所及条件要求]室内实验，具有水/电/介质。

[作业要求]分析实验数据，撰写实验报告。

[注意事项]注意保护仪器。

项目二：持水度的测量建议学时：2学时[教学目的与要求]通过实验，加深对岩土持水性/持水度概念的理解，掌握实验室测定持水度的基本方法和步骤。

[教学方式]分组实验[场所及条件要求]室内实验，具有水/电/介质。