雙環(huán)滲水試驗(yàn)

1、雙環(huán)滲水試驗(yàn)技術(shù)培訓(xùn)雙環(huán)滲水試驗(yàn)作業(yè)指導(dǎo)地下水勘查項(xiàng)目部二一四年九月目 錄一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x1二、實(shí)驗(yàn)原理1三、實(shí)驗(yàn)儀器1四、實(shí)驗(yàn)步驟11、確定試點(diǎn),開挖試坑。12、壓入雙環(huán)、鋪礫、立標(biāo)23、定水頭注水、觀測(cè)記錄24、滲入速度穩(wěn)定，完成試驗(yàn)25、精度要求3五、數(shù)據(jù)處理的方法31、垂向一維滲流原理32、包氣帶垂向滲透系數(shù)k的求法4六、數(shù)據(jù)處理分析6七、試坑滲水試驗(yàn)的成果資料包括以下內(nèi)容7八、總結(jié)72一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x雙環(huán)法試驗(yàn)是野外測(cè)定包氣帶非飽和松散巖層的滲透系數(shù)的常用的簡(jiǎn)易方法，試驗(yàn)的結(jié)果更接近實(shí)際情況。利用這個(gè)試驗(yàn)，主要為研究區(qū)域性水均衡、水庫(kù)、灌區(qū)、渠道滲漏量、山前地區(qū)地表水滲入量等進(jìn)行

2、的。二、實(shí)驗(yàn)原理 在一定的水文地質(zhì)邊界以內(nèi)，向地表松散巖層進(jìn)行注水，使?jié)B入的水量達(dá)到穩(wěn)定，即單位時(shí)間的滲入水量近似相等時(shí)，再利用達(dá)西定律的原理求出滲透系數(shù)（K）值。三、實(shí)驗(yàn)儀器滲水雙環(huán)（兩個(gè)高約50cm，直徑分別為0.25m和0.5m的鐵環(huán)）、兩套帶有刻度的供水桶、膠帶、橡皮管,止水夾、鐵鍬、尺子、及若干要填在試環(huán)底部的小礫石。圖3-1 雙環(huán)試驗(yàn)剖面示意圖 照片3-1 雙環(huán)試驗(yàn)野外示意圖四、實(shí)驗(yàn)步驟1、確定試點(diǎn),開挖試坑。確定試點(diǎn)有三個(gè)原則：是代表性。試點(diǎn)處的包氣帶巖層要能代表試區(qū)相當(dāng)大范圍內(nèi)包氣帶巖層的情況；是一致性，試點(diǎn)處包氣帶巖層的選擇應(yīng)與大目標(biāo)一致，如本次實(shí)例是為了選擇人工回灌點(diǎn)，所以

3、選擇包氣帶巖層滲透性能較好的部位進(jìn)行試驗(yàn)。選擇試驗(yàn)場(chǎng)地，最好在潛水埋藏深度大于5m的地方為好。如果潛水埋深小于2m時(shí)，因滲透路徑太短，測(cè)得的滲透系數(shù)不真實(shí)，就不要使用滲水試驗(yàn)。試坑開挖：鏟去表土，露出目標(biāo)層，試坑深度應(yīng)大于0.8-1.2m，試坑面積1.3×1.0m左右，以消除包氣帶表層植被根系對(duì)試驗(yàn)的影響2、壓入雙環(huán)、鋪礫、立標(biāo)將雙環(huán)同心壓入試坑底部中央，原則上壓入0.8-1cm即可，實(shí)際中，將雙環(huán)壓入試層3-8cm。鋪礫的目的是防止注水時(shí)將環(huán)底的沙層沖起，試驗(yàn)中實(shí)際鋪礫3-4cm。立標(biāo)的目的在于，定水頭注水時(shí)，控制環(huán)底水層厚度，一般控制在10cm，需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，此處所言的“水層

4、厚度”是包括環(huán)底鋪礫厚度在內(nèi)的。3、定水頭注水、觀測(cè)記錄以環(huán)底水標(biāo)為準(zhǔn)，保持標(biāo)頭剛好淹在水中，內(nèi)外環(huán)同時(shí)定水頭注水（隨時(shí)保持內(nèi)外環(huán)的水柱都保持在10cm的同一高度。這樣即可認(rèn)為，內(nèi)外環(huán)之間滲入的水主要消耗在側(cè)向擴(kuò)散上，內(nèi)環(huán)滲入的水主要消耗在垂向滲透上，為準(zhǔn)垂向一維滲流）。同時(shí)從供水桶觀測(cè)注入水量。記錄的時(shí)間，開始時(shí)因滲入量大，觀測(cè)間隔時(shí)間要短，稍后可按一定時(shí)間間隔比如每10分鐘觀測(cè)一次。4、滲入速度穩(wěn)定，完成試驗(yàn)試驗(yàn)記錄的過(guò)程中，繪制出滲速時(shí)間v-t曲線，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間（一般為30分鐘）曲線保持在一個(gè)不大的區(qū)間，再延續(xù)一段時(shí)間，如2-3h，即可結(jié)束試驗(yàn)。圖4-1 滲流速度隨時(shí)間變化曲線圖5、精度要

5、求流量觀測(cè)精度應(yīng)達(dá)到0.1L開始的5次流量觀測(cè)間隔5min，以后每隔20min觀測(cè)一次。連續(xù)兩次觀測(cè)流量之差不大于5%，即可結(jié)束試驗(yàn)，取最后一次注入流量作為計(jì)算值五、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方法圖5-1 垂向一維滲流剖面示意圖1、垂向一維滲流原理雙環(huán)滲水試驗(yàn)主要是利用內(nèi)環(huán)滲水模擬垂向一維滲流來(lái)求取試層垂向滲透系數(shù)的。垂向一維滲流的簡(jiǎn)單模式如圖5所示。滲水下限稱為濕潤(rùn)鋒面，對(duì)于2a，濕潤(rùn)鋒面未達(dá)到地下水面，其以下的巖層仍是非飽和的，濕潤(rùn)鋒面以上的壓力水頭近似等于毛細(xì)上升高度Hc的二分之一；對(duì)于圖2b，由于濕潤(rùn)鋒面已與地下水面交在一起，故其上不存在壓力水頭。如果保持環(huán)內(nèi)的水層厚度Hs為常數(shù)，根據(jù)達(dá)西定律，對(duì)

6、應(yīng)于圖2a和圖2b的滲水內(nèi)環(huán)底部的垂向入滲速度(v)可分別用式5-1、5-2表示：v=kHS+0.5HC+LwLw 5-1v=kHS+LwLw 5-2式中：V內(nèi)環(huán)底部的入滲速度。K滲透系數(shù)。Hs滲水環(huán)中的水層厚度。Hc毛細(xì)上升高度，水向干土中滲透時(shí)，所產(chǎn)生的毛細(xì)壓力，以水柱高度表示。Lw濕潤(rùn)帶深度，在試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)，水由試坑底向土層中滲透的深度。Lw值可在試驗(yàn)后用手搖鉆、洛陽(yáng)鏟、鐵鍬獲取，測(cè)定其含水量變化得知。Hc按表5-1確定。如果當(dāng)試驗(yàn)層為粗砂或粗砂卵石層，而試坑中水層厚度為10cm時(shí)，Hc與Hs及Lw相比則很小，水力梯度近似等于1，則K=Q/A=V。若試驗(yàn)層是粘性土類，可按HC的實(shí)際數(shù)值代

7、入公式計(jì)算得出水力梯度I值，再利用V=KI求得滲透系數(shù)（K）。表5-1 不同巖性毛細(xì)壓力Hc表巖石名稱Hc(m)巖石名稱Hc（m）重亞粘土1.0細(xì)粒粘土質(zhì)砂0.3輕亞粘土0.8粉砂0.2重亞砂土0.6細(xì)砂0.1輕亞砂土0.4中砂0.052、包氣帶垂向滲透系數(shù)k的求法通常采用兩種方法，滲透速度近似法和公式法。入滲速度近似法當(dāng)滲水試驗(yàn)延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，v值趨于穩(wěn)定，則由5-1式可得：KV 5-3v=VAt 5-4式中：V為滲水體積，A為滲環(huán)橫截面積，t為入滲時(shí)間公式法對(duì)圖5-1所示的垂向一維滲流，有下述微分方程：dLdt=kC+LwLw 5-5C=HS+0.5HCHS 5-6式中：給水度。Lwt時(shí)(從

8、注水開始算起)濕鋒面的深度(從滲水環(huán)底面算起)。在滲水試驗(yàn)過(guò)程中，由于用調(diào)節(jié)注水量的辦法來(lái)保持試坑內(nèi)水層厚度HS為定值，即C為定值。積分5-5式，結(jié)果得：Kt=CLwC-ln(1+LwC) 5-7取兩次觀測(cè)時(shí)間ti和tj，相應(yīng)有ti、tj時(shí)刻濕潤(rùn)鋒面到達(dá)的深度、和ti、tj時(shí)刻注水體積Vi、Vj。如果令bi=LwiC 5-8結(jié)果有bi-ln(1+bi)=titj(bj-ln1+bj) 5-9又因?yàn)?ALw，=ViALwi=VjALwj 5-10令aij=vivj，則由(8)式可得：Lwi=vivjLwj=aijLwj 5-11聯(lián)立5-8式、5-11式可得：bj=LwjC=LwiCaij=bia

9、ij 5-12將5-12式帶人5-9式，消去bj，最后得：1-titjaijbi=ln(1+bi)-titjln(1+biaij) 5-13最后得滲透系數(shù)k的求解公式：k=Ctibi-ln(1+bi)=viAtibibi-ln(1+bi) 5-14由此看出，借助5-14式，只需確定滲水內(nèi)環(huán)的橫截面積A，時(shí)間ti及相應(yīng)的滲水體積Vi系數(shù)bi的值，即可求得滲透系數(shù)k值。六、數(shù)據(jù)處理分析雙環(huán)滲水試驗(yàn)簡(jiǎn)便易行，但無(wú)論借助公式法還是入滲速度近似法，所求得的滲透系數(shù)k均為一近似值，有時(shí)偏差還很大。近似法所求數(shù)值較公式法偏大的直接原因在于概化為1的系數(shù)HS+0.5HC+Lw/Lw實(shí)際上是大于1的。對(duì)數(shù)據(jù)處理

10、結(jié)果偏差的原因探討可得。除了人為的隨機(jī)性因素以外，主要有以下三個(gè)。包氣帶巖層實(shí)際滲透系數(shù)是非均質(zhì)的，例如，在剖面中存在一層很薄弱的透水或不透水巖層，就可能會(huì)使?jié)B入的水流產(chǎn)生比較大的橫向擴(kuò)散。從而影響所獲得的滲透系數(shù)的精確度。 由于雙環(huán)試驗(yàn)所用的滲水環(huán)橫截面積很小，側(cè)向滲透不能完全消除，而求解原理是建立在無(wú)側(cè)滲垂向一維滲流的基礎(chǔ)上的，由此產(chǎn)生計(jì)算偏差是顯而易見的。 在非飽和巖層滲入的水中包裹空氣。滲透系數(shù)比完全飽和時(shí)要小。七、試坑滲水試驗(yàn)的成果資料包括以下內(nèi)容1）試坑平面位置圖2）水文地質(zhì)剖面圖與試驗(yàn)安裝示意圖3）滲透速度歷時(shí)曲線圖4）滲透系數(shù)的計(jì)算5）原始記錄表格等八、總結(jié)由于經(jīng)濟(jì)成本低且簡(jiǎn)便易行，在包氣帶巖層參數(shù)的求取中，雙環(huán)滲水試驗(yàn)具有重要的實(shí)用價(jià)值，但要慎重對(duì)待試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理，在采集中盡量避免人為誤差，在處理中力求減小概化誤差。由于基于垂向一維滲流，在公式法求滲透系