双环渗水试验

1、双环渗水试验作业指导地下水勘查项目部二0四年九月一、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直径分别为和的铁环）、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。供水桶ih/K夹1I內坏 J

2、;1111 1” 渗流方向示意线/I1 i 1 r 八图3-1双环试验剖面示意图照片3-1双环试验野外示意四、实验步骤1、确定试点，开挖试坑。确定试点有三个原则：0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；0是一致性，试点处包气带岩层的选择应与大目标 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。0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，试坑面积x左右，以 消除包气带表层植被根

3、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，原则上压入即可，实际中，将双 环压入试层3-8cm。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10cm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 10cm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

4、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。（1猜督肌D渗流速度随时间变化广半凜昴号o. 005 丄yQiLLI丄4丄&45 W 15 20 25 3010 5lJ 6<J 70 側 90 110 130吋间/讪图4-1渗流速度随时间变化曲线图5、精度要求流量观测精度应达到g开始的5次流量观测间隔5min,以后每隔20min观测一次。连续两次观测流量之差不大于 5%即

5、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试;K面试水面*r "r 'J湿舸建苗Lw佝下移动）地T術她下本面水面亡湿润II西图5-1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2a,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He的二分之一；对于图2b，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，对应于图2a和图2

6、 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：v=k（Hs+0.5HC+Lw）5-1Lwv=k（H+Lw）5-2Lw式中：V 内环底部的入渗速度。K渗透系数。HS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，以水柱咼度表示。Lw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。He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10cm时，He与HS及Lw相比则很小，水力梯度近似 等于1,则K=Q/A=V若试验层是粘性土类，可按見的实际数值代入公

7、式计算得出水力 梯度I值，再利用V=KI求得渗透系数（K）。表5-1 不同岩性毛细压力H表岩石名称H(m)岩石名称HC (m)重业粘土细粒粘土质砂轻亚粘土粉砂重业砂土细砂轻亚砂土中砂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。0入渗速度近似法当渗水试验延续时间较长，v值趋于稳定，则由5-1式可得:K V5-3Vv = AT5-4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5-1所示的垂向一维渗流，有下述微分方程：卩 dL=kC+WW5-5】C=HS+HS5HC5-6式中：给水度。Lw t时（从注水开始算起）湿锋面的深度（从渗水环底面算起）。在

8、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：3= C- In（1 + Lw）5-7】取两次观测时间ti和tj，相应有ti、tj时刻湿润锋面到达的深 度、和ti、tj时刻注水体积V、V。如果令bi 二学5-8结果有t -bi - ln（1+ bj 二十（bj - ln（1+ bj）Lj5-9又因为令a =牛，则由(8)式可得:5-10V Lwj = aij5-11联立5-8式、5-11式可得:5-12将5-12式带人5-9式，消去bj，最后得:t it i , 一 bi（1-応小="（1+3）-訂（1 + 和5-13最后得

9、渗透系数k的求解公式：CVik=卩 bi- ln(1+ bi) = Atbi - ln(1+ bi)5-14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ti及相应的渗水体积V系数bi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+Lw/Lw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。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

10、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。 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。 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。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， 在采集中尽量避免人为误差，在处理中力求减小概化误差。由于基于 垂向一维渗流，在公式法求渗透系数