实验
实验一 孔隙与水
一、实验目的
（1）理解松散岩石的孔隙度、给水度和持水度的概念。
（2）掌握实验室测定孔隙度、给水度和持水度的方法。
二、实验内容
（1）熟悉给水度仪并对仪器进行标定。
（2）测定三种松散岩石试样的孔隙度、给水度和持水度。
三、实验仪器和用品
（1）给水度仪（图1-1）。
（2）十二指肠减压器，用以抽吸气体。
（3）量筒（25ml）和胶头滴管。
（4）松散岩石试样：砾石（粒径为5～10mm，大小均匀，磨圆好）；砂（粒径为0.25～0.45mm）；砂砾混合样（指把上述砂样完全充填进砾石样的孔隙中得到一种新试样）。
四、实验步骤
（1）标定透水石的负压值。透水石是用一定直径的砂质颗粒均匀胶结成的多孔板。透水石的负压值是指在气、液、固三相介质界面上形成的弯液面产生的附加表面压强。标定方法如下：
首先，饱和透水石并使试样筒底部漏斗充满水（最好用去气水，即通过加热或蒸馏的方法去掉水中部分气体后的水）。具体做法是：将试样筒与底部漏斗一起从开关a处卸下（见图1-1），浸没于水中并倒置，将漏斗管口与十二指肠减压器抽气管连接，抽气使透水石饱和，底部漏斗全充满水。用弹簧夹在水中封闭底部漏斗管，倒转试样筒，将装有水（可以不满）的试样筒放回支架。同时打开a，b两开关，在两管口同时流水的情况下连接塑料管。关闭a，b开关，倒去试样筒中剩余的水，将A滴定管液面调至零刻度，并与透水石底面水平。
第二步，测定透水石的负压值。打开a、b开关，缓慢降低A滴定管，同时注意观测其液面的变化。当滴定管液面突然上升时，立刻关闭b开关。此时滴定管液面到透水石底面的高度就是透水石的负压值。
反复测定几次，选其中最小数值（指绝对值）作为实验所采用的负压值。
（2）标定试样筒的容积。将试样筒装满水，用量筒或滴定管测出所装水的体积即为试样筒的容积。
（以上两步可以由实验室同志在实验课前做好）。
实验图1-1 给水度仪装置图
1—装样筛；2—筛板；3—试样筒；4—透水石；5—固定连接板；6—试样筒底部漏斗；7—弹簧夹；8—硬塑料管；9—滴定管；10—三通管
实验图1-2 退水时给水度仪安置示意图
（3）装样。装样前，将A滴定管液面调到零刻度，关闭a、b开关，用干布把试样筒内壁擦干（注意不要将干布接触透水石）。装砾石样和砂样时，不用安装装样筛，直接将试样逐次倒入试样筒并轻振试样筒以保证试样密实，直至与试样筒口平齐。装砂砾混合样时，先按上述方法把砾石装满，再安装装样筛，将砾样从装样筛中漏入，直至完全充填砾石样孔隙。
（4）测定孔隙度。适当抬高滴定管，使其液面略高于试样筒口。打开a、b开关（同时用手表计时），用b开关控制进水速度。试样饱水后立即关闭b开关。记下A滴定管进水量及饱水累计时间，填入表一。进水量（体积）与试样筒容积之比就是这种试样的孔隙度。
（5）测定给水度。将A滴定管加满水并装上三通管。用胶头滴管调整三通管液面（如图1-2）。将B滴定管初始刻度调至100ml处。同时降低A、B滴定管后，打开a开关，使从试样中退出的水沿三通管进入B滴定管。退水过程中，三通管液面到透水石底面的距离不得大于透水石的选用负压值，退水终止后，将退水量和累计退水时间记入表1。退水量（体积）与试样体积之比就是试样的给水度。
（6）重复上述（3）、（4）、（5）步骤，测定另两种试样的孔隙度和给水度（也可以分组测定不同试样，各组交换实验记录）。
五、实验成果
（1）完成实验报告表（实验表1-1）。
实验表1-1 孔隙与水实验报告表
（2）回答下列问题：
1）从试样中退出的水是什么形式的水？退水结束后，试样中保留的水是什么形式的水？
2）根据实验结果，分析比较松散岩石的孔隙度、给水度、持水度与粒径和分选的关系。
实验二 渗流实验
一、实验目的
（1）通过稳定流条件下的渗流实验，进一步理解渗流基本定律——达西定律。
（2）加深理解渗透流速、水力梯度、渗透系数之间的关系，井熟悉实验室测定渗透系数的方法。
二、实验内容
（1）了解达西实验装置。
（2）根据达西公式
测定不同试样的渗透系数K。式中 Q为渗透流量；ω为过水断面面积；ΔH为上下游过水断面的水头差；L为渗透途径；J为水力梯度。
三、实验仪器及用品
（1）达西仪器（图2-1），分别装有不同粒径的均质试样：1）砾石（粒径5～10mm）；2）粗砂（粒径0.6～0.9mm）；3）砂砾混合1）与2）的混合样）。
实验图2-1 达西仪器装置图
1—试样；2—进水开关；3—出水管；4—测压管；5—仪器架；6—排气口
（2）秒表。
（3）量筒（100ml，500ml各一个）。
（4）直尺。
（5）方格纸（20cm×25cm）。
（6）计算器。
四、实验步骤
（1）测量仪器的几何参数。分别测量过水断面面积ω、测压管a、b、c的间距或渗透途径L；记入表2。
（2）调试仪器。打开进水开关2，待水缓慢充满整个试样，且出水管有水流出后，慢慢拧动开关2，调节进水量，使a、c两测压管读数之差最大。同时注意打开排气口排尽试样中的气泡，使测压管a、b的水头差与测压管b、c的水头差相等。
（3）测定水头。待a、b、c3个测压管的水位稳定后，读出各测压管的水头值，记入表2中。
实验表2-1 达西渗流实验报告表
（4）测定流量。在进行步骤（3）的同时，利用秒表和量筒测量i时间内水管流出的水体积，及时计算流量Q。连测两次，使流量的相对误差小于
，取平均值记入表2-1。
（5）由大往小调节进水量，改为a、b、c三个测压管的读数，重复步骤（3）和（4）。
（6）重复第（5）步骤1～3次。即完成3～5次试验，取得3～5组数据。
（7）按记录表计算实验数据，并抄录其它小组另外两种不同试样的实验数据（有条件的，可分别做不同的试样）。
注意：
（1）实验过程中要及时排除气泡。
（2）为使渗透流速-水力梯度（v-I）曲线的测点分布均匀，流量（或水头差）的变化要控制合适。
五、实验成果
（1）提交实验报告表（表2-1）。
（2）在同一坐标系内绘出三种试样的v-I曲线，并分别用这些曲线求渗透系数K值，与表2-1中实验数据计算结果进行对比。
（3）讨论3种试样的v-I曲线是否符合达西定律？试分析其原因。
（4）比较不同试样的K值，分析影响渗透系数K值的因素。
实验三 毛细运动
一、实验目的
了解包气带中毛细水的赋存与运动特征。
二、实验内容
（1）观测、比较不同粒径砂样的毛细上升速度。
（2）观测砂土毛细饱和带水的运移。
三、实验仪器及用品
（1）观测砂土中水的毛细上升速度装置（如图3-1）。
（2）底部包铜丝网的玻璃管（长度50～100）三根，管上标有刻度。
（3）砂样：
1）粗砂 粒径0.6～0.9mm
2）中砂 粒径0.25～0.45mm
3）细砂 粒径0.1～0.25mm
实验图3-1 观测砂土中水的毛细上升速度装置图
1—铜丝网；2—透水石；3—玻璃管；4—砂样；5—水槽；6—进水管；7—溢水管；8—支架
实验图3-2 观测砂土饱和毛细带水运移的装置图
1—砂样；2—长管；3—铜丝网；4—短管；5—量杯
（4）秒表。
（5）方格纸（25cm×50cm）。
（6）底部包铜丝网的长、短有机玻璃管各一根，如图3-2（长管长20～40cm，短管长5～8cm）。
（7）量杯（25mL）。
（8）放大镜及卡尺。
（9）干布及水箱。
（10）内盛颜色水的塑料杯。
四、实验步骤
甲、观测砂土中水的毛细上升速度
（1）装样 选择一种砂样，均匀密实地装入玻璃管内。
（2）观测毛细上升速度 将装有试样的玻璃管放入水槽内的透水石上，使玻璃管的下端紧贴水面（如图3-1），同时起动秒表。迅速准确地记录对应不同毛细上升高度的时间（表3-1）。初期每上升1cm观测一次时间，2min后每上升0.5cm观测一次时间。也可记录对应不同时刻的毛细上升高度。总之，初期观测频率应尽可能密，后期适当变疏。注意：进行此步骤时，小组成员应配合好。
（3）重复步骤1和2，做另外两种不同粒径的试样。
乙、毛细饱和带水的运移实验
（1）测量短管的容积V1及长管的长度，记入表3-2。
（2）装样 分别把同一种砂样均匀密实地装入长管和短管中，并使砂样与管口平齐。（所选砂样不宜过细，其最大毛细上升高度应小于长管长度，毛细饱和带高度应大于或等于短管长度）。
（3）长管饱水 将长管垂直缓慢地浸入水箱中，饱水后提起用干布擦干外壁，手持长管使其在重力作用下滴水。
（4）短管饱水 将短管垂直缓慢地浸入颜色水中，充分饱水后提起。用干布擦干外壁。用放大镜观察此时短管饱水情况及短管是否滴水，并比较长、短管的颜色。
（5）测定长、短管相接后的给水体积V2 待长管停止滴水后，将长管下端紧压在短管上端使两者密接，并用量杯承接滴出的水（如图3-2）。滴水停止后，将流出的水体积V2记入表3-2，同时观察短管饱水情况及颜色，对比流出的水与塑料杯中水的颜色是否不同。
五、实验成果
（1）提交甲、乙两实验报告表（表3-1和表3-2）。
实验表3-1 砂土中水的毛细上升速度实验报告表
实验表3-2 毛细饱和带水的运移实验报告表
（2）在同一坐标系内分别作出3种砂样的毛细上升高度（以cm为单位）与时间（以s为单位）的关系曲线。
（3）比较甲实验得出的3种砂样的毛细上升高度与时间关系曲线。指出初期及后期3种砂样的毛细上升速度自大而小的顺序，并分析其原因。
实验四 静水压强
一、实验目的
（1）观察静止液体中各点的测压管水头，并验证其恒等于常数。
（2）观测不同条件下各测压管之间的水面关系，以及各测压管与水箱之间、与水头调节器之间的水面关系，并用静水压力方程式进行解释。
（3）测定静止液体中固定点的静水压力，熟悉绝对压强、相对压强和真空的概念。
（4）测定煤油的容重。
二、设备简介（见图4-1）
水头调节器与空气阀——用来调节水箱内自由水面上压强P0。
实验图4-1 静水压强试验装置示意图
普通测压管（5、6、7）——它连接在容器的不同高度上（如A、B两点）。可以用来测出水箱内各点的相对压强和绝对压强。
示差测压管（1.2.3.4）——用以测定水箱内的自由面上的压强P0与所盛液体的容重。
三、实验依据
课堂中曾讲述过，受重力作用的静止液体中，任何点的静水压强P由两项组成。即
式中 P0——自由面上的压强；
h——点在液面下的深度。
若以Pa代表大气压强，则P0有3种情况：
当P0=Pa时，则P-Pa=rh…相对压强
当P0＞Pa时，则P-P0=rh…过剩压强
当P0＜Pa时，则Pa-Pc=rhv…真空
四、实验步骤
（1）记录实验设备常数（选出0—0基准面），记录A点、B点高程。
（2）作P0=Pa实验时，打开小孔门，等各测压管中的水面稳定后，观察各测压管中、水箱中、水头调节器中的水面关系，并加以解释。
（3）作P0＞Pa时的实验：将小孔门关上，使水头调节器继续上升，当上升到某高度，等水面稳定后：
1）观察各测压管中、水箱中、水头调节器中的水面关系，并解释其现象。
2）读出各测压管的液面标高记入表内。
（4）作P0＜Pa实验时，将小气门打开，让压力恢复正常（即各测压管中的水面稳定后），关闭气门，下降水头调节器，当下降到某一位置时，待水面稳定后：
1）观察各测压管中、水箱中、水头调节器中的水面关系，并解释其现象。
2）读出各测压管的液面标高记入表内。
五、注意下列问题
（1）各管液面的标高读数为管中液体弯月面底部处的读数。
（2）计算时注意单位的一致。
（3）升降水头调节器时要小心，以免打破。
（4）注意小气门的正确开关，不要旋得太猛，以免漏气影响精度。
（5）作PO＜Pa实验时，注意缓慢的下降水头调节器，以免发生故障，影响实验进行。
六、实验记录
将观察数据记入下表
实验表4-1 观察数据记录表
七、实验报告的要求：
（1）计算水箱内液体自由面上的绝对压力、相对压力及真实。
（2）计算A点的绝对压力、相对压力。
（3）煤油的容重。