一种毛细上升高度和给水度同时测定方法及测定装置

摘要

本发明提供了一种毛细上升高度和给水度同时测定方法及测定装置，测定装置设有实验段、可测流速供水装置、可测流速溢流装置和供水排水土柱。本发明可同时测定毛细上升高度及给水度，且测定给水度时不需透水石标定、操作简单，在测定毛细上升高度时可准确测定毛细上升的水量以及结束时间。本发明具有广泛的应用前景，作为教学仪器有助于学生更好理解给水度与毛细上升高度的测定原理；而在生产中可以应用在地下水资源平衡计算、潜水动态预测、浅层地下水可开采量计算、农田排水沟、暗管沟深、间距计算、农田灌溉与排水计算、灌溉入渗补给系数、降雨入渗补给系数等水文地质参数计算，以及农田排水工程设计、地基土承载力与冻害评价研究中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种毛细上升高度和给水度同时测定方法及测定装置，属于岩土参数性 质测定领域。

背景技术

在地下水资源平衡计算、潜水动态预测、浅层地下水可开采量计算、农田排水沟、 暗管沟深、间距计算、农田灌溉与排水计算、灌溉入渗补给系数、降雨入渗补给系数等 水文地质参数计算，以及农田排水工程设计、地基土承载力与冻害评价中，给水度与毛 细上升高度是十分重要的两个参数。随着水资源的日益紧张和地下水资源的大规模开发 利用，人们开始致力于研究给水度与毛细上升高度的测定方法及其装置。

岩土给水度是指开采地下水使地下水位下降，原先饱水带岩土空隙中水，将在重力 作用下释出，具体定义为：地下水下降单位体积时，释出水的体积和疏干体积的比值， 用μ表示。当前实际生产应用中，给水度通常采用给水度仪进行测定，但是当前的给水 度仪测定过程繁琐，在进行给水度实验前，必须标定透水石的负压值。而透水石负压值 的标定过程繁琐，学生不易理解透水石负压值标定的原因，且所测定的给水度与透水石 负压值的大小有关。

经典的地下水动力学，提出了毛细上升高度的理论定义：在毛细力的作用下，潜水 沿着土的微细毛管孔隙上升的最大高度。目前毛细上升高度主要通过竖管法试验测定， 但是在测定过程中无法测定毛细上升结束时间，且无法定量测定毛细上升的水量，同时 测定过程繁琐。

综上所述，当前的毛细上升实验装置以及给水度仪，只能单独测定毛细上升高度 以及给水度，并且在测定过程繁琐，因此缺少一种可以同时测量给水度及毛细上升高度 测定仪。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种毛细上升高度和给水度同时测定方法 及测定装置，能够快速测定给水度，不需透水石标定、操作简单，能够同时测定毛细上 升高度与给水度。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种毛细上升高度和给水度 同时测定方法，包括以下步骤：

(1)搭建测定环境：将2支上底面开口、下底面封闭的土柱的下底面通过连接管 连通，所述2支土柱分别为土柱A和土柱B；在土柱A内部的下方设有带孔有机玻璃 板，带孔有机玻璃板的上表面铺设有纱网，带孔有机玻璃板以上的腔体为用于放置试样 的样品室，带孔有机玻璃板与土柱A的下底面之间的腔体为稳水室；土柱B的侧壁上 设有不同高度的2个孔，其中较低的孔为溢流孔，溢流孔与安装有流速计A的溢流管连 通，较高的孔为供水孔，供水孔与安装有开关B和流速计B的供水管连接；土柱B的 下底面设有排水孔，排水孔与安装有开关A的排水管连通；

(2)将试样分层装填入土柱A，每层质量相等，层间打毛；

(3)关闭开关A，打开开关C，然后打开开关B，稳定供水，记录流量计B的流 量Q₂；

(4)流量计A开始工作时，水柱定水头供给土柱A水分，开始计时t＝t0，此时土 柱A内出现毛细上升现象；

(5)当流量计A记录的流量Q₁＝Q₂时，计时t＝t₁，关闭开关B，停止供水；此时 完成毛细上升高度测定；

(6)记录此时土柱B初始水位H₀，关闭开关C；打开开关A，土柱B底部排水； 当土柱B水位下降至任意高度H₂时，关闭开关A；

(7)打开开关C，土柱A在压差ΔH＝H₂-H₀作用下，土柱A的水向土柱B内运动， 直至两侧水位相等，记录此时土柱与水柱水位H₁；

(8)计算给水度μ＝(H₂-H₁)/(H₂-H₀)。

本发明还提供了一种用于所述测定方法的毛细上升高度和给水度测定装置，包括2 支上底面开口、下底面封闭的土柱，2支土柱分别为土柱A和土柱B，土柱A内部的下 方设有带孔有机玻璃板，带孔有机玻璃板的上表面铺设有纱网，带孔有机玻璃板以上的 腔体为用于放置试样的样品室，带孔有机玻璃板与土柱A的下底面之间的腔体为稳水 室，土柱A的下底面设有连接孔A；土柱B的侧壁上设有不同高度的2个孔，其中较 低的孔为溢流孔，溢流孔与安装有流速计A的溢流管连通，较高的孔为供水孔，供水孔 与安装有开关B和流速计B的供水管连接；土柱B的下底面设有连接孔B和排水孔， 土柱B的连接孔B通过安装有开关C的连接管与土柱A下底面的连接孔A连通，土柱 B的排水孔与安装有开关A的排水管连通；所述土柱B设有刻度；土柱A和土柱B的 底部均设有支架。

所述土柱A为内径2～40cm、壁厚0.2～1cm的有机玻璃管，带孔有机玻璃板与土 柱A的下底面的距离为2～5cm。

所述土柱B为内径2～40cm、壁厚0.2～1cm的有机玻璃管。

所述溢流管距离土柱A顶部的垂直高度h大于待装入土柱A内的试样的最大毛细 上升高度。

所述溢流管为内径0.5～2cm、壁厚0.2～0.5cm的有机玻璃管，其距离土柱B底部 20～50cm。

所述供水管为内径0.5～2cm、壁厚0.2～0.5cm的有机玻璃管，其距离土柱B底部 35～60cm。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明的毛细上升高度和给水度测定装置设有实验段、可测流速供水装置、 可测流速溢流装置和供水排水土柱，其中实验段由土柱A、纱网、带孔有机玻璃板、稳 水室、连接孔和试样组成，可测流速供水装置由开关B、流速计B和供水管组成，可测 流速溢流装置由流速计A和溢流管组成，供水排水土柱由土柱B、连接孔B、排水孔、 连接管、排水管、开关C和开关A组成，这几部分共同作用，能够通过读取土柱B的 水位高度，代入相关公式即可快速测定给水度，不需透水石标定等过程，操作简单；

(2)本发明的土柱A底部设置有稳水室，在土柱A饱水时，稳水室可减弱水流对 试样的冲刷，使测定结果更准确；

(3)利用本发明的毛细上升高度和给水度测定装置能够准确测定毛细上升高度以 及毛细上升结束时间，并可定量测量毛细上升的水量，定量定性理解毛细上升作用；

(4)利用本发明的毛细上升高度和给水度测定装置能够同时测定毛细上升高度与 给水度，提高效率。

附图说明

图1是本发明的毛细上升高度和给水度测定装置的结构示意图。

图中：1-土柱A，2-纱网，3-带孔有机玻璃板，4-稳水室，5-试样，6-开关C，7- 土柱B，8-开关A，9-连接孔A，10-连接孔B，11-排水孔，12-开关B，13-流速计B， 14-供水管，15-溢流管，16-流速计A，18-连接管，19-排水管，20-支架，21-刻度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种毛细上升高度和给水度同时测定方法，包括以下步骤：

提供了一种毛细上升高度和给水度同时测定方法，包括以下步骤：

(1)搭建测定环境：将2支上底面开口、下底面封闭的土柱的下底面通过连接管 连通，所述2支土柱分别为土柱A和土柱B；在土柱A内部的下方设有带孔有机玻璃 板，带孔有机玻璃板的上表面铺设有纱网，带孔有机玻璃板以上的腔体为用于放置试样 的样品室，带孔有机玻璃板与土柱A的下底面之间的腔体为稳水室；土柱B的侧壁上 设有不同高度的2个孔，其中较低的孔为溢流孔，溢流孔与安装有流速计A的溢流管连 通，较高的孔为供水孔，供水孔与安装有开关B和流速计B的供水管连接；土柱B的 下底面设有排水孔，排水孔与安装有开关A的排水管连通；

(2)将试样分层装填入土柱A，每层质量相等，层间打毛；

(3)关闭开关A，打开开关C，然后打开开关B，稳定供水，记录流量计B的流 量Q₂；

(4)流量计A开始工作时，水柱定水头供给土柱A水分，开始计时t＝t0，此时土 柱A内出现毛细上升现象；

(5)当流量计A记录的流量Q₁＝Q₂时，计时t＝t₁，关闭开关B，停止供水；此时 完成毛细上升高度测定；

(6)记录此时土柱B初始水位H₀，关闭开关C；打开开关A，土柱B底部排水； 当土柱B水位下降至任意高度H₂时，关闭开关A；

(7)打开开关C，土柱A在压差ΔH＝H₂-H₀作用下，土柱A的水向土柱B内运动， 直至两侧水位相等，记录此时土柱与水柱水位H₁；

(8)计算给水度μ＝(H₂-H₁)/(H₂-H₀)。

本发明还提供了一种毛细上升高度和给水度测定装置，参照图1，包括2支上底面 开口、下底面封闭的土柱，2支土柱分别为土柱A1和土柱B7，土柱A内部的下方设有 带孔有机玻璃板3，带孔有机玻璃板的上表面铺设有纱网2，所选纱网以及带孔有机玻 璃管对试样的渗透影响可忽略不计；带孔有机玻璃板以上的腔体为用于放置试样的样品 室，带孔有机玻璃板与土柱A的下底面之间的腔体为稳水室4，，在土柱饱水时稳水室 可减弱水流对试样的冲刷；土柱A的下底面设有连接孔A9；土柱B的侧壁上设有不同 高度的2个孔，其中较低的孔为溢流孔，溢流孔与安装有流速计A16的溢流管15连通， 较高的孔为供水孔，供水孔与安装有开关B12和流速计B13的供水管14连接；土柱B 的下底面设有连接孔B10和排水孔11，土柱B的连接孔B通过安装有开关C6的连接 管18与土柱A下底面的连接孔A连通，土柱B的排水孔与安装有开关A8的排水管19 连通。

所述土柱A为内径2～40cm、壁厚0.2～1cm的有机玻璃管，带孔有机玻璃板与土 柱A的下底面的距离为2～5cm。

所述土柱B为内径2～40cm、壁厚0.2～1cm的有机玻璃管。

所述土柱B设有刻度21。

所述溢流管距离土柱A顶部的垂直高度h大于待装入土柱A内的试样的最大毛细 上升高度。

所述溢流管为内径0.5～2cm、壁厚0.2～0.5cm的有机玻璃管，其距离土柱B底部 20～50cm。

所述供水管为内径0.5～2cm、壁厚0.2～0.5cm的有机玻璃管，其距离土柱B底部 大于溢流管距土柱B底部距离即可，可以为35～60cm。

土柱A和土柱B的底部均设有支架20，土柱支架为四根高10cm的有机玻璃板， 通过氯仿与土柱A的底部连接。

土柱A的样品室内放置有分层试样5。

利用本发明的毛细上升高度和给水度测定装置进行毛细上升高度和给水度测定的 工作步骤如下：

参照图1，首先将试样分段(每层5cm)等质量装填入土柱A，层间打毛，防止层 间流失的形成，然后依次完成毛细上升高度与给水度测定：

(1)毛细上升高度测定：

1、关闭开关A，打开开关C，然后打开开关B，稳定缓慢地供水，记录流量计B 的流量Q₂。

2、流量计A开始工作时，水柱定水头供给土柱A水分，开始计时t＝t0，此时开始 观测土柱A内(水柱水面H＝H₀以上)的毛细上升现象。

3、当流量计A记录的流量Q₁＝Q₂时，计时t＝t₁，关闭开关B，停止供水。

(2)给水度测定：

4、记录此时土柱/水柱初始水位H＝H₀，关闭开关C；打开开关A，右侧水柱(土 柱B)底部排水；当右侧水柱水位下降至任意高度H＝H₂时，关闭开关A。

5、打开开关C，左侧土柱(土柱A)在压差(H₀-H₁)作用下，左侧土柱(土柱A) 的水向右侧水柱(土柱B)内运动，直至两侧水位相等，记录此时土柱与水柱水位H₁。

6、那么，给水度μ＝(H₂-H₁)/(H₂-H₀)。

本发明的毛细上升高度和给水度测定装置结构简单，使用方便，可同时准确测定岩 土的毛细上升高度与给水度，具有广泛的应用前景。如可以广泛用水文地质研究中，作 为教学仪器有助于学生更好理解给水度与毛细上升高度的测定原理；而在生产中可以应 用在地下水资源平衡计算、潜水动态预测、浅层地下水可开采量计算、农田排水沟、暗 管沟深、间距计算、农田灌溉与排水计算、灌溉入渗补给系数、降雨入渗补给系数等水 文地质参数计算，以及农田排水工程设计、地基土承载力与冻害评价研究中。