渗水试验是一种在野外现场测定包气带土(岩)层垂向渗透性的简易方法。在研究大气降水、灌水、渠水、暂时性表流对地下水的补给量时,常需进行此种试验。
试验方法主要有试坑法、单环法和双环法,其中,前两种方法多用于粗粒岩石和砂性土,后一种方法主要用于粘性土和其他松散岩层。
(1)试坑法:其方法是在试验层中开挖一个截面积不大(0.3~0.5m2)的方形或圆形试坑,不断将水注入坑中,并使坑底的水层厚度保持一定(一般为10cm 厚,图5-11),当单位时间注入水量(即包气带岩层的渗透流量)保持稳定时,则可根据达西渗透定律计算出包气带土层的渗透系数(K),即:
专门水文地质学
其中:
专门水文地质学
式中:Q为稳定渗入流量(m3/d);V为渗透水流速度(m/d);ω为渗水坑的底面积,即过水断面面积,m2;I为垂向水力坡度;Hk为包气带岩土层的毛细上升高度(m),可直接测定或用经验数据;Z为渗水坑内水层厚度(m);L为水从坑底向下渗入的深度(m),可通过试验前在试坑外侧3~4m外和试验后在坑中钻两个小径钻孔取土样,测定其不同深度岩土的含水量(湿度)值的变化,经对比后确定之。
在通常情况下,当渗入水到达潜水面后,Hk=0,又因Z小于L,故由(5-9)式计算求得的水力坡度近似等于1(即I≈1)。于是(5-8)式可写成:
专门水文地质学
(5-10)式说明,在通常条件下,包气带土层的垂向渗透系数(K),实际上等于渗入水在包气带土层中的渗透速度(V),即等于试坑底单位面积上的渗透水量。
由于试坑法直接从试坑中渗水,未考虑渗入水向试坑以外土层中侧向渗入的影响(图5-11),故所求得的K值常常偏大。
(2)环渗法:为了克服试坑法侧向渗水的影响,常采用环渗法,环渗法有单环法和双环法。其中单环法是在试坑中嵌入一个铁环(直径约35.75cm,高一般为0.5m),以减少侧渗,提高精度,双环法的渗水试验装置如图5-12所示,整个装置置于试坑中,装置由内、外圆环及马氏瓶组成。内外环间水体下渗所形成的环状水围幕即可阻止内环水向侧向渗透,使其竖直渗入,以便用内环渗水资料更精确的计算渗透系数(K),马氏瓶为定水头自动给水装置,为防止冲刷,环内还应铺设2cm厚的砾石层。试验时,用两瓶分别向内、外环注水,并记录渗水量,直至流量稳定并延续2~4h,即可停止注水,此时通过内环的稳定渗透速度,就是包气带岩石的渗透系数,即K=V。一般双环法的精度高于单环法。
在野外进行渗水试验时,为了说明试验过程和渗透速度的变化情况,一般要求在试验现场绘制渗透速度(V)随时间(t)变化的过程线(图5-13),其稳定后的V值,即为包气带岩土层的渗透系数(K)。
图5-11 试坑渗水试验示意图
图5-12 双环法试坑渗入试验装置图
1—内环;2—外环;3—自动补充水瓶;4—水量标尺(单位为m)
由于水体下渗时常常不能完全排出岩层中的空气,对渗水试验结果有一定影响。