馬增數(shù)，劉秀峰

摘要：石家莊鐵道大學(xué)為勘察技術(shù)與工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)了水文地質(zhì)學(xué)課程，該課程實(shí)踐性強(qiáng)，學(xué)生需要通過實(shí)踐環(huán)節(jié)才能更好地建立地質(zhì)實(shí)體的三維空間概念。然而受各方面條件所限，目前的野外現(xiàn)場實(shí)習(xí)沒有安排這方面的實(shí)習(xí)內(nèi)容。為此，我們在實(shí)驗(yàn)室中利用物理模型來模擬三維地質(zhì)實(shí)體，幫助學(xué)生了解地下水的運(yùn)動規(guī)律，獲得了較好的教學(xué)效果，彌補(bǔ)了野外現(xiàn)場實(shí)習(xí)的不足。

關(guān)鍵詞：水文地質(zhì)；物理模型；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；抽水試驗(yàn)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）37-0230-02

石家莊鐵道大學(xué)2011年開設(shè)了勘察技術(shù)與工程專業(yè)，在該專業(yè)的課程設(shè)置中，《水文地質(zhì)學(xué)》是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。課程內(nèi)容涵蓋水力學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、地下水動力學(xué)等多方面知識，內(nèi)容很多，并且這些內(nèi)容與學(xué)生以前所學(xué)內(nèi)容聯(lián)系較少；同時(shí)，學(xué)時(shí)緊張，很多內(nèi)容沒有充足的時(shí)間在課堂上展開講解；另外，該課程是一門空間立體概念很強(qiáng)的科學(xué)，很多水文地質(zhì)概念與過程需要在三維立體概念基礎(chǔ)上才能充分理解。為了提高教學(xué)效果，幫助學(xué)生盡快建立空間概念，經(jīng)過深入論證與探討，我們購進(jìn)了由成都理工大學(xué)地質(zhì)工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心研制的一系列水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，充分利用有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，通過物理模型來展現(xiàn)一些地質(zhì)體的特征，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識。下面以承壓完整井模擬實(shí)驗(yàn)為例，說明利用物理模型進(jìn)行承壓完整抽水試驗(yàn)?zāi)M的過程。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

水文地質(zhì)試驗(yàn)是水文地質(zhì)勘查的重要手段，許多水文地質(zhì)資料都需通過水文地質(zhì)試驗(yàn)才能獲得。抽水試驗(yàn)是一種最常用、最基礎(chǔ)的水文地質(zhì)試驗(yàn)，以地下水動力學(xué)流理論為基礎(chǔ)，通過在實(shí)際井孔中抽水，觀測孔內(nèi)地下水位的變化情況，然后分析計(jì)算出水文地質(zhì)參數(shù)。在水文地質(zhì)勘查過程中，隨著勘查階段由淺入深，抽水試驗(yàn)的規(guī)模越來越大，在整個(gè)勘查費(fèi)用中所占比重也會越來越大。因此，勘查工程專業(yè)的學(xué)生要想在畢業(yè)后勝任相關(guān)地質(zhì)勘查工作，必須真正理解抽水試驗(yàn)的原理并掌握有關(guān)的工作方法。然而，由于各方面條件所限，學(xué)生在課程學(xué)習(xí)期間很難有機(jī)會參加真正的野外實(shí)井抽水試驗(yàn)。利用物理模型模擬實(shí)際的野外承壓水抽水過程，可以幫助學(xué)生了解地下水向承壓完整井穩(wěn)定運(yùn)動時(shí)水頭分布情況及承壓面的變化特點(diǎn)，進(jìn)而研究地下水向承壓完整井穩(wěn)定運(yùn)動過程。

二、實(shí)驗(yàn)儀器

承壓完整井抽水模擬裝置針對野外實(shí)井抽水試驗(yàn)所做的物理模型。整個(gè)裝置由井流實(shí)驗(yàn)箱、給水與抽水溢流箱、測壓管、給水排水系統(tǒng)等部分組成，可以很好地反映實(shí)井抽水時(shí)地下水向承壓完整井穩(wěn)定運(yùn)動的規(guī)律。

1.井流實(shí)驗(yàn)箱：是一個(gè)長約130厘米、最大寬約30厘米、高約30厘米的20°的扇形條塊體，塊體中放置了一定厚度的無色（白色）石英砂，石英砂的粒度組成經(jīng)過事先分析選定，可以很好地模擬抽水實(shí)驗(yàn)時(shí)的滲透介質(zhì)。箱體采用全透明的有機(jī)玻璃材料，石英砂的顏色很淺，因此可以很好地觀測其中的水流情況。

2.給水排水溢流箱：在實(shí)驗(yàn)箱體的首端設(shè)置給水裝置和溢流箱，在滲流實(shí)驗(yàn)箱體的末端設(shè)置排水溢流箱。這些裝置由實(shí)驗(yàn)人員手工控制，可很方便地升降，從而模擬實(shí)際抽水實(shí)驗(yàn)時(shí)上下游水位的變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員通過調(diào)節(jié)溢流箱的高低來控制模型的抽水量。

3.測壓管：安裝在實(shí)驗(yàn)箱的一側(cè)及底板，共7個(gè)斷面設(shè)置有測壓管，實(shí)驗(yàn)時(shí)可測定相應(yīng)測點(diǎn)的水位值。

4.給水排水系統(tǒng)：儀器的下層為儲水箱，儲水箱用不透水材料制成，上部開口，底部設(shè)置排水孔。水箱內(nèi)設(shè)置一個(gè)小功率水泵，實(shí)驗(yàn)前先在儲水箱儲存一部分自來水，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過水泵將實(shí)驗(yàn)用水送至給水溢流箱，水從給水溢流箱流入給水箱，從給水箱流入實(shí)驗(yàn)箱，從實(shí)驗(yàn)箱中溢出的水流通過回水管自行回流到儲水箱。這樣實(shí)驗(yàn)用水就可以可循環(huán)使用，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程不需外接水源。實(shí)驗(yàn)全部結(jié)束后，水箱內(nèi)的水可以通過底部排水孔排走，避免長期不用后變質(zhì)。

三、實(shí)驗(yàn)原理

承壓完整井抽水模型是對野外抽水試驗(yàn)時(shí)地下水向承壓完整井做穩(wěn)定滲流運(yùn)動進(jìn)行模擬的一種物理模型，物理模擬必須遵循相似模擬的原則。從幾何相似觀點(diǎn)看，整個(gè)模型為一個(gè)20°的扇形條塊體，相當(dāng)于模擬實(shí)際360°井的1/18，即20°的一扇形條塊體。從運(yùn)動相似觀點(diǎn)看，由于設(shè)置了合理的含水層，地下水在其中運(yùn)動的規(guī)律，與在360°井中運(yùn)動的規(guī)律是一致的。在滲流實(shí)驗(yàn)箱體的首端和末端設(shè)有可升降的給水排水溢流箱很好地控制上下游水位，達(dá)到動力相似的目的。在利用裘布衣井流方程分析承壓完整井水流運(yùn)動時(shí)，需要用到以下參數(shù)：Q-承壓完整井出水量（cm3/s）、K-滲透系數(shù)（cm/s）、M-承壓含水層厚度（cm）、Sw-井中水位降深（cm）、R-降落漏斗的影響半徑（cm）、rw-井半徑（cm）。在實(shí)驗(yàn)過程中，測量物理模型中各運(yùn)動要素的具體數(shù)值，然后將測量結(jié)果按一定比例放大，就可以獲得與野外承壓完整井相對應(yīng)的運(yùn)動要素的數(shù)值。例如：測得的流量q乘以18即可代表360°井的流量Q，即：Q=18q。裘布衣井流方程公式表明，承壓完整井的出水量Q與水位下降S的一次方成正比，即Q與S間為線性關(guān)系，隨著S的增大，Q的增加量越來越大。

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.接通電源，打開水閥，調(diào)節(jié)給水溢流箱的高度。

2.逐漸降低排水溢流箱的高度，從而形成井中一定的水位降深，隨時(shí)觀察測壓管水位及流量的變化情況。待測壓管水位及流量穩(wěn)定后，保持給水箱和抽水井溢流箱位置不移動，即可測定以下參數(shù)：抽水井半徑rw、各斷面到抽水井中心距離、各測壓管水位、溢流箱出水口流量，各數(shù)據(jù)測定后記錄于相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。然后，保持給水箱水位不變，再次降低排水溢流箱的高度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，再進(jìn)行2次實(shí)驗(yàn)，記錄于數(shù)據(jù)表中。

3.數(shù)據(jù)分析：對數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，在方格紙上，先用實(shí)測水位繪制單井抽水降落漏斗圖，然后以Q為橫坐標(biāo)，S鉛垂下降的縱坐標(biāo)，繪制3次抽水的Q-S曲線圖。

五、實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論結(jié)合實(shí)際的橋梁，在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力方面具有不可替代的作用。我們設(shè)置的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目覆蓋了整個(gè)課程所需的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)所用模型儀器全部采用全透明材料制作，水循環(huán)途徑清晰可見，有助于幫助學(xué)生建立空間概念并理解野外抽水實(shí)驗(yàn)的工作原理；實(shí)驗(yàn)過程中，操作簡單方便，數(shù)據(jù)獲取清晰，獲得了學(xué)生的好評。同時(shí)我們設(shè)置了兩個(gè)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以自行組合成實(shí)驗(yàn)小組，在征得實(shí)驗(yàn)管理人員的同意后，利用課余時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室，按照自己擬定的題目進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)。

通過一年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)來看，利用這些利用物理模型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了野外現(xiàn)場實(shí)習(xí)的不足，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，為學(xué)生綜合素質(zhì)提高奠定了基礎(chǔ)，提高了教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]虞修竟，蔡國軍，付小敏，肖先煊.水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置的研制及應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（3）：209-212.

[2]王巧煥，何春鋒.《水文地質(zhì)學(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：社會科學(xué)版，2013，32（4）：494-497.

作者簡介：馬增數(shù)（1958-），男，河北贊皇人，大學(xué)本科，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)楣こ痰刭|(zhì)。