王小贊, 于宗仁

(中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院, 江蘇 徐州　221116)

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自制實驗儀器在水文地質(zhì)專業(yè)教學中的應用

王小贊, 于宗仁

(中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院, 江蘇 徐州221116)

介紹了自制實驗給水度儀的研制目的意義和方法,通過相關(guān)專業(yè)4個學年的實驗驗證,該儀器符合實驗室測定巖土孔隙度、給水度和持水度的要求,測試結(jié)果正確。實驗結(jié)果驗證了:(1)沙土的孔隙度主要取決于沙土的分選性,與粒徑大小無關(guān),分選性越好孔隙度越大,分選性越差孔隙度越小,顆粒大小懸殊越大孔隙度越小;(2)沙土的給水度與顆粒大小及排列分布有關(guān),均質(zhì)的沙土,顆粒越粗給水度愈大,粗細沙混合的非均質(zhì)沙土給水度偏小,混合沙礫粒徑越小給水度越小。

自制給水度儀; 孔隙度; 給水度

自制實驗儀器設備是教師根據(jù)自己的教學觀點及實驗需要,運用先進或獨創(chuàng)的技術(shù)自行設計、加工(或委托)制造的儀器,包括教學儀器設備和軟件[1]。這種儀器能真實地演繹科學現(xiàn)象,具有極強的操控特點。創(chuàng)造性地制作各種貼近教學實際的教學儀器,能夠滿足課程的特別需求[2]。自制實驗儀器設備彌補了市售產(chǎn)品在品種和性能方面的不足,提高了實驗規(guī)格,提升了實驗教學水平,同時也培養(yǎng)和鍛煉了高校實驗技術(shù)人員隊伍,充實了產(chǎn)學研的合作內(nèi)容[3]。自行研制先進實驗設備,不但可以使實驗引進新的技術(shù),還可以使教師的業(yè)務能力得到鍛煉,增長新的技能,增加工作的成就感,同時使理論與實踐有機地結(jié)合,為解決教學中的問題打下堅實基礎[4]。

水文地質(zhì)學基礎是水文地質(zhì)專業(yè)學生的必修專業(yè)基礎課,根據(jù)教學需要有幾個必須開設的實驗環(huán)節(jié),所涉及到的實驗儀器設備沒有專門的廠家生產(chǎn)加工。解決這個問題的有效途徑就是自主研制和開發(fā)適合自己教學需要的實驗儀器[5-6]。本文根據(jù)課程需求及本科學生的實驗特點自行研制了一系列適合該環(huán)節(jié)的實驗教學儀器,根據(jù)4個學年的教學實驗使用情況來看,達到了預期的效果。

1　研制目的和意義

松散巖石的空隙是地下水賦存和運移的通道,作為含水介質(zhì),空隙的性狀嚴格控制著地下水的埋藏分布和運動特性,松散巖石孔隙體積的多少是影響其儲容地下水能力大小的重要因素[7]?？紫抖仁侵改骋惑w積巖石(包括孔隙在內(nèi))中孔隙體積所占的比例[8]。松散巖石的給水度是表征飽和巖石在重力作用下能夠釋放或排出的水量,是指在重力排水作用下可以給出的水體積與多孔介質(zhì)體積之比,是水資源評價的重要參數(shù),也是礦坑排水或疏干、建筑工程地基設計和施工的一個重要的水文地質(zhì)參數(shù)。松散巖石的持水度是表征巖石在重力作用下仍能保持一定水量能力的指標,是指飽水巖石在重力釋水后仍能保持的水體積與巖石體積之比,其數(shù)值等于松散巖石的孔隙度與給水度的差值。所以在孔隙水研究中,首先要對松散巖石的孔隙度、給水度和持水度進行測定,了解巖石的持水、給水能力等方面的水文地質(zhì)特征。

在實驗室測定這3個參數(shù)是“水文地質(zhì)學基礎”課程教學的一個重要實驗環(huán)節(jié),也是水文及地質(zhì)專業(yè)本科實驗教學的關(guān)鍵內(nèi)容。由于所用實驗儀器具有很強的專業(yè)性,目前國內(nèi)還沒有專門的生產(chǎn)廠家,有個別專業(yè)院校也在自行研制,但一般不對外銷售,在市場上無法得到,因此只能靠專業(yè)教師自己研發(fā)以滿足實驗教學及相關(guān)科研所需。本儀器研制的目的是為教學所用,取代現(xiàn)有已老化的設備,解決了困擾我們數(shù)年的實驗難題。

2　儀器結(jié)構(gòu)原理

2.1設計思路

要求儀器能適合本科生實驗教學,并且方便靈活、易于操作。要求儀器大小適中,既要能夠容納足夠多的砂樣土、確保實驗結(jié)果的準確度,也不能過大、過重，否則難于操作。儀器材料的選用要求耐磨耐用,經(jīng)濟實用等。

2.2儀器結(jié)構(gòu)

自制給水度儀結(jié)構(gòu)示意圖見圖1,主要包括:儀器架、進水管、砂樣筒、重力水排水管(即出水管)。

圖1　儀器結(jié)構(gòu)示意圖

儀器架采用的材料為耐酸膠化板,尺寸30 cm×30 cm×70 cm,中間隔板可以升降、便于不同身高人員操作使用。砂樣筒采用有機玻璃材料,是內(nèi)徑為10 cm、高度為15 cm的圓柱狀。給水漏斗采用有機玻璃材料,漏斗最大處內(nèi)徑為10 cm。砂樣筒與給水漏斗連接圓盤采用樹脂材料,內(nèi)徑為11 cm,連接處采用石英砂透水板。補水計量裝置采用50 mL酸式滴定管。出水管采用玻璃三通管,高度可調(diào)節(jié),在儀器飽水時排出筒內(nèi)多余的水量。重力水釋放量用量杯計量,用帶有開關(guān)閥的銅質(zhì)三通管和乳膠管連接給水漏斗、進水管和出水管。

3　物化成果

考慮到學生實驗過程中易碎部件的消耗,本次共計加工砂樣筒15套、排水玻璃管17套,組裝成品給水度儀10套,組裝后的給水度儀見圖2。

圖2　水度儀

4　儀器使用方法

(1) 連接儀器:調(diào)整儀器架高度,連接進水管、砂樣筒和出水管。注意檢查進水管、三通管是否漏水。

(2) 儀器飽水:打開A、B開關(guān),調(diào)節(jié)出水管高度使其高于砂樣筒的透水板,從進水管注水,使漏斗、透水板及三通連接管充滿水，然后降低出水管高度排出砂樣筒內(nèi)多余的積水。

(3) 填裝砂樣:不同的砂樣需要采用不同的填裝方式,現(xiàn)以礫石(粒徑為5～10 mm)、砂(粒徑為0.25～0.5 mm)及砂礫混合樣(把上述兩砂樣混合)為例予以說明。

① 礫石的填裝:關(guān)閉A、B開關(guān),將礫石逐漸加入砂樣筒并確保砂樣密實,直至與砂樣筒口平齊。

② 砂礫混合樣的填裝:關(guān)閉A、B開關(guān),先裝部分礫石再裝砂樣,輕搖砂樣筒使礫石的孔隙盡量被砂樣充滿,重復以上步驟,直至砂樣與砂樣筒口平齊。

③ 細砂的填裝:由于細砂有較強的毛細管吸附力,在裝砂過程中透水板或漏斗中的水有可能被砂樣吸附,導致孔隙度結(jié)果偏小,所以需做專門處理。關(guān)閉B開關(guān),在均勻填裝砂樣的同時,調(diào)節(jié)開關(guān)A慢慢從進水管注水,直至砂樣與砂樣筒口平齊。

(4) 孔隙度測量:保持開關(guān)A開通,從進水管給砂樣筒補水,直到砂樣飽和為止,計算出進水量(孔隙體積)V1。進水量體積V1與砂樣筒容積V(砂樣體積)之比即為砂樣的孔隙度n。

(5) 給水度測量:保持開關(guān)A關(guān)閉,開關(guān)B開通,飽和砂樣中的水會在重力作用下從出水管流入量杯,出水過程終止后,記錄出水量體積V2。出水量V2與砂樣筒容積V之比為砂樣的給水度μ。

(6) 持水度:孔隙度與給水度之差。

5　儀器使用情況

自2010年10月學校組織專家驗收合格后儀器開始投入使用,先后完成了本科地質(zhì)工程專業(yè)16個學生班、水文水資源專業(yè)8個學生班以及地質(zhì)能源專業(yè)16個學生班4個學年的“水文地質(zhì)學基礎”的實驗教學。

將學生4年的實驗結(jié)果數(shù)值進行平均,然后與所用教材《水文地質(zhì)學基礎》中所給出的參考值進行比較,見表1?？梢钥闯?除了礫石的給水度外,實驗結(jié)果均與理論參考值相吻合。分析認為,造成礫石的給水度實驗數(shù)據(jù)與理論參考值不吻合的原因為:實驗室所用的礫石砂樣是經(jīng)過粒徑篩選的純礫石,不夾雜細砂,并對砂樣進行多次淘洗和烘干處理,與實際自然界混合的礫石砂樣相比,孔隙大,結(jié)合水和毛細水偏少,所以實驗所得的給水度值偏大。

表1　實驗數(shù)據(jù)與參考值對比表

注: 表中孔隙度參考值出自于文獻[7],給水度參考值出自文獻[9]。

為了驗證巖土孔隙度、給水度、持水度與沙土粒徑大小、分選性的關(guān)系等教材中的知識點,特意選了礫石(粒徑5～10 mm)、粗砂(粒徑2～5 mm)、細砂(粒徑0.5～1.0 mm)及3種砂樣分別混合后的砂樣進行實驗分析。根據(jù)地質(zhì)工程專業(yè)2011—2012級8個班級的實驗數(shù)據(jù)(見表2),分析得出以下結(jié)論:

(1) 沙土的孔隙度與粒徑大小無關(guān),與沙土的分選性有很大關(guān)系。沙土中孔隙的大小取決于顆粒的大小,顆粒粗的孔隙大但孔隙的個數(shù)少,顆粒小的孔隙小但孔隙個數(shù)多,所以沙土顆粒大小對孔隙度無決定性影響。分選性越好孔隙度越大,分選性越差孔隙度越小,顆粒大小懸殊越大孔隙度越小,是由于細小顆粒充填于大顆粒之間的孔隙中,自然會大大降低孔隙度。

(2) 給水度的影響因素包括巖石顆粒大小及排列分布情況。對于均質(zhì)的松散巖石,顆粒越粗,重力釋水時滯留于巖石孔隙中的結(jié)合水和毛細水越少,給水度大。從表2實驗數(shù)據(jù)可看出，礫石給水度最大,并且在數(shù)值上很接近孔隙度(容水度)。顆粒細小的沙土,由于結(jié)合水和毛細水占比例較大,給水度小。對于粗細砂混合得非均值松散砂樣,由于孔隙大小不同,大的孔道優(yōu)先釋水,在小的孔道中形成部分懸掛毛細水不能釋出,使得給水度偏小[9-10]。實驗結(jié)果與教材中的知識點相符,達到了驗證性實驗的目的。

表2　不同砂樣孔隙度和給水度實驗結(jié)果

6　儀器的特點

(1) 經(jīng)濟實惠,維護方便。所需實驗儀器設備專用性強,社會需求量小,價格昂貴,大多無法從市場直接購買到,即使能購買的到,在使用和功能上也遠遠滿足不了教學實驗的需求[11],本研制項目不但解決了實驗教學問題,也節(jié)約了大量資金。由于是實驗教師自行設計完成,所花經(jīng)費很少,除試樣筒、漏斗、進水管和出水彎頭幾個玻璃品需要購買外,儀器架和各部件的連接膠粘都是自己完成,大大節(jié)約了成本?？紤]到學生人多對儀器損壞的可能性大,在制作時盡量采用經(jīng)濟耐用的材料,比如試樣筒及漏斗采用有機玻璃,儀器架用輕便易移動的PVC耐酸膠化板。儀器各部件獨立,出現(xiàn)問題可自行更換修補,節(jié)約了運行成本。

(2) 實用性強,操作簡便,易于開展綜合性設計性實驗。自制實驗儀器是根據(jù)專業(yè)教學大綱規(guī)定的實驗項目制作的更適用、更合理的實驗裝置,這種裝置的特點是面廣,適用性強[12]。本次制作的實驗儀器可操作性強,各部件獨立制作,組裝方便簡單,儀器配件容易得到,學生可自行組裝,由原來的被動實驗轉(zhuǎn)變成自主完成,實驗教學效果很好。

7　結(jié)語

本文介紹的自制給水度實驗儀設計原理科學,結(jié)構(gòu)合理,操作方便,耐用實惠,適合本科教學實驗。經(jīng)過4個學年1 300多名本科生的實驗檢驗,該儀器實驗結(jié)果準確,學生反映很好,適合在水文地質(zhì)專業(yè)實驗教學中推廣應用。

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Application of self-made experimental instruments in hydrogeology teaching

Wang Xiaozan, Yu Zongren

(School of Resources and Earth Sciences, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China)

The developing goal and methodology of self-made specific yield instrument are introduced. It is turn out by 4 academic-years experiments that the instrument meets the requirements for measuring porosity, specific yield and specific retention and the results are correct. Experimental results support such viewpoints in the textbook: (1) porosity of sandy soil depends on sorting and not on the grain size. Good sorting results in large porosity and worse sorting come up with less porosity with large difference in grain sizes resulting in small porosity. (2) Specific yield of sandy soil is affected by grain sizes and distribution. Specific yield will increase with larger grain sizes in homogeneous sandy soil, while specific yield can be quite low in non-homogeneous mixed sandy soil. Specific yield will be less when grain size of mixed sand soil decreases.

self-made instrument; porosity; specific yield

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.021

2015- 09- 27修改日期：2015- 11- 04

中國礦業(yè)大學實驗室與設備管理處自制實驗儀器項目

王小贊(1964—)，女，陜西西安，工學學士，高級工程師，主要研究方向為水文學及水資源.

E-mail：xzwang126@126.com

P641-33

A

1002-4956(2016)4- 0073- 04