達西定律的實驗測試裝置

㈠ 特殊岩心分析實驗是指什麼

這類儲層物性描述要靠一些特殊實驗取得認識，通常包括：上覆岩石壓力、潤濕性、表面與界面張力、毛細管壓力、相對滲透率。這些岩石物理數據直接影響著對烴類物質的數量和分布的計算，它是研究某一油藏流體的流動狀態的重要參數。

（1）上覆岩石壓力：埋藏在地下幾千米的油藏承受著上覆巨厚地層的重量，即上覆壓力，這個上覆壓力是對儲層施加的一種擠壓力，通常岩石的孔隙壓力接近於上覆壓力。如果岩石的顆粒膠結得很好，典型的孔隙壓力大約是每10米深度增大0.1兆帕，上覆壓力與內部孔隙壓力之間的壓力差稱為有效上覆壓力。我們鑽開油層採油，如果不補充能量，就像在一個大皮球上戳一個洞放氣，在球內氣體壓力衰減過程中，大皮球就會扁下去，同樣道理，在壓力衰竭過程中，油層內部孔隙壓力要降低，有效上覆壓力會增大，這將使儲層總體積減小，同時，孔隙間的顆粒膨脹。這兩種變化都使孔隙空間減小，也就是減小了岩石孔隙度。通過特殊岩心分析實驗我們就可以建立孔隙度或滲透率與有效上覆壓力間存在的某種關系。

孔隙壓力的變化會影響岩石孔隙體積的變化，也影響著孔隙內流體的飽和度變化，我們往往採用一個壓縮系數的概念來表述這一特性，孔隙壓縮系數（數學符號記為CP）也就是單位壓力變化時的孔隙體積的相對變化值。

對大多數油藏，基岩和岩石體積壓縮系數相對於孔隙壓縮系數CP都很小，因此通常用地層壓縮系數Cf來描述地層的總壓縮系數，並讓Cf=CP 。在油田開發中，油藏總壓縮系數被廣泛應用於瞬變的流動公式和物質平衡方程，它就像我們高中時學的物理學用容變模量的倒數來表徵一個彈性體瞬變過程一個道理。油藏總壓縮系數數學符號記為Ct，它包括了原油、束縛水、天然氣和岩石的壓縮系數，掌握了這個參數很有用，一個封閉性的油藏，如果我們已經計算出它的地質儲量，想了解在彈性開采階段能采多少油，我們只要將儲量乘上總壓縮系數（Ct）再乘上彈性期壓力降數值就可以計算出它能采出多少油來，反過來，如果我們掌握了開采過程中油藏壓力下降的情況和實際生產量，也可以反求出這個油藏應該有多少彈性儲量。

（2）岩石潤濕性：任何一種液體與另一種固體表面相接觸，液體就會在固體表面產生擴散或附著的趨勢。例如，將汞、石油、水滴在一塊干凈的玻璃板上，你可以看到水滴很容易散布在玻璃板上，石油大約呈半圓珠狀，水銀則保持圓珠狀，這種特性就叫潤濕性。這種擴散的趨勢可以通過液固表面的接觸角來表示，接觸角度小，液體的潤濕性就強，零度接觸角表示完全不潤濕，180°則表示完全潤濕。

油、水相對滲透率曲線

㈡ 達西滲流定律的達西定律

達西在1856年通過了大量的實驗研究，總結得出滲流能量損失與滲流速度之間的關系，即達西定律。
達西定律：
達西實驗裝置如圖所示。圓筒橫斷面積為A，其中充填均勻的砂粒，砂層厚度為l，由金屬網支托。水由穩壓水箱經水管A流入圓筒中，再經砂層滲濾後由出水管B流出。其流量由量筒C量測，在砂層上下兩端裝測壓管以量測滲流的水頭損失。由於滲流流速極小，所以流速水頭可以忽略不計，總水頭可用測壓管水頭來表示，水力坡度可以用測壓管坡度來表示：

達西分析了大量實驗資料，得到圓筒內的滲流量Q與圓筒橫斷面積A和水力坡度J成正比，並和砂層的透水性能有關。達西建立的基本關系為：Q=kAJ,也可以寫成V=Q/A=kJ，式中 k為滲流系數，反映了土壤的透水性能。
實驗發現，隨著雷諾數Re的增加，多孔介質（砂層）中的流動狀態經歷三個區域：①線性層流區：粘性力占優勢，達西定律成立，上限約在Re=10左右；②非線性層流區(過渡區)：為主要被慣性力制約的層流，達西定律不成立，上限約在Re=100左右，在上限附近開始有層流到湍流的過渡；③湍流區：慣性力占優勢，達西定律不成立。由此可見，從上限雷諾數方面偏離達西定律與層流到湍流的過渡不是完全等價的。
在滲流速度很低時，流體與介質間的表面分子力作用顯得更為重要。部分液體的滯流現象使孔隙度發生變化，從而引起滲透率的相應變化。實驗表明，這時孔隙度和滲透率均隨滲流速度的增加而增加，速度到某一臨界值後不再變化，因此不遵循達西定律。
在雷諾數大於上限Re數的情況下，應該用「滲流的二項式定律」代替達西定律，即
，
式中A、B為決定於流體和介質性質的常數。
在雷諾數小於下限Re數情況下，非線性滲流定律的一般形式可寫為：
式中f(J)為小雷諾數情況下滲透率隨水力坡度的變化函數關系，由實驗確定。
以上主要是單相流體達西滲流定律；對於多相流體，達西定律對每一相仍然成立，只需將滲透率修正為該相的相滲透率即可。

㈢ 滲透系數的常用測定方法有哪些

滲透系數的測定方法主要分「實驗室測定」和「野外現場測定「兩大類。
1.實驗室測定法
目前在實驗室中測定滲透系數 k 的儀器種類和試驗方法很多，但從試驗原理上大體可分為」常水頭法「和變水頭法兩種。
常水頭試驗法就是在整個試驗過程中保持水頭為一常數，從而水頭差也為常數。 如圖：
試驗時，在透明塑料筒中裝填截面為A，長度為L的飽和試樣，打開水閥，使水自上而下流經試樣，並自出水口處排出。待水頭差△h和滲出流量Q穩定後，量測經過一定時間 t 內流經試樣的水量V，則
V = Q*t = ν*A*t
根據達西定律，v = k*i，則
V = k*（△h/L）*A*t
從而得出
k = q*L / A*△h=Q*L /( A*△h)
常水頭試驗適用於測定透水性大的沙性土的滲透參數。粘性土由於滲透系數很小，滲透水量很少，用這種試驗不易准確測定，須改用變水頭試驗。
變水頭試驗法就是試驗過程中水頭差一直隨時間而變化，其裝置如圖：水從一根直立的帶有刻度的玻璃管和U形管自下而上流經土樣。試驗時，將玻璃管充水至需要高度後，開動秒錶，測記起始水頭差△h1，經時間 t 後，再測記終了水頭差△h2，通過建立瞬時達西定律，即可推出滲透系數 k 的表達式。
設試驗過程中任意時刻 t 作用於兩段的水頭差為△h，經過時間dt後，管中水位下降dh，則dt時間內流入試樣的水量為
dVe = －a dh
式中 a 為玻璃管斷面積；右端的負號表示水量隨△h的減少而增加。
根據達西定律，dt時間內流出試樣的滲流量為：
dVo = k*i*A*dt = k*（△h/L）*A*dt
式中，A——試樣斷面積；L——試樣長度。
根據水流連續原理， 應有dVe = dVo，即得到
k = （a*L/A*t）㏑（△h1/△h2）
或用常用對數表示，則上式可寫為
k = 2.3*（a*L/A*t）lg（△h1/△h2）
2. 野外現場測定法
滲水試驗(infiltration test)一般採用試坑滲水試驗，是野外測定包氣帶鬆散層和岩層滲透系數的簡易方法。試坑滲水試驗常採用的是試坑法、單環法、和雙環法。 是試坑底嵌入兩個鐵環，增加一個內環，形成同心環，外環直徑可取0.5米, 內環直徑可取0.25米。試驗時往鐵環內注水，用馬利奧特瓶控制外環和內環的水柱都保持在同一高度上，（例如10厘米）。根據內環取的的資料按上述方法確定鬆散層、岩層的滲透系數值。由於內環中的水只產生垂直方向的滲入，排除了側向滲流帶的誤差，因此，比試坑法和單環法精確度高。內外環之間滲入的水，主要是側向散流及毛細管吸收，內環則是鬆散層和岩層在垂直方向的實際滲透。
當滲水試驗進行到滲入水量趨於穩定時，可按下式精確計算滲透系數（考慮了毛細壓力的附加影響）：K(滲透系數)= QL/ F(H+Z+L)。
式中：
Q-----穩定的滲入水量(立方厘米/分)；
F------試坑內環的滲水面積(平方厘米)；
Z-----試坑內環中的水厚度(厘米)；
H-----毛細管壓力（一般等於岩土毛細上升高度的一半）(厘米)；
L-----試驗結束時水的滲入深度（試驗後開挖確定）(厘米)。

㈣ 達西定律

法國水力工程師亨利·達西（Henry Darcy）為了研究Dijon市的供水問題而進行大量的砂柱滲流實驗，於1856年提出了線性滲流定律，即達西定律。達西所採用的實驗裝置如圖2.3所示。在直立的等直徑圓筒中裝有均勻的砂，水由圓筒上端流入經砂柱後由下端流出。在圓筒上端使用溢水設備控制水位，使其水頭保持不變，從而使通過砂柱的流量為恆定。在上、下端斷面1和斷面2 處各安裝一根測壓管分別測定兩個過水斷面處的水頭，並在下端出口處測定流量。根據實驗結果得到以下達西公式：

地下水科學概論（第二版·彩色版）

式中：Q為通過砂柱的流量（滲流量），m³/d；A為砂柱橫截面（過水斷面）面積，m²；h₁和h₂分別為上、下端過水斷面處的水頭，m；∆h=h₁-h₂為上、下端過水斷面之間的水頭差，m；L 為上、下端過水斷面之間的距離，m；I=∆h/L 為水力梯度，無量綱；K為均質砂柱的滲透系數，m/d。

式（2.2）表明，通過砂柱的滲流量（Q）與砂柱的滲透系數（K）、橫截面面積（A）及水頭差（∆h）成正比，而與滲流長度（L）成反比，也可以說滲流量（Q）與滲透系數（K）、橫截面面積（A）和水力梯度（I）成正比。而且，利用不同尺寸的實驗裝置進行達西實驗，即適當改變砂柱的滲透系數（K）、橫截面面積（A）及水頭差（∆h）與長度（L），都會得到式（2.2）的關系。

圖2.3 達西實驗裝置示意圖（截面圖）

另外，通過某一過水斷面的滲流量可以表示為

Q=vA （2.3）

式中：v為滲流速度。由此可以得到達西定律的另一種表示形式：

v=KIA （2.4）

式（2.4）表明滲流速度等於滲透系數與水力梯度的乘積。對於同一均質砂柱來說，其滲透系數通常為一常數，因而滲流速度與水力梯度的一次方成正比，故達西定律又稱為線性滲流定律。達西定律不僅對垂直向下通過均質砂柱的滲流是適用的，而且對於通過傾斜的、水平的及流向為自下而上的均質砂柱的滲流也是適用的，亦即和砂柱中的滲流方向與垂向方向的夾角大小無關。

式（2.4）中的滲流速度（v）實際上是一種平均流速，是水流通過包括空隙和固體骨架在內的過水斷面面積（A）的流速。由於過水斷面面積（A）中包括斷面上砂粒所佔據的面積和孔隙面積，而水流實際通過的面積只是孔隙實際過水面積A＇=n_eA，其中n_e為有效孔隙度。因此，水流通過實際過水斷面面積（A＇）的滲透速度（u，也是一種平均流速）為

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由於n_e＜1，所以滲流速度（v）總是小於滲透速度（u）。

式（2.2）或式（2.4）中的水力梯度I=∆h/L，為沿滲流途徑的水頭差（水頭損失）與相應滲流長度的比值。水頭損失是由於水質點通過多孔介質細小彎曲通道流動時為克服摩擦阻力而消耗的機械能，水頭差也稱為驅動水頭。因此，水力梯度也可以理解為水流通過單位長度滲流途徑為了克服摩擦阻力所耗失的機械能，或者理解為使水流以一定速度流動的驅動力。

圖2.4 均質潛水流動水力梯度示意圖（剖面圖）

在實際的地下水流動中，不同點的水力梯度可以不相同。例如在圖2.4所示的均質潛水流動中，在任意距離x處對應的潛水面處的水力梯度為 ∆h/∆s≈∆h/∆x=dh/dx。其中，∆s為水位線的一段弧長，∆h為對應的水頭差，∆x為∆s對應的水平距離。用微分形式dh/dx表示水力梯度，則意味著水力梯度沿水流方向是可以變化的。另外，實際過水斷面是一個曲面，難以求得其面積。如果假設潛水含水層中的地下水流基本上是水平流動（這一假設稱為裘布依假設）時，則x處的過水斷面可以近似看成是一個垂直斷面。這時以式（2.4）表示的達西定律可以寫成以下更一般的一維形式：

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式（2.6）中等號右端的負號表示沿著地下水流動方向水頭是降低的。

達西公式（2.2）中的滲透系數（K，也有人稱之為水力傳導系數），可以定義為水力梯度等於1時的滲流速度（因為在式（2.4）中，當I=1時，v=K）。由式（2.4）可知，當I為一定值時，K越大則v就越大；當v為一定值時，K越大則I就越小。說明K越大時，砂柱的透水性越好，使水流的水頭損失越小。因此，滲透系數是表徵多孔介質透水能力的參數。

滲透系數既與多孔介質的空隙性質有關，也與滲透液體的物理性質（特別是黏滯性）有關：

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式中：K為滲透系數；k為滲透率（透水率）；ρ為液體的密度；g為重力加速度常數；μ為液體的動力黏滯系數。如果有兩種黏滯性不同的液體分別在同一介質中滲透，則動力黏滯系數大的液體滲流時介質的滲透系數會小於動力黏滯系數小的液體滲流時介質的滲透系數。在一般情況下，當地下水的物理性質變化不大時，可以忽略它們的影響，而把滲透系數單純地看作表徵介質透水性能的指標。在研究地下鹵水或熱水的運動時，由於它們的物理性質變化明顯而不能忽略。滲透率（k，也有人稱之為內在滲透率或固有滲透率）僅與介質本身的性質有關，取決於介質的空隙性，其中介質的空隙大小起著重要作用。已知介質的滲透率，可以利用式（2.7）計算介質的滲透系數。例如，已知k=2.3×10^-9cm²，並且ρ=1.0g/cm³，g=981cm/s₂，μ=0.01 g/（cm·s），則求得K=2.2563×10^-4cm/s（Hudak，2000）。

多孔介質的滲透系數或滲透率隨空間位置和方向可以發生變化。如果介質的滲透系數隨空間位置不發生變化，這種介質稱為均質介質，而發生變化的介質稱為非均質介質。如果介質中同一位置的滲透系數隨方向不發生變化，這種介質稱為各向同性介質，而發生變化的介質稱為各向異性介質。在某些情況下，介質的滲透系數也可以隨時間而發生變化。例如，由於外部荷載的增加導致介質的壓密可以降低介質的滲透系數。鹽岩晶間鹵水由於礦化度的升高或降低導致石鹽沉澱或溶解，可以使鹽岩的滲透系數降低或增大。在某些條件下，由於存在於介質中的生物活動可以逐漸堵塞空隙通道，可以使介質滲透系數逐漸減小。

滲透系數具有與滲流速度相同的單位，常用單位為m/d或cm/s。滲透率的常用單位為達西或毫達西，1達西=9.8697×10^-9cm²（相對於20℃的水而言）。表2.1列出了部分多孔介質的滲透系數的參考數值。

表2.1 多孔介質滲透系數單位：m/d

（據王大純等，1995；余鍾波等，2008）

雖然滲透系數（K）可以說明岩層的透水能力，但不能單獨說明含水層的出水能力。對於承壓含水層，由於其厚度（M）是定值，則T=KM也是定值。T稱為導水系數，它指的是在水力梯度等於1時流經整個含水層厚度上的單寬流量，常用單位是m²/d。導水系數是表徵承壓含水層導水能力的參數，只適用於二維流，對於三維流則沒有意義（Bear，1979）。

㈤ 地下水運動有何規律達西定律的物理概念是什麼何為土的滲透系數

達西定律（Darcy's law）描述飽和土中水的滲流速度與水力坡降之間的線性關系的規律，又稱線性滲流定律。1856年由法國工程師H.P.G.達西通過實驗總結得到。1852-1855年，達西進行了水通過飽和砂的實驗研究，發現了滲流量Q與上下游水頭差（h2- h1）和垂直於水流方向的截面積A成正比，而與滲流長度L成反比，即：Q=K*A*（h2-h1）/L。

確定滲透系數大小：取地區經驗數據或者類似工程地質水文地質條件下的相鄰工程滲透系數數據；）取樣室內測試，測定滲透系數；3
）抽水、壓水、注水試驗或其他原委測試
試驗測定滲透系數。

㈥ 地下水均衡要素的測定方法

地下水均衡研究的主要工作是測定各均衡要素，這里以潛水均衡要素的測定為例，說明測定地下水均衡要素的常用方法。

（一）潛水儲存量變化量（μΔh）的測定方法

潛水儲存量變化量（μΔh）是潛水位變化值Δh與水位變動帶岩層的給水度（或飽和差）μ的乘積。潛水位變化值Δh一般由觀測孔直接觀測確定。因此，確定潛水儲存量變化量的關鍵就是測定給水度（或飽和差）μ值。確定給水度μ的常用方法簡述如下。

1.實驗室測定

對於鬆散岩層，一般可取原狀土樣，在實驗室用給水度儀測定給水度μ值，即先讓試樣筒飽水，而後再釋水（退水），則試樣的給水度μ=試樣釋水體積（V_水）/試樣體積（V土）。本方法的優點是成本低，測試簡便，缺點是試樣體積小，代表性差。

2.根據抽水前後包氣帶土層天然濕度的變化確定給水度μ值

對包氣帶分段（段長為ΔZ_i），分段測定其天然濕度，據包氣帶中非飽和水流的運移和分布規律可知，抽水前包氣帶內土層的天然濕度分布應如圖6-2中的oacd線所示，然後抽水，使潛水面下降（下降值為Δh），再次測定整個深度內土層的天然濕度值。由圖6-2可知，抽水後，潛水面由A下降到B（下降值為Δh），故毛細水帶將下移，由aa′段下移至bb′段，此時的土層天然濕度分布線則變為圖6-2中的oabd。對比抽水前後的兩條濕度分布線可知，由於抽水水位下降，水位變動帶將會給出一定量的水，按水均衡原理，抽水前後所測包氣帶內濕度之差，應等於潛水位下降Δh 時包氣帶（主要是毛細水帶）所給出之水量，此值即μΔh，除以Δh即為給水度μ，即按下式計算給水度μ：

為越流系數（1/d）；Δt為計算時段（d）。

（六）潛水溢出或泄流量（W_S）的測定

潛水溢出或泄流量是均衡地段內流出地表的潛水量。流出形式一般為泉、泉群、地下河等。一般用堰測法直接測定，並求出均衡期內的平均流量，最後換算成水層厚度（mm）。

㈦ 滲透系數的測定方法

滲透系數的測定方法主要分「實驗室測定」和「野外現場測定「兩大類。
1.實驗室測定法
目前在實驗室中測定滲透系數 k 的儀器種類和試驗方法很多，但從試驗原理上大體可分為」常水頭法「和變水頭法兩種。
常水頭試驗法就是在整個試驗過程中保持水頭為一常數，從而水頭差也為常數。 如圖：
試驗時，在透明塑料筒中裝填截面為A，長度為L的飽和試樣，打開水閥，使水自上而下流經試樣，並自出水口處排出。待水頭差△h和滲出流量Q穩定後，量測經過一定時間 t 內流經試樣的水量V，則
V = Q*t = ν*A*t
根據達西定律，v = k*i，則
V = k*（△h/L）*A*t
從而得出
k = q*L / A*△h=Q*L /( A*△h)
常水頭試驗適用於測定透水性大的沙性土的滲透參數。粘性土由於滲透系數很小，滲透水量很少，用這種試驗不易准確測定，須改用變水頭試驗。
變水頭試驗法就是試驗過程中水頭差一直隨時間而變化，其裝置如圖：水從一根直立的帶有刻度的玻璃管和U形管自下而上流經土樣。試驗時，將玻璃管充水至需要高度後，開動秒錶，測記起始水頭差△h1，經時間 t 後，再測記終了水頭差△h2，通過建立瞬時達西定律，即可推出滲透系數 k 的表達式。
設試驗過程中任意時刻 t 作用於兩段的水頭差為△h，經過時間dt後，管中水位下降dh，則dt時間內流入試樣的水量為
dVe = －a dh
式中 a 為玻璃管斷面積；右端的負號表示水量隨△h的減少而增加。
根據達西定律，dt時間內流出試樣的滲流量為：
dVo = k*i*A*dt = k*（△h/L）*A*dt
式中，A——試樣斷面積；L——試樣長度。
根據水流連續原理， 應有dVe = dVo，即得到
k = （a*L/A*t）㏑（△h1/△h2）
或用常用對數表示，則上式可寫為
k = 2.3*（a*L/A*t）lg（△h1/△h2）
2. 野外現場測定法
滲水試驗(infiltration test)一般採用試坑滲水試驗，是野外測定包氣帶鬆散層和岩層滲透系數的簡易方法。試坑滲水試驗常採用的是試坑法、單環法、和雙環法。 是試坑底嵌入兩個鐵環，增加一個內環，形成同心環，外環直徑可取0.5米, 內環直徑可取0.25米。試驗時往鐵環內注水，用馬利奧特瓶控制外環和內環的水柱都保持在同一高度上，（例如10厘米）。根據內環取的的資料按上述方法確定鬆散層、岩層的滲透系數值。由於內環中的水只產生垂直方向的滲入，排除了側向滲流帶的誤差，因此，比試坑法和單環法精確度高。內外環之間滲入的水，主要是側向散流及毛細管吸收，內環則是鬆散層和岩層在垂直方向的實際滲透。
當滲水試驗進行到滲入水量趨於穩定時，可按下式精確計算滲透系數（考慮了毛細壓力的附加影響）：K(滲透系數)= QL/ F(H+Z+L)。
式中：
Q-----穩定的滲入水量(立方厘米/分)；
F------試坑內環的滲水面積(平方厘米)；
Z-----試坑內環中的水厚度(厘米)；
H-----毛細管壓力（一般等於岩土毛細上升高度的一半）(厘米)；
L-----試驗結束時水的滲入深度（試驗後開挖確定）(厘米)。

㈧ 覆蓋層阻燃原理分析

通過上述分析，盡管煤矸石山自燃是一種比較特殊的燃燒系統，影響其自燃的因素比較多，但是，針對煤矸石山自燃的特點和歷程，只要阻斷煤矸石山維持自燃過程的任意一條鏈條，都可以達到預防和滅火的目的。對於已經堆存至一定規模、近期煤矸石難以有效利用直至徹底消除且含有大量可燃物的煤矸石山，防止自燃最好的方法是對煤矸石山全面覆蓋封閉、阻隔空氣進入煤矸石山內部。為此，在煤矸石山表面構建覆蓋層、實施全面封閉的做法，可有效防止自燃的發生。

一、覆蓋層的阻燃性

為了防止煤矸石山自燃，要求其覆蓋層具備一定的空氣阻隔作用，以阻斷煤矸石山內部供氧途徑。研究表明，陽泉煤矸石山自燃風速的臨界值為4.4×10^-5m/s，即有效覆蓋層中的空氣滲流速度小於4.4×10^-5m/s時，可滿足自燃煤矸石山治理的基本目標。

空氣滲透量與滲透速率的關系如下：

自燃煤矸石山治理與生態重建技術

式中：Q——空氣滲透量，m³/s；

A——空氣滲透的截面面積，m²；

v——空氣滲流速度，m/s。

二、影響覆蓋層阻燃效果的因素

基於煤矸石山治理防自燃的目標，用空氣滲流速度評價覆蓋層的阻燃效果。其阻燃效果主要受以下四方面因素的影響。

（1）覆蓋材料滲透率的影響。覆蓋材料宜選擇低滲透率的材料，以保障覆蓋層的隔離效果。滲透率的大小與覆蓋材料的粒徑分布、粒度及其形狀有關。粒度組成在一定程度上決定了孔隙率的大小，是主要因素，而顆粒的大小、形狀則決定了空氣流通孔道的大小和粗糙度。

（2）覆蓋層厚度的影響。一定條件下，覆蓋層厚度影響空氣滲透速度的大小，對於透氣性好的覆蓋材料，宜增加覆蓋層厚度，以確保覆蓋層中的空氣滲流速度低於臨界流速；對於透氣性弱即阻隔性好的覆蓋材料，可相對減小覆蓋厚度，降低治理成本。

（3）煤矸石山內外壓差的影響。覆蓋層的空氣滲透速度受煤矸石山內外壓差的影響，如前所述，煤矸石山內外壓差並不是一個穩定值，在煤矸石山尚未自燃時，空氣在煤矸石山中的流動主要取決於自然風壓。

（4）覆蓋層碾壓效果的影響。在煤矸石山治理中，常使用的覆蓋材料是以黃土為主的土質材料。工程中，常通過碾壓操作改變土質材料的工程特性，如增加土質材料的密實度。黃土碾壓後的滲透率遠遠小於煤矸石的滲透率，因此在煤矸石山表層覆蓋黃土並碾壓，可減小煤矸石堆體的空隙率與滲透率，使空氣不易進入煤矸石山內部，從而有效防止煤矸石自燃。

反映碾壓效果的指標最常用的是干密度，干密度越大，孔隙越小，土質材料也就越密實，說明碾壓效果越好。反之，碾壓效果就差一些。在工程中，土的碾壓效果用壓實度來表示，其定義為：

自燃煤矸石山治理與生態重建技術

研究表明，土質材料壓實程度越高，土質材料的容重越大孔隙度越小，導致阻隔性提高。這是因為，壓實將導致土質材料的密度增大，孔隙率減小，則流體通過土質材料的平均孔隙尺寸就越小，從而導致其滲透系數減小。相應地，土質材料的阻隔性增強。研究表明，在土質材料被嚴重壓實時，其通氣大孔隙甚至降為3%以下。

對於煤矸石，通過碾壓也可降低其滲透率。有實驗證明，煤矸石經壓路機的反復碾壓，密實度會逐漸增加，滲透率逐漸減小，當碾壓遍數到一定值後，即使再反復碾壓也不會明顯提高煤矸石的密實度，而煤矸石的滲透率減小緩慢。

有研究曾在陽泉二礦煤矸石山現場測定了煤矸石在壓實過程中滲透率的變化情況，試驗裝置如圖5-5所示。試驗步驟如下：

圖5-5 煤矸石山現場測試滲透率

1）在二礦煤矸石山頂部平面初步整實一塊10m×10m的場地，上面堆積l.5m厚的新矸石；

2）在試驗煤矸石堆中插入三根抽氣管，連接好試驗裝置及連接管路；

3）開動真空泵，待讀數穩定後，分別讀取流量與壓差；

4）將所堆煤矸石用壓路機（自重12t，振動力20t）分別碾壓l遍、3遍、7遍，覆蓋黃土後再碾壓2遍。每次壓畢後用同樣的方法測其流量與壓差；

5）根據測試結果，可求得3個點的平均滲透率。

在試驗條件下，一定時間後抽氣管周圍的流場近似可看作圓錐形流場，根據達西定律，可導出下式：

自燃煤矸石山治理與生態重建技術

式中：K——滲透率，m²或Darcy；

μ——空氣動力粘度，Pa·s；

R——抽放半徑，m；

h——抽氣口距表面深度，m；

Q——抽氣流量，m³/s；

P——壓差，Pa。

測試結果如表5-1所示。

表5-1 煤矸石壓實條件與滲透率的關系

從表5-1可以看出，在反復碾壓作用下，煤矸石堆逐漸變得越來越緊密，滲透率不斷變小。黃土的密封的效果尤為明顯，僅覆蓋20cm左右厚的黃土就可使已壓實的煤矸石滲透率減小2/3。根據前面所述，當煤矸石堆中氣流速度小於4.4×10^-5m/s後，一般的煤矸石不會發生自燃，此時對應的煤矸石堆的滲透率為2.0×10^-10m²（即為2.0×10^-1Darcy）。表中顯示，煤矸石經振動碾壓7遍後，矸石堆滲透率已能達到此要求。

對於自燃煤矸石山，覆土碾壓構建覆蓋層的目的，就是要得到一道可有效隔氧防滲的屏障，需要最大限度地增加壓實度。因此，碾壓作業在自燃煤矸石山治理中，是一項有效的工程措施。

三、影響覆蓋層碾壓效果的因素

1.含水率的影響

在土質一定條件下，含水量對表徵碾壓程度的指標——密實度有很大的影響。

黃土顆粒細，比表面積大，需要較多的水分包裹土粒以形成水膜。另外，黃土粘粒中含有親水性較高的膠體物質，因此，水分對黃土的密實度影響較大。土中水分過少，土粒間的潤滑作用差，壓實不足以克服土粒間的摩擦力，土粒之間不能靠攏得更緊，因而難以達到最大密實度。土中的水分過多，土粒被水膜包圍而拉開距離，含水量越大，水膜越厚，密實度也越小，並且水分蒸發後容易形成裂紋。當黃土在最佳含水量時進行壓實，土體中的水分既提高了土粒間的潤滑力，又不把土粒隔開，在同樣壓實功的作用下，容易達到最大密實度。在達到最大密實度時，土體中的孔隙率最小，滲透率也達到最小，有最好的封閉效果。

黃土屬粘土，最佳含水率為12%～15%。作為一種簡單判斷方法，可用「手捏成團，輕敲即散」來判別黃土的含水率是否適當，以保證封閉效果。

2.碾壓工具的影響

土質材料的碾壓效果不僅與土料本身性質有關，也與碾壓方法有關。而碾壓方法按其作用原理，可歸納為三類：靜壓、沖擊、振沖。碾壓方法不同，作用於土體的荷載大小及作用原理不同，碾壓效果也就不同。根據不同碾壓原理設計的碾壓工具，壓力傳布的有效深度有所不同。夯擊式機具的壓力傳布最深，振動式機具次之，碾壓式機具作用深度最淺。

車輛載荷的作用力深度可用下式計算：

自燃煤矸石山治理與生態重建技術

式中：K——應力系數，近似取K=0.5；

n——系數，5～10；

P——車輛載荷，kN；

Z——載荷下的垂直深度，m；

r——煤矸石容重，kN/m³。

振動壓路機自重為12t（118kN），設前輪集中了80%的載荷，並取n=5，r=20kN/m³，根據式（2-1），在黃土表面碾壓時，載荷影響深度：

自燃煤矸石山治理與生態重建技術

事實上，當載荷傳入煤矸石堆後，因矸石堆的剛度使應力擴散，載荷下實際應力減小，所以載荷影響深度並不能達到理論值。根據煤石山實測，陽泉二礦的煤矸石山即使經振動壓路機振動碾壓後，其影響深度也只有1.5m左右。

3.壓實功能的影響

進行土質材料碾壓時，作用於土體的壓實功能的大小影響土的干密度。試驗表明，當壓實功能較小時，土的干密度隨壓實功能增大而增大，但當壓實功能增加至某一個值以後，干密度的增長率會減小，壓實效果降低。原因是，土體顆粒受外力作用之後，內部應力會發生變化，從而失去原來的平衡狀態，顆粒之間克服摩阻力，因而彼此移動、互相填充出現了新的排列，因此空隙減小，密度增大；施加的外力越大，促使顆粒移動充填的能量也就越大，土體越來越密實；當土體密實度達到一定程度之後，顆粒間空隙很小，即使增加壓實功能，顆粒間再移動充填是相當不容易的，因此干密度增長率降低，這時候再增加壓實功能，必然極不經濟。

因此，需要選擇最優壓實功能及合適的碾壓機具及碾壓方法。

㈨ 實驗二 達西滲透實驗

1.實驗目的

1)通過穩定流條件下的滲透實驗，進一步加深理解線性滲透定律———達西定律。

2)加深理解滲透流速(v)、水力坡度(I)、滲透系數(K)之間的關系，並熟悉實驗室測定滲透系數(K)的方法。

2.實驗內容

1)了解達西滲透實驗裝置(圖B-2、圖B-3)。

2)驗證達西滲透定律。

3)測定不同試樣的滲透系數。

3.實驗原理

在岩石空隙中，由於水頭差的作用，水將沿著岩石的空隙運動。由於空隙的大小不同，水在其中運動的規律也不相同。實踐證明，在自然界絕大多數情況下，地下水在岩石空隙中的運動服從線性滲透定律:

圖B-2 達西儀裝置圖(底部進水)

水文地質學概論

式中:Q為滲透流量，m³/d或cm³/s;K為滲透系數，m/d或cm/s;ω為過水斷面面積，m²或cm²;Δh為上、下游過水斷面的水頭差，m或cm;L為滲透途徑的長度，m或cm;I為水力坡度(或稱水力梯度)， ;v為滲透流速，m/d或cm/s。

利用該實驗可驗證達西線性滲透定律:Q=KωI或v=KI。其主要內容為:流量(Q)(或v)與水力坡度(I)的一次方成正比。在實驗時多次調整水力坡度(改變水頭)，看其流量(Q)(或v)的變化是否與水力坡度一次方成正比關系。

實驗時，可直接測定流量(Q)、過水斷面面積(ω)和水力坡度(I)，從而可求出滲透系數(K)值

室內測定滲透系數，主要採用達西儀。其實驗方法有兩種:①達西儀由底部供水，出水口在上部(圖B-2)。實驗過程中，低水頭固定，調節高水頭;②達西儀是由頂部供水，水流經砂柱，由下端流出(圖B-3)。實驗過程中，高水頭固定，調節低水頭，即調節排水口的高低位置。由底部供水的優點是容易排出試樣中的氣泡，缺點是試樣易被沖動。由頂部供水的優缺點與前一種正好相反。本實訓以頂部供水的達西儀為例進行介紹。

4.實驗儀器及用品

1)達西儀(圖B-3)。

2)量筒(500mL)1個。

3)秒錶。

圖B-3 達西儀裝置圖(頂部進水)(編號說明見圖B-2)

4)搗棒。

5)試樣:①礫石(粒徑5～10mm);②砂(粒徑0.6～0.9mm);③砂礫混合(①與②混合)樣。

5.實驗步驟

(1)實驗前的准備工作

1)測量:分別測量金屬圓筒的內徑(d)，根據 計算出過水斷面面積(ω)和各測壓管的間距或滲透途徑(L)，將所得ω、L數據填入表B-2中。

2)裝樣:先在金屬圓筒底部金屬網上裝2～3cm厚的小砂石(防止細粒試樣被水沖走)，再將欲實驗的試樣分層裝入金屬圓筒中，每層3～6cm厚，搗實，使其盡量接近天然狀態的結構，然後自上而下進行注水(排水管2和水源5連接)，使砂逐漸飽和，但水不能超出試樣層面，待飽和後，停止注水。如此繼續分層裝入試樣並飽和，直至試樣高出上測壓管孔3～4cm為止，在試樣上再裝厚3～4cm小礫石作緩沖層，防止沖動試樣。

3)調試儀器:在每次試驗前，先給試樣注水，使試樣全部飽水(此時溢水管7有水流出)待滲流穩定後，停止注水。然後檢查3個測壓管中水面與金屬圓筒溢水面是否保持水平，如水平，說明管內無氣泡，可做實驗。如不水平，說明管內有氣泡，需排出。排氣泡的方法是用吸耳球對准水頭偏高的測壓管緩慢吸水，使管內氣泡和水流一起排出。用該方法使3個測壓管中水面水平，此時儀器方可進行實驗。

以上工作也可由實驗室教師在實驗課前完成。

(2)正式進行實驗

1)測定水頭:把水源5與排水管2分開，將排水管2放在一定高度上，打開水源5使金屬圓管內產生水頭差，水在試驗中從上往下滲透，並經排水口流出，此時溢水管7要有水溢出(保持常水頭)。當3個測壓管水頭穩定後，測得各測壓管的水頭，並計算出相鄰兩測壓管水頭差，填入表B-2中。

2)測定流量:在進行上述步驟的同時，利用秒錶和量筒測量時間(t)內排水管流出的水體積，及時計算流量(Q)。連續兩次，使流量的相對誤差小於5%(相對誤差(δ)= ，Q₁、Q₂分別為兩次實驗流量值，取平均值填入表B-2中。

表B-2 達西滲流實驗報告表

3)按由高到低或由低到高的順序，依次調節排水管口的高度位置，改變Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個測壓管的水頭管讀數。重復步驟1和2，做2～4次，即完成3～5次實驗，取得3～5組實驗數據。

實驗過程中注意:①實驗過程中要及時排除氣泡，並保持常水頭;②為准確繪制v-I曲線，要求測點分布均勻，即流量(水頭差)的變化要控制適度。

(3)資料整理

依據以上實驗數據，按達西公式計算出滲透系數值，並求出其平均值，填入表B-2中。

6.實驗成果

1)提交實驗報告(表B-2)。

2)抄錄其他小組另外兩種不同試樣的實驗數據(有時間時，可自己動手做)。在同一坐標系內，以v(滲透流速)為縱坐標，I(水力坡度)為橫坐標，繪出3種試樣的v-I曲線，驗證達西定律。

復習思考題

1.當試樣中水未流動時，3個測壓管的水頭與溢水口水面保持在同一高度，為什麼?

2.為什麼要在測壓管水頭穩定後再測定流量?

3.三種試樣的v-I曲線是否符合達西定律?試分析其原因。

4.比較不同試樣的滲透系數(K)值，分析影響K值的因素?

5.在實驗過程中為什麼要保持常水頭?

6.將達西儀平放或斜放進行實驗時，其實驗結果是否相同?為什麼?

㈩ 達西定律的相關信息

地下水在土體孔隙中滲透時，由於滲透阻力的作用，沿程必然伴隨著能量的損失版。為了揭示水在土權體中的滲透規律，法國工程師達西(H.darcy)經過大量的試驗研究，1856年總結得出滲透能量損失與滲流速度之間的相互關系即為達西定律。
達西實驗的裝置如圖1所示。裝置中的①是橫截面積為A的直立圓筒，其上端開口，在圓筒側壁裝有兩支相距為l 的側壓管。筒底以上一定距離處裝一濾板②，濾板上填放顆粒均勻的砂土。水由上端注入圓筒，多餘的水從溢水管③溢出，使筒內的水位維持一個恆定值。滲透過砂層的水從短水管④流入量杯⑤中，並以此來計算滲流量q。設△t時間內流入量杯的水體體積為△V, 則滲流量為q=△V /△t 。同時讀取斷面1-1和段面2-2處的側壓管水頭值h1，h2，Δh為兩斷面之間的水頭損失。
達西分析了大量實驗資料，發現土中滲透的滲流量q與圓筒斷面積A及水頭損失△h 成正比，與斷面間距l 成反比，即
式中i=△h/l，稱為水力梯度，也稱水力坡降；k為滲透系數，其值等於水力梯度為1時水的滲透速度，cm/s 。
式（1-1）和（1-2）所表示的關系稱為達西定律，它是滲透的基本定律。