非穩定流滲流實驗裝置

㈠ 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?

㈡ 安徽理工大學地球與環境學院的實驗室建設

是根據地質工程、環境工程、以及資源環境與城鄉規劃管理專業的要求而設立的專專業基礎實驗屬室。實驗室主要為學生開設流體靜力學、流體動力學和多孔介質滲透動力學實驗等內容，目的為學生進一步鞏固和加深對理論的理解，培養學生的實踐能力和創新能力。
本實驗室主要儀器設備有：滲透儀、水靜壓強儀、流體力學綜合實驗台、雷諾儀以及非穩定流達西儀、能量方程儀、流態演示儀和無壓條件下滲流實驗裝置，自動化水位監測系統裝置。水動力學實驗室(1)主要為流體力學實驗；水動力學實驗室(2)主要為滲流力學實驗。
實驗室承擔以上三個專業本科生實驗教學，為開設的《工程流體力學》、《地下水動力學》、《水文地質學基礎》等課程服務。
除完成日常教學工作外，本實驗室還開設《地下水動力學開放性實驗》，通過該項實踐活動，不僅培養了學生對地下水滲流運動基本規律敏銳觀察和分析力，也為啟迪新思想，創建新方法，造就高素質新型人才奠定基礎。

㈢ 實驗Ⅰ 不穩定滲流實驗

一、實驗目的

通過不穩定流條件下的滲流實驗，加深對Darcy定律的理解。

二、實驗裝置

如圖Ⅰ-1所示，圓管A下段裝有待測定的砂樣，底端為銅絲網，砂樣表層鋪放薄層細礫。實驗開始時，圓管上部裝滿水，水便通過砂樣滲流，圓管上部水位則逐漸下降。

圓管下端放在盛水器皿B中，通過砂樣滲流到器皿中的水會自動溢出，以固定滲流段下游水位。排水容器E通過排水管隨時排走盛水器皿溢出的水。

圖Ⅰ-1 實驗裝置圖

圖Ⅰ-2 t-lg H直線

三、實驗原理

1.2.1節中「不穩定Darcy實驗」已證明，圖Ⅰ-1所示的裝置中水頭H與時間t呈半對數關系（1.23）式，即

地下水動力學（第五版）

式中：t為時間；H₀為實驗的初始水頭（即當t＝0時的水頭）；H為對應不同時間t的水頭；l為試樣長度；K為滲透系數。

因此，實驗過程中，可測定對應不同時間的水頭值，作t-lg H直線關系（圖Ⅰ-2），利用該直線的斜率m求滲透系數K。

四、實驗步驟

（1）熟悉儀器結構以及秒錶操作方法與讀數。進行實驗分工，建議一人觀察水頭變化，一人看秒錶，一人記錄。

（2）將盛水器皿充滿水，並將滲透管的下端放入盛水器皿B的水面之下約1cm。

（3）對試樣充水，使其自由滲透2～3次，以飽和砂土，排除空氣。

（4）記下初始水頭H₀，對透明管充水到滲透管零點上方。待水位下降至零刻度，開動秒錶記時。

（5）水位下降到預先設計的降深值（如2，4，6，8，…，20cm）時，記錄對應的時間（表Ⅰ-1）。

（6）重復實驗步驟（4）和步驟（5）1～2次，進行核對。

（7）改變滲透管下端沒入盛水器皿的深度（離器皿底部約1cm）進行同樣實驗，記錄讀數。

（8）與不同砂樣的小組交換儀器，重復上述步驟（4）～步驟（7）的實驗，做好記錄。

表Ⅰ-1 實驗Ⅰ數據記錄

註：長度單位為cm，時間單位為s。

五、實驗成果

1.提交實驗數據記錄（表Ⅰ-1）。

2.數據處理

（1）繪制兩種砂樣的t-lg H曲線。

（2）計算滲透系數K（表Ⅰ-2）。

表Ⅰ-2 實驗Ⅰ滲透系數計算簡表

3.問題討論

（1）達西定律的應用條件是什麼？

（2）滲透管出口端放在盛水器皿不同深度時，滲透速度有何變化？為什麼（對比實驗資料說明）？

（3）本實驗中，測定水位H的基準面在何處？

六、試驗性實驗設計