常水頭實驗裝置

㈠ 土石混合體滲透性能的正交試驗研究

周中¹ 傅鶴林¹ 劉寶琛¹ 譚捍華² 龍萬學² 羅強²

（1.中南大學土木建築學院 湖南 長沙 410075

2.貴州省交通規劃勘察設計研究院 貴州 貴陽 550001）

摘要 土石混合體作為土和石塊的介質耦合體，具有非均質性、非連續性及試樣的難以採集性等獨特的性質，從而給研究帶來極大的困難。土石混合體屬於典型的多孔介質，其滲透特性與顆粒的大小、孔隙比及顆粒形狀關系密切。本文採用室內正交實驗，利用自製的常水頭滲透儀，研究了礫石含量、孔隙比和顆粒形狀三個因素在不同水平下對土石混合體滲透系數的影響。通過正交試驗確定了三種因素對土石混合體滲透系數的影響順序及各因素的顯著性水平。提出了土石混合體滲透系數計算公式，並通過試驗結果驗證了計算公式的正確性，為土石混合體滲透系數的理論計算提供了一個簡明有用的計算工具。

關鍵詞 土石混合體 多孔介質 滲透性能 計算公式 正交試驗

土石混合體一般由作為骨料的礫石或塊石與作為充填料的粘土或砂組成，是介於土體與岩體之間的一種特殊的地質體，是土和石塊的介質耦合體^［1］。因為土石混合體具有物質組成的復雜性、結構分布的不規則性以及試樣的難以採集性等獨特的性質，從而給研究帶來極大的困難，目前人們對於它的研究仍處於探索之中^［2］。滲透與強度和變形特性，都是土力學中所要研究的主要力學性質，其在土木工程的各個領域中都有重要的作用^［3］。土石混合體屬於典型的非均質多孔介質^［4］，其滲透特性與顆粒的大小、顆粒組成、孔隙比及顆粒形狀關系密切。土的滲透系數可以通過室內試驗由達西定理計算得出，然而土石混合體的滲透系數卻難以確定，主要原因是：取樣困難；難以進行常規的滲透試驗；大尺度的滲透試驗不僅造價高准確性差，而且試驗結果離散度大，難以掌握其規律性。迄今為止，國內還沒有對土石混合體滲透性能進行研究的資料，現有研究成果局限於利用物理和數值模擬試驗對其變形和力學性質進行研究，而對滲透性還未涉及。因此，能夠求出土石混合體滲透系數的計算公式具有重要的理論意義和工程應用價值。

本文研究土石混合體中礫石含量、孔隙比（壓實度）和顆粒形狀三個因素在不同水平下對土石混合體的滲透系數的影響，找出三因素與土石混合體滲透系數之間的關系，並提出土石混合體滲透系數計算公式。

1 土石混合體滲透性能的正交試驗

1.1 正交試驗方案設計

在室內試驗中考慮礫石含量、孔隙比（壓實度）和顆粒形狀三個因素對土石混合體滲透系數的影響，就每種因素擬考慮3個水平。對於這種3因素3水平的試驗，如果考慮每一個因素的不同水平對基材的影響，則根據組合可得有3³組試驗，這對人力、物力與時間來說都是一種浪費，因此採用正交試驗設計來研究這一問題更為合理。本試驗所選取的正交表為L₉（3⁴），考慮試驗誤差的影響，但不考慮各因素間的交互作用（即假定他們之間相互沒有影響）。共需9組試驗，每組作平行試驗3次，共27次滲透試驗。本試驗中採用的因素與對應的水平數如表1所示，其中粗粒形狀分為球形體、六面體和三棱錐3個水平，分別由卵石、強風化石塊和新打碎的碎石來近似替代。

表1 正交試驗的因素水平

1.2 試樣的基本物理力學性質

試驗所取土樣為正在修建的上瑞高速公路貴州段晴隆隧道出口處典型性土石混合體，其天然狀態土的物理指標及顆粒級配曲線見表2和圖1。由圖1可知現場取回土樣的不均勻系數C_u為12.31，說明土樣中包含的粒徑級數較多，粗細粒徑之間差別較大，顆粒級配曲線的曲率系數C_c為1.59，級配優良。

表2 天然狀態土的基本物理指標

圖1 天然狀態土的顆粒級配曲線

1.3 大型滲透儀的研製

《土工試驗規程》（SL237—1999）規定粗粒土的室內滲透系數需由常水頭滲透儀測試，國內常用的常水頭滲透儀是70型滲透儀。70型滲透儀的筒身內徑為9.44cm，試驗材料的最大粒徑為2cm，規范^［5］要求筒身內徑應為最大粒徑的8～10倍，因此70型滲透儀的筒身內徑過小，有必要研製大尺寸的滲透儀。自製滲透儀的內徑和試樣高度至少應為最大顆粒粒徑的8倍，即至少應為16cm，另外，考慮到邊界效應，試樣的上下兩頭分別增加2cm，因此，自製滲透儀的內徑和試樣高分別取為16cm和20cm。考慮到土石混合體的滲透性較強，選取進排水管的口徑為2cm。自製的大型常水頭滲透儀的如圖2 和圖3所示。

圖2 常水頭滲透儀示意圖

數據單位為cm

圖3 自製滲透儀

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果

按正交試驗表L₉（3⁴）的安排，共需作9組試驗，每組試驗作平行試驗3次，取3次測量的平均值，並乘以溫度校正系數

，即可求出每組試驗20℃時的滲透系數，滲透系數的測量結果見表3。

表3 滲透試驗測定結果

續表

2.2 試驗分析

運用正交試驗的直觀分析法和方差分析法，分析各因素對土石混合體滲透系數影響的主次順序，繪出因素水平影響趨勢圖，求出各因素的顯著性水平。

2.2.1 直觀分析

對試驗所得的土石混合體的滲透系數進行正交試驗的極差分析，並畫出各因素的水平影響趨勢圖。正交試驗的極差分析表見表4，3個因素與滲透系數的關系見圖4。

表4 極差分析表

圖4 各因素與滲透系數的關系

A—礫石含量；B—孔隙比；C—粗粒形狀

由正交試驗的極差分析表可以看出，對土石混合體滲透系數影響的主次順序為A→B→C，即礫石含量→孔隙比→顆粒形狀。由各因素與滲透系數的關系圖可以看出礫石含量越多滲透系數越大，孔隙比越大滲透系數越大，顆粒磨圓度越大滲透系數越小。在路基工程及大壩工程中，可以通過調節粗顆粒的含量、壓實度及顆粒形狀以獲得工程所需的滲透系數。

2.2.2 方差分析

為了確定因素各水平對應的試驗結果的差異是由因素水平不同引起的，還是由試驗誤差引起的，並對影響土石混合體滲透系數的各因素的顯著性水平給予精確的數量評估，需採用正交試驗的方差分析法對試驗數據進行分析，分析結果如表5所示。

表5 方差分析結果

方差分析結果表明：

（1）因素各水平對應的試驗結果的差異是由因素水平不同引起的，而不是由試驗誤差引起的；

（2）礫石含量對土石混合體滲透系數的影響高度顯著，孔隙比對土石混合體滲透系數的影響顯著，顆粒形狀土石混合體滲透系數的影響不顯著。

3 土石混合體滲透系數

3.1 滲透系數與礫石含量之間的關系

眾所周知，土石混合體的滲透系數與顆粒的大小及級配有關，本文選擇等效粒徑d₂₀和曲率系數C_c來表示土的顆粒大小和顆粒級配，原因是文獻［3］認為等效粒徑d₂₀比其他粒徑特徵系數更能准確地表示顆粒的大小，而與顆粒級配有關的系數是不均勻系數C_u和曲率系數C_c，不均勻系數C_u只反映土粒組成的離散程度，曲率系數C_c能在一定程度上反映顆粒組成曲線的特性，因而曲率系數C_c更適合於評價土的顆粒級配。不同礫石含量的顆粒級配曲線如圖5所示。由圖5可以求出各曲線的粒徑特徵系數，見表6。

圖5 試樣的顆粒級配曲線

表6 不同粗粒含量時的粒徑特徵

由圖6可知，其他條件相同時，土石混合體的滲透系數k與函數f（d₂₀，C_c）呈線性關系，其中

。

圖6 k₂₀-f（d₂₀，C_c）關系曲線

3.2 滲透系數與密實度之間的關系

由正交試驗的方差分析可知，孔隙率e對滲透系數的影響雖不如粗粒含量大，但也是很顯著的。在其他條件相同時，k與

呈線性關系，如圖7所示。

土石混合體

3.3 滲透系數與顆粒形狀之間的關系

狄凱爾與海阿特（Tikell and Hiatt）於1938年探討了顆粒的「稜角性」與「圓度」對滲透系數的影響，並指出顆粒的稜角性越大，滲透系數越大^［6］。由正交試驗分析表可知C_s1∶C_s2∶C_s3＝0.9∶1∶1.2，並且將試驗數據進行回歸分析，當形狀系數C_s1＝0.18，C_s2＝0.2，C_s3＝0.24時與試驗結果最為接近，此結論與卡門（Carmen）的研究成果^［7］相近。

3.4 土石混合體的滲透系數

由以上分析可知土石混合體的滲透系數與顆粒大小、顆粒級配、顆粒形狀及孔隙比有關，同時滲透流體對滲透性也有一定的影響，主要是受液體的動力粘滯度η的影響，大量研究成果表明滲透系數k 與g/η 成正比^{［3，4，7］}。因此，土石混合體的滲透系數計算公式為

土石混合體

式中：k為土石混合體的滲透系數，cm/s；C_s為顆粒的形狀系數，m^-3；d₂₀為等效粒徑，小於該粒徑的土重占總土重的20%，m；C_c為顆粒級配曲率系數，

；e為孔隙比；g為重力加速度，9.8 N；η 為液體的動力粘滯度，kPa · s（10^-6），η₂₀＝1.01×10^-6kPa·s。

由公式（1）計算出20℃時土石混合體的滲透系數k₂₀列於表7。與其他物理力學參數相比，土石混合體的滲透性變化范圍要大得多。同時，受宏觀構造和微觀結構復雜性的影響，其滲透性具有高度的不均勻性^［8］。為進一步驗證公式（1）的正確性，將實測值與由公式（1）得出的計算值進行對比分析，見圖8。由圖8可知由公式（1）計算出的滲透系數值與實測值基本吻合，9組試樣的平均相對誤差為21%，這對於離散性很強的土石混合體的滲透系數來說已經具有足夠的精確性。

表7 計算值與實測值對應關系

圖8 計算值與實測值關系

4 結論

（1）通過正交試驗獲取了礫石含量、孔隙比和顆粒形狀對土石混合體滲透系數影響的主次順序，並得出各因素的顯著性水平，工程設計中可以通過合理調整土石混合體的礫石含量、孔隙比（壓實度）和顆粒形狀，以達到控制其滲透能力的目的。

（2）土石混合體的滲透系數與等效粒徑d₂₀和曲率系數C_c組成的函數

成正比，並與孔隙比函數

成正比。

（3）提出了土石混合體滲透系數的計算公式，並通過試驗結果驗證了計算公式的正確性，為土石混合體滲透系數的定量預測提供了一個簡明有用的計算工具。

參考文獻

［1］油新華.土石混合體隨機結構模型及其應用研究.北方交通大學博士論文，2001：1～18

［2］油新華，湯勁松.土石混合體野外水平推剪試驗研究.岩石力學與工程學報，2002，21（10）：1537～1540，60～129

［3］劉傑.土的滲透穩定與滲流控制.北京：水利電力出版社，1992：1～20

［4］薛定諤A E.多孔介質中的滲流物理.北京：石油工業出版社，1984：141～173

［5］中華人民共和國水利部.土工試驗規程（SL237—1999）.北京：中國水利水電出版社，1999：114～120

［6］ Tickell FG，Hiatt WN.Effect of angularity of grains on porosity and permeability of unconsolidated sands.AAPG Bulletin，1938，22（9）：1272～1274

［7］黃文熙.土的工程性質.北京：水利電力出版社，1984：60～129

［8］邱賢德，閻宗嶺，劉立等.堆石體粒徑特徵對其滲透性的影響.岩土力學，2004，25（6）：950～954

㈡ 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)。

㈢ 試驗方案

3.2.1.1 非飽和砂的土水特徵曲線試驗方案

圖3.9 土水特徵曲線壓力板儀

本實驗採用美國GCTS公司SWC-150Fredlund土水特徵曲線壓力儀（圖3.9），該儀器具有如下主要特點：

1）由非飽和土力學創始人Fredlund先生指導設計；

2）在試驗過程中，可以施加垂直壓力；

3）可以測量體積變化和含水量；

4）可以施加吸力到1500kPa，既可測試吸濕曲線，也可以測試脫濕曲線；

5）雙壓力儀表和調壓器，可以精確控制壓力；

6）使用軸平移技術，可以測量零位初始吸力（備選功能）；

7）沖刷功能，可以測量擴散氣泡；

8）不銹鋼結構，手動按鍵，可以快速安裝在載入錘上，提供壓力補償器；

9）微型加熱器，防止壓力室內的蒸汽冷凝。

美國GCTS公司Fredlund SWCC裝置是一套非飽和土測試裝置，具有很大的靈活性，可以在不同的應力路徑下，施加基質吸力。該設備可以得到土體完全的土水特徵曲線，吸力控制可以從近似零值到1500kPa，可以施加一維載入（即K0狀態），試樣直徑可以達到71mm，不銹鋼結構。可以對各種試樣在干或者濕狀態下進行試驗。通過雙壓力儀表和調節閥來控制試樣頂部的孔隙氣壓力_μa。不銹鋼結構的壓力室帶有簡便的按鍵和旋扭，可以快速的安裝試樣。設備包括一個壓力面板、雙壓力表和調節閥，可以在低壓范圍內調節精確的壓力；還包括必要的管路和閥門，用來定期沖刷和測量擴散氣泡。

幾種不同壓力的高進氣值陶土板可以輕易地更換，壓力范圍有100kPa、300kPa、500kPa和1500kPa，可以根據被測的土體類型來選擇不同壓力的陶土板。在試驗過程中，試樣可以受到一個象徵性的垂直荷載，或者是一個類似於現場的覆蓋層土壓力。現場覆蓋層土壓力的施加可以簡單地在載入板上增加固定荷載。

本次非飽和砂的土水特徵曲線試驗工況設計見表3.4。

表3.4 非飽和砂的土水特徵曲線試驗干密度

3.2.1.2 飽和砂的滲透試驗方案

試樣安裝在滲透室，同時有一個常水頭的水箱讓水流過土樣。在滲透室側壁上有3個測點與安裝在帶有米尺的控制板上的壓力計連接。通過土樣的水以一定量或一段時間被收集和測量。水頭的減少可以通過壓力計的水位改變而得到。液體壓力計和架子，包括帶孔的3個玻璃試管、刻度尺、連接壓力室出水的連接管，所有這些都安裝在一個控制板上，試驗裝置如圖3.10所示。

本試驗以水溫20℃為標准溫度，標准溫度下的滲透系數應按下式計算：

毛烏素沙漠風積砂岩土力學特性及工程應用研究

式中：K₂₀為標准溫度時試樣的滲透系數，cm/s；K_T為T℃時試樣的滲透系數，cm/s；_ηT為T℃時水的動力黏滯系數kPa·s；_η20為20℃時水的動力黏滯系數kPa·s；黏滯系數比_ηT/_η20可由表3.5查得。

飽和砂滲透系數試驗工況設計見表3.6，根據需要，改變試樣的孔隙比進行多次試驗，以獲得密度和滲透系數的關系。

圖3.10 試驗裝置

表3.5 標准溫度換算關系

表3.6 飽和砂的滲透系數試驗干密度工況設計

㈣ 什麼是滲透系數滲透系數的測定方法

滲透系數K是綜合反映土體滲透能力的一個指標，其數值的正確確定對滲透計算有著非常重要的意義。那麼你對滲透系數了解多少呢?以下是由我整理關於什麼是滲透系數的內容，希望大家喜歡!

滲透系數的介紹
滲透系數又稱水力傳導系數(hydraulic conctivity)。在各向同性介質中，它定義為單位水力梯度下的單位流量，表示流體通過孔隙骨架的難易程度，表達式為：κ=kρg/η，式中k為孔隙介質的滲透率，它只與固體骨架的性質有關，κ為滲透系數;η為動力粘滯性系數;ρ為流體密度;g為重力加速度。在各向異性介質中，滲透系數以張量形式表示。滲透系數愈大，岩石透水性愈強。強透水的粗砂礫石層滲透系數>10米/晝夜;弱透水的亞砂土滲透系數為1～0.01米/晝夜;不透水的粘土滲透系數<0.001米/晝夜。據此可見土壤滲透系數決定於土壤質地。
滲透系數的計算 方法
影響滲透系數大小的因素很多，主要取決於土體顆粒的形狀、大小、不均勻系數和水的粘滯性等，要建立計算滲透系數k的精確理論公式比較困難，通常可通過試驗方法，包括實驗室測定法和現場測定法或 經驗 估演算法來確定k值。
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。

試坑法

是在表層干土中挖一個一定深度(30-50厘米)的方形或圓形試坑，坑底要離 潛水 位3-5米，坑底鋪2一3厘米厚的反濾粗砂，向試坑內注水，必需使試坑中的水位始終高出坑底約10厘米。為了便於觀測坑內水位，在坑底要設置一個標尺。求出單位時間內從坑底滲入的水量Q，除以坑底面積F，即得出平均滲透速度v=Q/F。當坑內水柱高度不大(等於10厘米)時，可以認為水頭梯度近於1，因而K(滲透系數)=V。這個方法適用於測定毛細壓力影響不大的砂類土，如果用在粘性土中，所測定的滲透系數偏高。

單環法

是試坑底嵌入一個高20厘米，直徑35.75厘米的鐵環，該鐵環圈定的面積為1000平方厘米。鐵環壓入坑底部10厘米深，環壁與土層要緊密接觸，環內鋪2一3厘米的反濾粗砂。在試驗開始時，用馬利奧特瓶控制環內水柱，保持在10厘米高度上。試驗一直進行到滲入水量Q固定不變為止，就可以按下式計算滲透速度：v=Q/F，所得的滲透速度即為該鬆散層、岩層的滲透系數值。

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);

㈤ 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?