达西定律的实验测试装置

㈠ 特殊岩心分析实验是指什么

这类储层物性描述要靠一些特殊实验取得认识，通常包括：上覆岩石压力、润湿性、表面与界面张力、毛细管压力、相对渗透率。这些岩石物理数据直接影响着对烃类物质的数量和分布的计算，它是研究某一油藏流体的流动状态的重要参数。

（1）上覆岩石压力：埋藏在地下几千米的油藏承受着上覆巨厚地层的重量，即上覆压力，这个上覆压力是对储层施加的一种挤压力，通常岩石的孔隙压力接近于上覆压力。如果岩石的颗粒胶结得很好，典型的孔隙压力大约是每10米深度增大0.1兆帕，上覆压力与内部孔隙压力之间的压力差称为有效上覆压力。我们钻开油层采油，如果不补充能量，就像在一个大皮球上戳一个洞放气，在球内气体压力衰减过程中，大皮球就会扁下去，同样道理，在压力衰竭过程中，油层内部孔隙压力要降低，有效上覆压力会增大，这将使储层总体积减小，同时，孔隙间的颗粒膨胀。这两种变化都使孔隙空间减小，也就是减小了岩石孔隙度。通过特殊岩心分析实验我们就可以建立孔隙度或渗透率与有效上覆压力间存在的某种关系。

孔隙压力的变化会影响岩石孔隙体积的变化，也影响着孔隙内流体的饱和度变化，我们往往采用一个压缩系数的概念来表述这一特性，孔隙压缩系数（数学符号记为CP）也就是单位压力变化时的孔隙体积的相对变化值。

对大多数油藏，基岩和岩石体积压缩系数相对于孔隙压缩系数CP都很小，因此通常用地层压缩系数Cf来描述地层的总压缩系数，并让Cf=CP 。在油田开发中，油藏总压缩系数被广泛应用于瞬变的流动公式和物质平衡方程，它就像我们高中时学的物理学用容变模量的倒数来表征一个弹性体瞬变过程一个道理。油藏总压缩系数数学符号记为Ct，它包括了原油、束缚水、天然气和岩石的压缩系数，掌握了这个参数很有用，一个封闭性的油藏，如果我们已经计算出它的地质储量，想了解在弹性开采阶段能采多少油，我们只要将储量乘上总压缩系数（Ct）再乘上弹性期压力降数值就可以计算出它能采出多少油来，反过来，如果我们掌握了开采过程中油藏压力下降的情况和实际生产量，也可以反求出这个油藏应该有多少弹性储量。

（2）岩石润湿性：任何一种液体与另一种固体表面相接触，液体就会在固体表面产生扩散或附着的趋势。例如，将汞、石油、水滴在一块干净的玻璃板上，你可以看到水滴很容易散布在玻璃板上，石油大约呈半圆珠状，水银则保持圆珠状，这种特性就叫润湿性。这种扩散的趋势可以通过液固表面的接触角来表示，接触角度小，液体的润湿性就强，零度接触角表示完全不润湿，180°则表示完全润湿。

油、水相对渗透率曲线

㈡ 达西渗流定律的达西定律

达西在1856年通过了大量的实验研究，总结得出渗流能量损失与渗流速度之间的关系，即达西定律。
达西定律：
达西实验装置如图所示。圆筒横断面积为A，其中充填均匀的砂粒，砂层厚度为l，由金属网支托。水由稳压水箱经水管A流入圆筒中，再经砂层渗滤后由出水管B流出。其流量由量筒C量测，在砂层上下两端装测压管以量测渗流的水头损失。由于渗流流速极小，所以流速水头可以忽略不计，总水头可用测压管水头来表示，水力坡度可以用测压管坡度来表示：

达西分析了大量实验资料，得到圆筒内的渗流量Q与圆筒横断面积A和水力坡度J成正比，并和砂层的透水性能有关。达西建立的基本关系为：Q=kAJ,也可以写成V=Q/A=kJ，式中 k为渗流系数，反映了土壤的透水性能。
实验发现，随着雷诺数Re的增加，多孔介质（砂层）中的流动状态经历三个区域：①线性层流区：粘性力占优势，达西定律成立，上限约在Re=10左右；②非线性层流区(过渡区)：为主要被惯性力制约的层流，达西定律不成立，上限约在Re=100左右，在上限附近开始有层流到湍流的过渡；③湍流区：惯性力占优势，达西定律不成立。由此可见，从上限雷诺数方面偏离达西定律与层流到湍流的过渡不是完全等价的。
在渗流速度很低时，流体与介质间的表面分子力作用显得更为重要。部分液体的滞流现象使孔隙度发生变化，从而引起渗透率的相应变化。实验表明，这时孔隙度和渗透率均随渗流速度的增加而增加，速度到某一临界值后不再变化，因此不遵循达西定律。
在雷诺数大于上限Re数的情况下，应该用“渗流的二项式定律”代替达西定律，即
，
式中A、B为决定于流体和介质性质的常数。
在雷诺数小于下限Re数情况下，非线性渗流定律的一般形式可写为：
式中f(J)为小雷诺数情况下渗透率随水力坡度的变化函数关系，由实验确定。
以上主要是单相流体达西渗流定律；对于多相流体，达西定律对每一相仍然成立，只需将渗透率修正为该相的相渗透率即可。

㈢ 渗透系数的常用测定方法有哪些

渗透系数的测定方法主要分“实验室测定”和“野外现场测定“两大类。
1.实验室测定法
目前在实验室中测定渗透系数 k 的仪器种类和试验方法很多，但从试验原理上大体可分为”常水头法“和变水头法两种。
常水头试验法就是在整个试验过程中保持水头为一常数，从而水头差也为常数。 如图：
试验时，在透明塑料筒中装填截面为A，长度为L的饱和试样，打开水阀，使水自上而下流经试样，并自出水口处排出。待水头差△h和渗出流量Q稳定后，量测经过一定时间 t 内流经试样的水量V，则
V = Q*t = ν*A*t
根据达西定律，v = k*i，则
V = k*（△h/L）*A*t
从而得出
k = q*L / A*△h=Q*L /( A*△h)
常水头试验适用于测定透水性大的沙性土的渗透参数。粘性土由于渗透系数很小，渗透水量很少，用这种试验不易准确测定，须改用变水头试验。
变水头试验法就是试验过程中水头差一直随时间而变化，其装置如图：水从一根直立的带有刻度的玻璃管和U形管自下而上流经土样。试验时，将玻璃管充水至需要高度后，开动秒表，测记起始水头差△h1，经时间 t 后，再测记终了水头差△h2，通过建立瞬时达西定律，即可推出渗透系数 k 的表达式。
设试验过程中任意时刻 t 作用于两段的水头差为△h，经过时间dt后，管中水位下降dh，则dt时间内流入试样的水量为
dVe = －a dh
式中 a 为玻璃管断面积；右端的负号表示水量随△h的减少而增加。
根据达西定律，dt时间内流出试样的渗流量为：
dVo = k*i*A*dt = k*（△h/L）*A*dt
式中，A——试样断面积；L——试样长度。
根据水流连续原理， 应有dVe = dVo，即得到
k = （a*L/A*t）㏑（△h1/△h2）
或用常用对数表示，则上式可写为
k = 2.3*（a*L/A*t）lg（△h1/△h2）
2. 野外现场测定法
渗水试验(infiltration test)一般采用试坑渗水试验，是野外测定包气带松散层和岩层渗透系数的简易方法。试坑渗水试验常采用的是试坑法、单环法、和双环法。 是试坑底嵌入两个铁环，增加一个内环，形成同心环，外环直径可取0.5米, 内环直径可取0.25米。试验时往铁环内注水，用马利奥特瓶控制外环和内环的水柱都保持在同一高度上，（例如10厘米）。根据内环取的的资料按上述方法确定松散层、岩层的渗透系数值。由于内环中的水只产生垂直方向的渗入，排除了侧向渗流带的误差，因此，比试坑法和单环法精确度高。内外环之间渗入的水，主要是侧向散流及毛细管吸收，内环则是松散层和岩层在垂直方向的实际渗透。
当渗水试验进行到渗入水量趋于稳定时，可按下式精确计算渗透系数（考虑了毛细压力的附加影响）：K(渗透系数)= QL/ F(H+Z+L)。
式中：
Q-----稳定的渗入水量(立方厘米/分)；
F------试坑内环的渗水面积(平方厘米)；
Z-----试坑内环中的水厚度(厘米)；
H-----毛细管压力（一般等于岩土毛细上升高度的一半）(厘米)；
L-----试验结束时水的渗入深度（试验后开挖确定）(厘米)。

㈣ 达西定律

法国水力工程师亨利·达西（Henry Darcy）为了研究Dijon市的供水问题而进行大量的砂柱渗流实验，于1856年提出了线性渗流定律，即达西定律。达西所采用的实验装置如图2.3所示。在直立的等直径圆筒中装有均匀的砂，水由圆筒上端流入经砂柱后由下端流出。在圆筒上端使用溢水设备控制水位，使其水头保持不变，从而使通过砂柱的流量为恒定。在上、下端断面1和断面2 处各安装一根测压管分别测定两个过水断面处的水头，并在下端出口处测定流量。根据实验结果得到以下达西公式：

地下水科学概论（第二版·彩色版）

式中：Q为通过砂柱的流量（渗流量），m³/d；A为砂柱横截面（过水断面）面积，m²；h₁和h₂分别为上、下端过水断面处的水头，m；∆h=h₁-h₂为上、下端过水断面之间的水头差，m；L 为上、下端过水断面之间的距离，m；I=∆h/L 为水力梯度，无量纲；K为均质砂柱的渗透系数，m/d。

式（2.2）表明，通过砂柱的渗流量（Q）与砂柱的渗透系数（K）、横截面面积（A）及水头差（∆h）成正比，而与渗流长度（L）成反比，也可以说渗流量（Q）与渗透系数（K）、横截面面积（A）和水力梯度（I）成正比。而且，利用不同尺寸的实验装置进行达西实验，即适当改变砂柱的渗透系数（K）、横截面面积（A）及水头差（∆h）与长度（L），都会得到式（2.2）的关系。

图2.3 达西实验装置示意图（截面图）

另外，通过某一过水断面的渗流量可以表示为

Q=vA （2.3）

式中：v为渗流速度。由此可以得到达西定律的另一种表示形式：

v=KIA （2.4）

式（2.4）表明渗流速度等于渗透系数与水力梯度的乘积。对于同一均质砂柱来说，其渗透系数通常为一常数，因而渗流速度与水力梯度的一次方成正比，故达西定律又称为线性渗流定律。达西定律不仅对垂直向下通过均质砂柱的渗流是适用的，而且对于通过倾斜的、水平的及流向为自下而上的均质砂柱的渗流也是适用的，亦即和砂柱中的渗流方向与垂向方向的夹角大小无关。

式（2.4）中的渗流速度（v）实际上是一种平均流速，是水流通过包括空隙和固体骨架在内的过水断面面积（A）的流速。由于过水断面面积（A）中包括断面上砂粒所占据的面积和孔隙面积，而水流实际通过的面积只是孔隙实际过水面积A＇=n_eA，其中n_e为有效孔隙度。因此，水流通过实际过水断面面积（A＇）的渗透速度（u，也是一种平均流速）为

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由于n_e＜1，所以渗流速度（v）总是小于渗透速度（u）。

式（2.2）或式（2.4）中的水力梯度I=∆h/L，为沿渗流途径的水头差（水头损失）与相应渗流长度的比值。水头损失是由于水质点通过多孔介质细小弯曲通道流动时为克服摩擦阻力而消耗的机械能，水头差也称为驱动水头。因此，水力梯度也可以理解为水流通过单位长度渗流途径为了克服摩擦阻力所耗失的机械能，或者理解为使水流以一定速度流动的驱动力。

图2.4 均质潜水流动水力梯度示意图（剖面图）

在实际的地下水流动中，不同点的水力梯度可以不相同。例如在图2.4所示的均质潜水流动中，在任意距离x处对应的潜水面处的水力梯度为 ∆h/∆s≈∆h/∆x=dh/dx。其中，∆s为水位线的一段弧长，∆h为对应的水头差，∆x为∆s对应的水平距离。用微分形式dh/dx表示水力梯度，则意味着水力梯度沿水流方向是可以变化的。另外，实际过水断面是一个曲面，难以求得其面积。如果假设潜水含水层中的地下水流基本上是水平流动（这一假设称为裘布依假设）时，则x处的过水断面可以近似看成是一个垂直断面。这时以式（2.4）表示的达西定律可以写成以下更一般的一维形式：

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式（2.6）中等号右端的负号表示沿着地下水流动方向水头是降低的。

达西公式（2.2）中的渗透系数（K，也有人称之为水力传导系数），可以定义为水力梯度等于1时的渗流速度（因为在式（2.4）中，当I=1时，v=K）。由式（2.4）可知，当I为一定值时，K越大则v就越大；当v为一定值时，K越大则I就越小。说明K越大时，砂柱的透水性越好，使水流的水头损失越小。因此，渗透系数是表征多孔介质透水能力的参数。

渗透系数既与多孔介质的空隙性质有关，也与渗透液体的物理性质（特别是黏滞性）有关：

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式中：K为渗透系数；k为渗透率（透水率）；ρ为液体的密度；g为重力加速度常数；μ为液体的动力黏滞系数。如果有两种黏滞性不同的液体分别在同一介质中渗透，则动力黏滞系数大的液体渗流时介质的渗透系数会小于动力黏滞系数小的液体渗流时介质的渗透系数。在一般情况下，当地下水的物理性质变化不大时，可以忽略它们的影响，而把渗透系数单纯地看作表征介质透水性能的指标。在研究地下卤水或热水的运动时，由于它们的物理性质变化明显而不能忽略。渗透率（k，也有人称之为内在渗透率或固有渗透率）仅与介质本身的性质有关，取决于介质的空隙性，其中介质的空隙大小起着重要作用。已知介质的渗透率，可以利用式（2.7）计算介质的渗透系数。例如，已知k=2.3×10^-9cm²，并且ρ=1.0g/cm³，g=981cm/s₂，μ=0.01 g/（cm·s），则求得K=2.2563×10^-4cm/s（Hudak，2000）。

多孔介质的渗透系数或渗透率随空间位置和方向可以发生变化。如果介质的渗透系数随空间位置不发生变化，这种介质称为均质介质，而发生变化的介质称为非均质介质。如果介质中同一位置的渗透系数随方向不发生变化，这种介质称为各向同性介质，而发生变化的介质称为各向异性介质。在某些情况下，介质的渗透系数也可以随时间而发生变化。例如，由于外部荷载的增加导致介质的压密可以降低介质的渗透系数。盐岩晶间卤水由于矿化度的升高或降低导致石盐沉淀或溶解，可以使盐岩的渗透系数降低或增大。在某些条件下，由于存在于介质中的生物活动可以逐渐堵塞空隙通道，可以使介质渗透系数逐渐减小。

渗透系数具有与渗流速度相同的单位，常用单位为m/d或cm/s。渗透率的常用单位为达西或毫达西，1达西=9.8697×10^-9cm²（相对于20℃的水而言）。表2.1列出了部分多孔介质的渗透系数的参考数值。

表2.1 多孔介质渗透系数单位：m/d

（据王大纯等，1995；余钟波等，2008）

虽然渗透系数（K）可以说明岩层的透水能力，但不能单独说明含水层的出水能力。对于承压含水层，由于其厚度（M）是定值，则T=KM也是定值。T称为导水系数，它指的是在水力梯度等于1时流经整个含水层厚度上的单宽流量，常用单位是m²/d。导水系数是表征承压含水层导水能力的参数，只适用于二维流，对于三维流则没有意义（Bear，1979）。

㈤ 地下水运动有何规律达西定律的物理概念是什么何为土的渗透系数

达西定律（Darcy's law）描述饱和土中水的渗流速度与水力坡降之间的线性关系的规律，又称线性渗流定律。1856年由法国工程师H.P.G.达西通过实验总结得到。1852-1855年，达西进行了水通过饱和砂的实验研究，发现了渗流量Q与上下游水头差（h2- h1）和垂直于水流方向的截面积A成正比，而与渗流长度L成反比，即：Q=K*A*（h2-h1）/L。

确定渗透系数大小：取地区经验数据或者类似工程地质水文地质条件下的相邻工程渗透系数数据；）取样室内测试，测定渗透系数；3
）抽水、压水、注水试验或其他原委测试
试验测定渗透系数。

㈥ 地下水均衡要素的测定方法

地下水均衡研究的主要工作是测定各均衡要素，这里以潜水均衡要素的测定为例，说明测定地下水均衡要素的常用方法。

（一）潜水储存量变化量（μΔh）的测定方法

潜水储存量变化量（μΔh）是潜水位变化值Δh与水位变动带岩层的给水度（或饱和差）μ的乘积。潜水位变化值Δh一般由观测孔直接观测确定。因此，确定潜水储存量变化量的关键就是测定给水度（或饱和差）μ值。确定给水度μ的常用方法简述如下。

1.实验室测定

对于松散岩层，一般可取原状土样，在实验室用给水度仪测定给水度μ值，即先让试样筒饱水，而后再释水（退水），则试样的给水度μ=试样释水体积（V_水）/试样体积（V土）。本方法的优点是成本低，测试简便，缺点是试样体积小，代表性差。

2.根据抽水前后包气带土层天然湿度的变化确定给水度μ值

对包气带分段（段长为ΔZ_i），分段测定其天然湿度，据包气带中非饱和水流的运移和分布规律可知，抽水前包气带内土层的天然湿度分布应如图6-2中的oacd线所示，然后抽水，使潜水面下降（下降值为Δh），再次测定整个深度内土层的天然湿度值。由图6-2可知，抽水后，潜水面由A下降到B（下降值为Δh），故毛细水带将下移，由aa′段下移至bb′段，此时的土层天然湿度分布线则变为图6-2中的oabd。对比抽水前后的两条湿度分布线可知，由于抽水水位下降，水位变动带将会给出一定量的水，按水均衡原理，抽水前后所测包气带内湿度之差，应等于潜水位下降Δh 时包气带（主要是毛细水带）所给出之水量，此值即μΔh，除以Δh即为给水度μ，即按下式计算给水度μ：

为越流系数（1/d）；Δt为计算时段（d）。

（六）潜水溢出或泄流量（W_S）的测定

潜水溢出或泄流量是均衡地段内流出地表的潜水量。流出形式一般为泉、泉群、地下河等。一般用堰测法直接测定，并求出均衡期内的平均流量，最后换算成水层厚度（mm）。

㈦ 渗透系数的测定方法

渗透系数的测定方法主要分“实验室测定”和“野外现场测定“两大类。
1.实验室测定法
目前在实验室中测定渗透系数 k 的仪器种类和试验方法很多，但从试验原理上大体可分为”常水头法“和变水头法两种。
常水头试验法就是在整个试验过程中保持水头为一常数，从而水头差也为常数。 如图：
试验时，在透明塑料筒中装填截面为A，长度为L的饱和试样，打开水阀，使水自上而下流经试样，并自出水口处排出。待水头差△h和渗出流量Q稳定后，量测经过一定时间 t 内流经试样的水量V，则
V = Q*t = ν*A*t
根据达西定律，v = k*i，则
V = k*（△h/L）*A*t
从而得出
k = q*L / A*△h=Q*L /( A*△h)
常水头试验适用于测定透水性大的沙性土的渗透参数。粘性土由于渗透系数很小，渗透水量很少，用这种试验不易准确测定，须改用变水头试验。
变水头试验法就是试验过程中水头差一直随时间而变化，其装置如图：水从一根直立的带有刻度的玻璃管和U形管自下而上流经土样。试验时，将玻璃管充水至需要高度后，开动秒表，测记起始水头差△h1，经时间 t 后，再测记终了水头差△h2，通过建立瞬时达西定律，即可推出渗透系数 k 的表达式。
设试验过程中任意时刻 t 作用于两段的水头差为△h，经过时间dt后，管中水位下降dh，则dt时间内流入试样的水量为
dVe = －a dh
式中 a 为玻璃管断面积；右端的负号表示水量随△h的减少而增加。
根据达西定律，dt时间内流出试样的渗流量为：
dVo = k*i*A*dt = k*（△h/L）*A*dt
式中，A——试样断面积；L——试样长度。
根据水流连续原理， 应有dVe = dVo，即得到
k = （a*L/A*t）㏑（△h1/△h2）
或用常用对数表示，则上式可写为
k = 2.3*（a*L/A*t）lg（△h1/△h2）
2. 野外现场测定法
渗水试验(infiltration test)一般采用试坑渗水试验，是野外测定包气带松散层和岩层渗透系数的简易方法。试坑渗水试验常采用的是试坑法、单环法、和双环法。 是试坑底嵌入两个铁环，增加一个内环，形成同心环，外环直径可取0.5米, 内环直径可取0.25米。试验时往铁环内注水，用马利奥特瓶控制外环和内环的水柱都保持在同一高度上，（例如10厘米）。根据内环取的的资料按上述方法确定松散层、岩层的渗透系数值。由于内环中的水只产生垂直方向的渗入，排除了侧向渗流带的误差，因此，比试坑法和单环法精确度高。内外环之间渗入的水，主要是侧向散流及毛细管吸收，内环则是松散层和岩层在垂直方向的实际渗透。
当渗水试验进行到渗入水量趋于稳定时，可按下式精确计算渗透系数（考虑了毛细压力的附加影响）：K(渗透系数)= QL/ F(H+Z+L)。
式中：
Q-----稳定的渗入水量(立方厘米/分)；
F------试坑内环的渗水面积(平方厘米)；
Z-----试坑内环中的水厚度(厘米)；
H-----毛细管压力（一般等于岩土毛细上升高度的一半）(厘米)；
L-----试验结束时水的渗入深度（试验后开挖确定）(厘米)。

㈧ 覆盖层阻燃原理分析

通过上述分析，尽管煤矸石山自燃是一种比较特殊的燃烧系统，影响其自燃的因素比较多，但是，针对煤矸石山自燃的特点和历程，只要阻断煤矸石山维持自燃过程的任意一条链条，都可以达到预防和灭火的目的。对于已经堆存至一定规模、近期煤矸石难以有效利用直至彻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对煤矸石山全面覆盖封闭、阻隔空气进入煤矸石山内部。为此，在煤矸石山表面构建覆盖层、实施全面封闭的做法，可有效防止自燃的发生。

一、覆盖层的阻燃性

为了防止煤矸石山自燃，要求其覆盖层具备一定的空气阻隔作用，以阻断煤矸石山内部供氧途径。研究表明，阳泉煤矸石山自燃风速的临界值为4.4×10^-5m/s，即有效覆盖层中的空气渗流速度小于4.4×10^-5m/s时，可满足自燃煤矸石山治理的基本目标。

空气渗透量与渗透速率的关系如下：

自燃煤矸石山治理与生态重建技术

式中：Q——空气渗透量，m³/s；

A——空气渗透的截面面积，m²；

v——空气渗流速度，m/s。

二、影响覆盖层阻燃效果的因素

基于煤矸石山治理防自燃的目标，用空气渗流速度评价覆盖层的阻燃效果。其阻燃效果主要受以下四方面因素的影响。

（1）覆盖材料渗透率的影响。覆盖材料宜选择低渗透率的材料，以保障覆盖层的隔离效果。渗透率的大小与覆盖材料的粒径分布、粒度及其形状有关。粒度组成在一定程度上决定了孔隙率的大小，是主要因素，而颗粒的大小、形状则决定了空气流通孔道的大小和粗糙度。

（2）覆盖层厚度的影响。一定条件下，覆盖层厚度影响空气渗透速度的大小，对于透气性好的覆盖材料，宜增加覆盖层厚度，以确保覆盖层中的空气渗流速度低于临界流速；对于透气性弱即阻隔性好的覆盖材料，可相对减小覆盖厚度，降低治理成本。

（3）煤矸石山内外压差的影响。覆盖层的空气渗透速度受煤矸石山内外压差的影响，如前所述，煤矸石山内外压差并不是一个稳定值，在煤矸石山尚未自燃时，空气在煤矸石山中的流动主要取决于自然风压。

（4）覆盖层碾压效果的影响。在煤矸石山治理中，常使用的覆盖材料是以黄土为主的土质材料。工程中，常通过碾压操作改变土质材料的工程特性，如增加土质材料的密实度。黄土碾压后的渗透率远远小于煤矸石的渗透率，因此在煤矸石山表层覆盖黄土并碾压，可减小煤矸石堆体的空隙率与渗透率，使空气不易进入煤矸石山内部，从而有效防止煤矸石自燃。

反映碾压效果的指标最常用的是干密度，干密度越大，孔隙越小，土质材料也就越密实，说明碾压效果越好。反之，碾压效果就差一些。在工程中，土的碾压效果用压实度来表示，其定义为：

自燃煤矸石山治理与生态重建技术

研究表明，土质材料压实程度越高，土质材料的容重越大孔隙度越小，导致阻隔性提高。这是因为，压实将导致土质材料的密度增大，孔隙率减小，则流体通过土质材料的平均孔隙尺寸就越小，从而导致其渗透系数减小。相应地，土质材料的阻隔性增强。研究表明，在土质材料被严重压实时，其通气大孔隙甚至降为3%以下。

对于煤矸石，通过碾压也可降低其渗透率。有实验证明，煤矸石经压路机的反复碾压，密实度会逐渐增加，渗透率逐渐减小，当碾压遍数到一定值后，即使再反复碾压也不会明显提高煤矸石的密实度，而煤矸石的渗透率减小缓慢。

有研究曾在阳泉二矿煤矸石山现场测定了煤矸石在压实过程中渗透率的变化情况，试验装置如图5-5所示。试验步骤如下：

图5-5 煤矸石山现场测试渗透率

1）在二矿煤矸石山顶部平面初步整实一块10m×10m的场地，上面堆积l.5m厚的新矸石；

2）在试验煤矸石堆中插入三根抽气管，连接好试验装置及连接管路；

3）开动真空泵，待读数稳定后，分别读取流量与压差；

4）将所堆煤矸石用压路机（自重12t，振动力20t）分别碾压l遍、3遍、7遍，覆盖黄土后再碾压2遍。每次压毕后用同样的方法测其流量与压差；

5）根据测试结果，可求得3个点的平均渗透率。

在试验条件下，一定时间后抽气管周围的流场近似可看作圆锥形流场，根据达西定律，可导出下式：

自燃煤矸石山治理与生态重建技术

式中：K——渗透率，m²或Darcy；

μ——空气动力粘度，Pa·s；

R——抽放半径，m；

h——抽气口距表面深度，m；

Q——抽气流量，m³/s；

P——压差，Pa。

测试结果如表5-1所示。

表5-1 煤矸石压实条件与渗透率的关系

从表5-1可以看出，在反复碾压作用下，煤矸石堆逐渐变得越来越紧密，渗透率不断变小。黄土的密封的效果尤为明显，仅覆盖20cm左右厚的黄土就可使已压实的煤矸石渗透率减小2/3。根据前面所述，当煤矸石堆中气流速度小于4.4×10^-5m/s后，一般的煤矸石不会发生自燃，此时对应的煤矸石堆的渗透率为2.0×10^-10m²（即为2.0×10^-1Darcy）。表中显示，煤矸石经振动碾压7遍后，矸石堆渗透率已能达到此要求。

对于自燃煤矸石山，覆土碾压构建覆盖层的目的，就是要得到一道可有效隔氧防渗的屏障，需要最大限度地增加压实度。因此，碾压作业在自燃煤矸石山治理中，是一项有效的工程措施。

三、影响覆盖层碾压效果的因素

1.含水率的影响

在土质一定条件下，含水量对表征碾压程度的指标——密实度有很大的影响。

黄土颗粒细，比表面积大，需要较多的水分包裹土粒以形成水膜。另外，黄土粘粒中含有亲水性较高的胶体物质，因此，水分对黄土的密实度影响较大。土中水分过少，土粒间的润滑作用差，压实不足以克服土粒间的摩擦力，土粒之间不能靠拢得更紧，因而难以达到最大密实度。土中的水分过多，土粒被水膜包围而拉开距离，含水量越大，水膜越厚，密实度也越小，并且水分蒸发后容易形成裂纹。当黄土在最佳含水量时进行压实，土体中的水分既提高了土粒间的润滑力，又不把土粒隔开，在同样压实功的作用下，容易达到最大密实度。在达到最大密实度时，土体中的孔隙率最小，渗透率也达到最小，有最好的封闭效果。

黄土属粘土，最佳含水率为12%～15%。作为一种简单判断方法，可用“手捏成团，轻敲即散”来判别黄土的含水率是否适当，以保证封闭效果。

2.碾压工具的影响

土质材料的碾压效果不仅与土料本身性质有关，也与碾压方法有关。而碾压方法按其作用原理，可归纳为三类：静压、冲击、振冲。碾压方法不同，作用于土体的荷载大小及作用原理不同，碾压效果也就不同。根据不同碾压原理设计的碾压工具，压力传布的有效深度有所不同。夯击式机具的压力传布最深，振动式机具次之，碾压式机具作用深度最浅。

车辆载荷的作用力深度可用下式计算：

自燃煤矸石山治理与生态重建技术

式中：K——应力系数，近似取K=0.5；

n——系数，5～10；

P——车辆载荷，kN；

Z——载荷下的垂直深度，m；

r——煤矸石容重，kN/m³。

振动压路机自重为12t（118kN），设前轮集中了80%的载荷，并取n=5，r=20kN/m³，根据式（2-1），在黄土表面碾压时，载荷影响深度：

自燃煤矸石山治理与生态重建技术

事实上，当载荷传入煤矸石堆后，因矸石堆的刚度使应力扩散，载荷下实际应力减小，所以载荷影响深度并不能达到理论值。根据煤石山实测，阳泉二矿的煤矸石山即使经振动压路机振动碾压后，其影响深度也只有1.5m左右。

3.压实功能的影响

进行土质材料碾压时，作用于土体的压实功能的大小影响土的干密度。试验表明，当压实功能较小时，土的干密度随压实功能增大而增大，但当压实功能增加至某一个值以后，干密度的增长率会减小，压实效果降低。原因是，土体颗粒受外力作用之后，内部应力会发生变化，从而失去原来的平衡状态，颗粒之间克服摩阻力，因而彼此移动、互相填充出现了新的排列，因此空隙减小，密度增大；施加的外力越大，促使颗粒移动充填的能量也就越大，土体越来越密实；当土体密实度达到一定程度之后，颗粒间空隙很小，即使增加压实功能，颗粒间再移动充填是相当不容易的，因此干密度增长率降低，这时候再增加压实功能，必然极不经济。

因此，需要选择最优压实功能及合适的碾压机具及碾压方法。

㈨ 实验二 达西渗透实验

1.实验目的

1)通过稳定流条件下的渗透实验，进一步加深理解线性渗透定律———达西定律。

2)加深理解渗透流速(v)、水力坡度(I)、渗透系数(K)之间的关系，并熟悉实验室测定渗透系数(K)的方法。

2.实验内容

1)了解达西渗透实验装置(图B-2、图B-3)。

2)验证达西渗透定律。

3)测定不同试样的渗透系数。

3.实验原理

在岩石空隙中，由于水头差的作用，水将沿着岩石的空隙运动。由于空隙的大小不同，水在其中运动的规律也不相同。实践证明，在自然界绝大多数情况下，地下水在岩石空隙中的运动服从线性渗透定律:

图B-2 达西仪装置图(底部进水)

水文地质学概论

式中:Q为渗透流量，m³/d或cm³/s;K为渗透系数，m/d或cm/s;ω为过水断面面积，m²或cm²;Δh为上、下游过水断面的水头差，m或cm;L为渗透途径的长度，m或cm;I为水力坡度(或称水力梯度)， ;v为渗透流速，m/d或cm/s。

利用该实验可验证达西线性渗透定律:Q=KωI或v=KI。其主要内容为:流量(Q)(或v)与水力坡度(I)的一次方成正比。在实验时多次调整水力坡度(改变水头)，看其流量(Q)(或v)的变化是否与水力坡度一次方成正比关系。

实验时，可直接测定流量(Q)、过水断面面积(ω)和水力坡度(I)，从而可求出渗透系数(K)值

室内测定渗透系数，主要采用达西仪。其实验方法有两种:①达西仪由底部供水，出水口在上部(图B-2)。实验过程中，低水头固定，调节高水头;②达西仪是由顶部供水，水流经砂柱，由下端流出(图B-3)。实验过程中，高水头固定，调节低水头，即调节排水口的高低位置。由底部供水的优点是容易排出试样中的气泡，缺点是试样易被冲动。由顶部供水的优缺点与前一种正好相反。本实训以顶部供水的达西仪为例进行介绍。

4.实验仪器及用品

1)达西仪(图B-3)。

2)量筒(500mL)1个。

3)秒表。

图B-3 达西仪装置图(顶部进水)(编号说明见图B-2)

4)捣棒。

5)试样:①砾石(粒径5～10mm);②砂(粒径0.6～0.9mm);③砂砾混合(①与②混合)样。

5.实验步骤

(1)实验前的准备工作

1)测量:分别测量金属圆筒的内径(d)，根据 计算出过水断面面积(ω)和各测压管的间距或渗透途径(L)，将所得ω、L数据填入表B-2中。

2)装样:先在金属圆筒底部金属网上装2～3cm厚的小砂石(防止细粒试样被水冲走)，再将欲实验的试样分层装入金属圆筒中，每层3～6cm厚，捣实，使其尽量接近天然状态的结构，然后自上而下进行注水(排水管2和水源5连接)，使砂逐渐饱和，但水不能超出试样层面，待饱和后，停止注水。如此继续分层装入试样并饱和，直至试样高出上测压管孔3～4cm为止，在试样上再装厚3～4cm小砾石作缓冲层，防止冲动试样。

3)调试仪器:在每次试验前，先给试样注水，使试样全部饱水(此时溢水管7有水流出)待渗流稳定后，停止注水。然后检查3个测压管中水面与金属圆筒溢水面是否保持水平，如水平，说明管内无气泡，可做实验。如不水平，说明管内有气泡，需排出。排气泡的方法是用吸耳球对准水头偏高的测压管缓慢吸水，使管内气泡和水流一起排出。用该方法使3个测压管中水面水平，此时仪器方可进行实验。

以上工作也可由实验室教师在实验课前完成。

(2)正式进行实验

1)测定水头:把水源5与排水管2分开，将排水管2放在一定高度上，打开水源5使金属圆管内产生水头差，水在试验中从上往下渗透，并经排水口流出，此时溢水管7要有水溢出(保持常水头)。当3个测压管水头稳定后，测得各测压管的水头，并计算出相邻两测压管水头差，填入表B-2中。

2)测定流量:在进行上述步骤的同时，利用秒表和量筒测量时间(t)内排水管流出的水体积，及时计算流量(Q)。连续两次，使流量的相对误差小于5%(相对误差(δ)= ，Q₁、Q₂分别为两次实验流量值，取平均值填入表B-2中。

表B-2 达西渗流实验报告表

3)按由高到低或由低到高的顺序，依次调节排水管口的高度位置，改变Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个测压管的水头管读数。重复步骤1和2，做2～4次，即完成3～5次实验，取得3～5组实验数据。

实验过程中注意:①实验过程中要及时排除气泡，并保持常水头;②为准确绘制v-I曲线，要求测点分布均匀，即流量(水头差)的变化要控制适度。

(3)资料整理

依据以上实验数据，按达西公式计算出渗透系数值，并求出其平均值，填入表B-2中。

6.实验成果

1)提交实验报告(表B-2)。

2)抄录其他小组另外两种不同试样的实验数据(有时间时，可自己动手做)。在同一坐标系内，以v(渗透流速)为纵坐标，I(水力坡度)为横坐标，绘出3种试样的v-I曲线，验证达西定律。

复习思考题

1.当试样中水未流动时，3个测压管的水头与溢水口水面保持在同一高度，为什么?

2.为什么要在测压管水头稳定后再测定流量?

3.三种试样的v-I曲线是否符合达西定律?试分析其原因。

4.比较不同试样的渗透系数(K)值，分析影响K值的因素?

5.在实验过程中为什么要保持常水头?

6.将达西仪平放或斜放进行实验时，其实验结果是否相同?为什么?

㈩ 达西定律的相关信息

地下水在土体孔隙中渗透时，由于渗透阻力的作用，沿程必然伴随着能量的损失版。为了揭示水在土权体中的渗透规律，法国工程师达西(H.darcy)经过大量的试验研究，1856年总结得出渗透能量损失与渗流速度之间的相互关系即为达西定律。
达西实验的装置如图1所示。装置中的①是横截面积为A的直立圆筒，其上端开口，在圆筒侧壁装有两支相距为l 的侧压管。筒底以上一定距离处装一滤板②，滤板上填放颗粒均匀的砂土。水由上端注入圆筒，多余的水从溢水管③溢出，使筒内的水位维持一个恒定值。渗透过砂层的水从短水管④流入量杯⑤中，并以此来计算渗流量q。设△t时间内流入量杯的水体体积为△V, 则渗流量为q=△V /△t 。同时读取断面1-1和段面2-2处的侧压管水头值h1，h2，Δh为两断面之间的水头损失。
达西分析了大量实验资料，发现土中渗透的渗流量q与圆筒断面积A及水头损失△h 成正比，与断面间距l 成反比，即
式中i=△h/l，称为水力梯度，也称水力坡降；k为渗透系数，其值等于水力梯度为1时水的渗透速度，cm/s 。
式（1-1）和（1-2）所表示的关系称为达西定律，它是渗透的基本定律。