1、資環(huán)學(xué)院水文地質(zhì)學(xué)實驗講義適用專業(yè)：地質(zhì) 工程河南理工大學(xué)二一一年三月實驗一 達西滲流實驗實驗類型：綜合 實驗學(xué)時：2 實驗要求：必修一、實驗?zāi)康?、 測量樣砂的滲透系數(shù)k值，掌握特定介質(zhì)滲透系數(shù)的測量技術(shù)。2、通過測量透過砂土的滲流流量和水頭損失的關(guān)系，來驗證達西定律。二、實驗內(nèi)容通過測滲流筒兩測點間的壓差，求出流量、流速和滲透系數(shù)。三、儀器設(shè)備本實驗裝置圖如圖所示。達西滲流定律實驗儀裝置示意圖1、恒壓水箱 2、進水閥 3、輸水管 4、進水管 5、試驗筒 6、試驗砂 7、下過濾網(wǎng) 8、下穩(wěn)水室 9、放空閥 10、水質(zhì)過濾器 11、蓄水箱 12、水泵 13、排氣嘴14、上穩(wěn)水室 15、上過濾網(wǎng)

2、 16、溢流管 17、出水閥 18、排氣嘴 19、U型差壓計四、所需耗材樣砂、自來水 五、實驗原理、方法和手段液體在孔隙介質(zhì)中流動時，由于粘滯性作用將產(chǎn)生能量損失。達西（Henri Darcy）在18521855年間通過實驗，總結(jié)出滲流能量損失與滲流速度成一次方的線性規(guī)律，后人稱為達西定律。由于滲流流速很小，故流速水頭可以忽略不計。因此總水頭H可用測管水頭h來表示，水頭損失hw可用測管水頭差來表示，則水力坡度J可用測管水頭坡度來表示： 式中：l為兩個測量管孔之間距離；h1與h2為兩個側(cè)壓孔的測管水頭。達西通過大量實驗，得到圓筒斷面積A和水力坡度J成正比，并和土壤的透水性能有關(guān)，所建立基本關(guān)系式

3、如下： 式中 v 滲流斷面平均流速； k 土質(zhì)透水性能的綜合系數(shù)，稱為滲透系數(shù)； 滲流量；A 圓桶斷面面積；hw 水頭損失；l 測孔間距。當實驗中的滲流區(qū)為一圓柱形的均質(zhì)砂體時，屬于均勻滲流，可以認為各點的流動狀態(tài)是相同的，任一點的滲流流速u等于斷面平均滲流流速，因此達西定律也可以表示為： 上式表明，滲流的水力坡度，即單位距離上的水頭損失與滲流流速的一次方成正比，因此稱為滲流線性定律。六、實驗步驟1、準備 熟悉實驗裝置各部分結(jié)構(gòu)特征、作用性能，認識裝砂圓筒內(nèi)砂的種類，記錄圓桶直徑D、測壓孔間距l(xiāng)等常數(shù)。下一步，若實驗從新裝干砂開始則轉(zhuǎn)入步驟2，若儀器已裝砂充水則轉(zhuǎn)入步驟4。2、安裝試驗砂 將干

4、燥的試驗砂分層裝入筒內(nèi)，每層2 3 cm，每加一層，用壓砂桿適當壓實，裝砂量以高出上測壓點6 7 cm為宜。裝砂完畢，在實驗砂上部加裝過濾網(wǎng)15及玻璃球。最后在試驗筒上部裝接恒壓水箱1，并在兩法蘭盤之間襯墊兩面涂抹凡士林的橡皮墊，注意擰緊螺絲以防漏氣漏水。3、 新裝干砂加水 旋開試驗桶頂部排氣嘴13及進水閥2，關(guān)閉出水閥17、放空閥9，開啟水泵對恒壓水箱1供水，恒壓水箱1中的水通過進水管4進入下穩(wěn)水室8，如若進水管4中存在氣柱，可擠壓其軟管予以排除。繼續(xù)進水，待水慢慢浸透裝砂圓筒內(nèi)全部砂體，并且使上穩(wěn)水室完全充水之后，旋緊排氣嘴13及進水閥2，待接上測壓計，并排氣后即可試驗。4、測壓架排氣 待

5、試驗筒內(nèi)加水完成之后，把測壓架頂部排氣嘴旋開，用吸氣球放在排氣嘴抽吸氣體排除連通管與測壓管內(nèi)氣體，使測壓管保持一半空氣段，并及時旋緊氣嘴。關(guān)閉出水閥17，靜置數(shù)分鐘，檢查兩測壓管水位是否與裝砂圓筒內(nèi)的水面齊平，如不齊平，說明儀器有集氣或漏氣。需檢查原因或重新排氣。5、開啟進水閥2、出水閥17，待出水流量恒定后，用重量法或體積法測量流量；測讀U型差壓計水位差。 6、調(diào)節(jié)出水閥17，改變流量，重復(fù)實驗過程5，再次測量。 7、試驗結(jié)束，關(guān)閉進水閥門2、出水閥17，如果短期內(nèi)做該實驗，為便于下次試驗開啟，關(guān)閉進水閥2、出水閥17、排氣嘴13、放空閥9，（防止試驗筒內(nèi)進氣）再關(guān)閉水泵。如果長期不做該實驗

6、，可將出水閥17、放空閥9（在水箱內(nèi)）開啟，關(guān)閉水泵，水體由放空閥9流回蓄水箱。七、實驗結(jié)果處理1 記錄有關(guān)常數(shù)。實驗臺號：砂土名稱： 測點間距l(xiāng) = cm 砂筒直徑 d = cm2 記錄及計算（見表2-1）表2-1 滲流實驗測記表序次1234測點間距(cm)測點壓差(cm)h1h2Dh水力坡度J流量qV體積(cm3)時間(s)流量(cm3/s)砂筒直徑d(cm)面積Acm2流速v(cm /s)滲透系數(shù)k(cm/s)備注八、實驗注意事項1、 實驗中不允許氣體滲入砂土中。若在實驗中，下穩(wěn)水室8中有氣體滯留，應(yīng)關(guān)閉出水閥17，打開排氣嘴18，排除氣體。2、 實驗停泵后，再次啟動時，應(yīng)使上水箱水位淹

7、沒進水口后，方可打開進水閥2。否則，氣體將進入進水管。若進水管4進氣，應(yīng)予排除，方法是：在上水箱正常溢流情況下，關(guān)閥9、17，開啟閥13、2，將洗耳球充滿水后，通過閥13口向上壓力水箱加壓注水，則可使進水管倒流排氣。九、預(yù)習與思考題1 裝砂圓筒垂直放置、傾斜放置時，對實驗測得的、v、J與滲透系數(shù)k值有何影響？2 砂桶的試驗段滯留大量氣泡后，對實驗結(jié)果的滲流系數(shù)k有何影響？3 若要確定達西定律的適用范圍，如何驗證本實驗裝置的最大流量下是否在適用范圍？繪制V-J曲線圖，并對本系統(tǒng)進行評定! 實驗二 巖石滲透系數(shù)的測定實驗類型：驗證 實驗學(xué)時：2 實驗要求：選修一、實驗?zāi)康?、進一步驗證達西定律，加

8、深理解關(guān)于滲流的基本定律。2、熟悉儀器（戚姆儀）原理，掌握測定方法。二、實驗內(nèi)容三、儀器設(shè)備本實驗裝置圖如圖所示。圖4-1戚姆儀裝置示意圖1、支架 2、泄水管 3、量筒 4、溢水管 5、試樣 6、測壓孔 7、金屬網(wǎng) 8、測壓管 9、測壓板 10、自來水管四、所需耗材樣砂、自來水 五、實驗原理、方法和手段地下水在孔隙含水層中運動時，單位時間內(nèi)通過某過水斷面面積（A）的流量（Q），不僅與水力坡度（J）、過水斷面面積（A）有關(guān)，還與巖石滲透性能有關(guān)，應(yīng)滿足下面的等式。 Q=KIF式中K為滲透系數(shù)。在定水頭實驗過程中，可測量和求得Q、J、A值，從而可以求得K=Q/JA，量綱為LT-1。單位時間內(nèi)滲流時

9、Q=W/t滲流速度V=Q/A水力坡度J=(h1-h2)+ (h2-h3)/2L(平均值)滲透系數(shù)K=Q/JA以上各式中：h-測壓管水位（厘米）W-時間t秒內(nèi)的滲透量（厘米3）Q-單位時間內(nèi)的滲流量（厘米3/秒）L-兩測壓孔間試樣長度（厘米）J-水力坡度t-時間(秒)K-巖石的滲透系數(shù)（厘米/秒）六、實驗步驟1、檢查儀器設(shè)備是否完好，齊全。膠皮管與儀器、測壓管連接處是否漏氣等。2、測量金屬圓筒的內(nèi)徑（d）、各測壓管之間的間距（L）計算出金屬圓筒的斷面積（A），（亦即砂樣的橫斷面積）（若儀器箱中已標明這些常數(shù)，不必再測，記下即可。）3、裝填土樣（1）用膠皮管將泄水孔與自來水管接通，使水流入金屬圓筒

10、底部，直至與金屬網(wǎng)頂面平齊。（2）將試樣裝入金屬圓筒內(nèi)，每裝23厘米厚時，均用搗棒輕輕搗實，使其盡量接近天然狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)。如果試樣較細，則應(yīng)在金屬網(wǎng)上鋪上一層粗砂（厚約3厘米）作為緩沖層，以防試樣松動及防止細顆粒被水帶走。（3）每層試樣裝好搗實以后，都要緩慢地打開管夾，使水緩緩由泄水管向上滲入，試樣逐漸飽和。注意水面不要高出試樣頂面。待試樣飽和關(guān)閉管夾再裝上層。（4）重復(fù)上述步驟，直至試樣超過上部測壓孔3厘米為止。在試樣的最頂部再放一層厚約2厘米的礫石層，作為緩沖層，以防供水時沖刷土樣。關(guān)水閥，用管夾夾緊泄水管，并將泄水管從自來水管上拔掉。4、飽和土樣 把膠皮管接在自來水管上，從金屬圓筒頂部給

11、試樣供水。當水面與溢水孔平齊時，關(guān)水閥，用管夾夾緊泄水管，檢查三個測壓管水位是否平齊，如平齊，說明試樣及測壓管內(nèi)無氣體影響，可以測試。如不平齊，說明有氣泡存在，需排出。排氣的方法是將測壓板傾斜，使管內(nèi)水位低于金屬筒上端水位，以重力水將氣泡排出。當氣泡停在管的彎曲部位時，將測壓管上部抬起，用水對氣的自然浮力將氣泡排出，以各測壓管內(nèi)水位差小于0.5毫米為準。5、水流滲透把泄水管口固定在低于溢水孔的某一高度上，在水從試樣頂部供水、滲透試樣、從泄水管口流出的情況下，三個測壓管中出現(xiàn)了水頭差。此時應(yīng)注意控制供水量，以保持金屬圓筒內(nèi)水位不變。如果供水量過大，溢水管不能滿足需要，則會出現(xiàn)上溢現(xiàn)象，給測量帶來

12、麻煩。6、觀測 當測壓管水位穩(wěn)定后（在5秒鐘內(nèi)測壓管水位變動不超過0.5毫米）；記錄各測壓管水位值。在各測壓管之間，由于具有一定的滲透路徑，存在一定的水頭損失，但由于滲透路徑間距相同，物質(zhì)均一，故水頭差應(yīng)該相同。在記錄水位的同時測量和記錄流量（采用固定時間測流量的方法）。測水溫。7、再次滲透 將泄水管口的高度改變兩次，重復(fù)以上觀測。七、實驗結(jié)果處理1、將調(diào)節(jié)三次水頭所得數(shù)據(jù)按要求填入表4-12、根據(jù)測量數(shù)據(jù)按表格要求進行計算，結(jié)果填入表4-1說明：地下水的滲透速度不僅與巖石本身的性質(zhì)有關(guān)，而且還與水的溫度和動力粘滯性有關(guān)。往往在測量滲透系數(shù)時要考慮上述影響，在計算和預(yù)測不同溫度的滲透系數(shù)時可由

13、下面的公式求得，下面以水溫為100C時為例計算滲透系數(shù)：K10=KT10/T式中： K10-水溫在100C時砂土的滲透系數(shù)；KT-水溫在T0C時砂土的滲透系數(shù)；10-水溫在100C時水的溫度校正系數(shù)；T-水溫在T0C時水的溫度校正系數(shù)；10和T通過查表求得，或通過公式計算。（1）查表方法T =0/T 10 =0/10式中：0 、T 、10 分別為00C、T0C、100C時水的動力粘滯系數(shù)。它們的數(shù)值可根據(jù)普阿杰里表（表4-2）查出：因而0/T =（0/10）/（0/T）=T/10從上式可以看出，溫度校正系數(shù)與粘滯性校正系數(shù)互為反比關(guān)系。（2）公式法T=1+0.0377t+0.000221t2式中：t為溫度。2、根據(jù)調(diào)節(jié)三次水頭所得資料繪制V-J關(guān)系曲線。取縱坐標為V，橫坐標為J。并根據(jù)曲線說明滲透速度V與水力坡度J的關(guān)系，從而驗證達西定律。表4-1試驗次數(shù) 時間t秒測壓管水位(cm)h1h2h3水位差(cm)h1- h2h2- h3平均水量w（cm3）12平均流量Q厘米3/秒滲透流速V厘米/秒水力坡度J滲透系數(shù)K厘米/秒水溫T0C平均滲透系數(shù)K九、預(yù)習與思考題1、結(jié)合本人實驗結(jié)果，分析調(diào)節(jié)三次水頭所求的三個K值不同的原因。2、 滲透系數(shù)在水文地質(zhì)計算中有何重要意義。表4-2T0C T0CT0CT0C00.017880.0139160.011