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 *** 。
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 *** 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 *** 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 *** 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?
如何用压汞实验数据评价渗透率好坏
答:压汞法，又称汞孔隙率法。是测定部分中孔和大孔孔径分布的 *** 。基本原理是，汞对一般固体不润湿，欲使汞进入孔需施加外压，外压越大，汞能进入的孔半径越小。测量不同外压下进入孔中汞的量即可知相应孔大小的孔体积。目前所用压汞仪使用压力更大约200MPa，可测孔范围：0.0064 - 950um（孔直径）。压汞法，又称汞孔隙率法。是测定部分中孔和大孔孔径分布的 *** 。基本原理是，汞对一般固体不润湿，欲使汞进入孔需施加外压，外压越大，汞能进入的孔半径越小。测量不同外压下进入孔中汞的量即可知相应孔大小的孔体积。目前所用压汞仪使用压力更大约200MPa，可测孔范围：0.0064 - 950um（孔直径）。
实验二 达西渗流实验
一、实验目的
1. 通过稳定流渗流实验，进一步理解渗流基本定律———达西定律。
2. 加深理解渗透流速、水力梯度、渗透系数之间的关系，并熟悉实验室测定渗透系数的 *** 。
二、实验内容
1. 了解达西实验装置与原理。
2. 测定 3 种砂砾石试样的渗透系数。
3. 设计性实验: 横卧变径式达西渗流实验。
三、达西仪实验原理
达西公式的表达式如下:
水文地质学基础实验实习教程
式中: Q 为渗透流量; K 为渗透系数; A 为过水断面面积; ΔH 为上、下游过水断面的水头差; L 为渗透途径; I 为水力梯度。
式中各项水力要素可以在实验中直接测量，利用达西定律即可求取试样的渗透系数 (K) 。
四、实验仪器和用品
1. 达西仪 (见图Ⅰ2-1) 。
2. 试样: ①砾石 (粒径为 5 ～ 10 mm) ; ②粗砂 (粒径为 0. 6 ～ 0. 9 mm) ; ③砂砾混合 (试样①与试样②的混合样) 。
3. 秒表。
4. 量筒 (100 mL，500 mL 各 1 个) 。
5. 计算器。
6. 水温计。
图Ⅰ2-1 达西仪装置图
五、实验步骤
1.测量仪器的几何参数(实验教员准备)。分别测量过水断面的面积(A)，测压管a、b、c的间距或渗透途径(L)，记入表格“实验二达西渗流实验记录表”中。
2.调试仪器。打开进水开关，待水缓慢充满整个试样筒，且出水管有水流出后，慢慢拧动进水开关，调节进水量，使a、c两测压管读数之差更大;同时注意打开排气口，排尽试样中的气泡，使测压管a、b的水头差与测压管b、c的水头差相等(实验教员准备，学生检查)。
3.测定水头。待a、b、c三个测压管的水位稳定后，读出a、c两个测压管的水头值(分别记为Ha和Hc)，记入实验记录表中。
4.测定流量。在进行步骤3的同时，利用秒表和量筒测量t时间内出水管流出的水体积，及时计算流量(Q)。连测两次，使流量的相对误差小于5% ，取平均值记入实验记录表。
5.由大到小调节进水量，改变a、b、c三个测压管的读数，重复步骤3～4。
6.重复第5步骤2～4次，即完成3～5次试验，取得某种试样3～5组数据。
7.换一种试样，选择另外一台仪器重复上述步骤3～6进行实验，将结果记入实验记录表中。
8.按记录表计算实验数据，并抄录其他实验小组不同试样的实验数据(有条件的，可用3种试样做实验)。
9.实验中应注意的问题。
1)实验过程中要及时排除气泡。
2)为使渗透流速-水力梯度(v-I)曲线的测点分布均匀，流量(或水头差)的变化要控制合适。
六、实验成果
1.提交实验报告表，即达西渗流实验记录表。
2.在同一坐标系内绘出3种试样的v-I曲线(实验二用纸)，并分别用这些曲线求出渗透系数(K)，与根据实验记录表中的实验数据计算结果进行对比。
七、思考题(任选2题回答)
1)为什么要在测压管水位稳定后测定流量?
2)讨论3种试样的v-I曲线是否符合达西定律?试分析其原因。
3)将达西仪平放或斜放进行实验时，结果是否相同?为什么?
4)比较不同试样的K值，分析影响渗透系数(K)的因素。
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实验二 达西渗流实验记录表
水文地质学基础实验实习教程
实验一用纸
实验二用纸
附 设计性实验
横卧变径式达西渗流实验
一、实验目的
1. 测定稳定流、变过水断面条件下砂性土的渗透系数。
2. 通过实验加深对稳定流条件下达西定律的理解，加深理解渗透流速、过水断面、水力梯度和渗透系数之间的关系。
二、设计性实验内容 (供参考)
1. 将两个砂样柱装同一种砂样，求取砂样的渗透系数。
2. 将两个砂样柱分别装两种砂样，求取两种砂样的渗透系数。
三、实验仪器与用品
1. 横卧变径式达西渗流仪 (图Ⅰ2-2) 。
2. 不同粒径的砂样。
图Ⅰ2-2 横卧变径式达西渗流仪装置图
四、横卧变径式达西渗流仪简介
本仪器主体结构包括横卧变径式有机玻璃试样柱两个，可升降的供水装置以及测压板。每一个试样柱上设有两个测压点与测压板相连，可以测定试样土层对应点的测压水头，了解同一砂样柱或不同砂样柱的水力梯度变化特征。仪器通过升降装置可调节供水装置 (稳定供水箱) 水位，通过进水开关控制流量大小。
五、设计实验要求
1. 查阅相关文献，实验前详细地写出一种砂性土渗透系数测量的实验方案。
2. 根据实验方案设计实验记录表格，要求表达直观，内容齐全，有利于计算分析。
3. 根据设计方案自己动手装样与实验，实验中详细记录实验步骤、数据和现象。
4. 对实验数据、计算结果和观察到的现象进行必要的讨论，并撰写实验报告。报告内容包括: 实验目的、实验原理、实验内容、实验步骤、实验注意事项、实验成果。
混凝土抗水渗透试验的注意事项
混凝土抗水渗透试验的注意事项：
1、用三相电源，严禁使用其它电源，以免烧坏电机。
2、试验前，储水罐内一定要注满试验用水。
3、试验完毕，通过储水罐下面的泄水口将水全部排放干净。
4、清除时间时，按【时间清除】键，当显示器显示“CCC”2秒后，可把内存的时间清除为零；试验过程中，严禁按压【时间清除】键，否则本次已工作过的时间将被清除。
5、试验过程中，严禁按压【零点调整】键，否则因此会清除有效压力值，影响正常试验结果。
6、如加压到设定的上限值后，所有试件表面均未出现渗水情况而欲继续加压试验时，可重新设定上限值并保存后继续试验。
7、试验过程中，随时注意左侧门悬挂的小水箱内适量补水。
8、试验过程中如出现断电、停电现象，本仪器可自动记忆原工作累计数据。
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