达西渗透实验指导书.doc

达西渗透实验1实验目的（1） 测定均质沙的渗透系数k值；（2） 测定通过沙体的渗透流量与水头损失的关系，验证达西定律。（3） 通过试验，确定水流通过沙体的雷诺数，判别达西定律的适用范围。2.实验设备与仪器 实验设备由活动盛水容器、溢流板、进水管、滤板、盛沙桶、溢流管和测压管组成。测量仪器为量筒、秒表、温度计。3.实验原理 液体在空隙介质中流动时，由于液体具有粘性，在液体流动中会引起水头损失1856年法国工程师H.Darcg在装满沙的圆筒中进行实验。因为渗流流速极为微小，所以流速水头可以忽略不计。因此总水头H可以用测压管水头h来表示。水头损失hw可以用测压管水头差来表示，即 （1） （2）水力坡度可用测压管水头坡度来表示，即 达西分析了大量的实验资料表明，渗流量Q与圆筒断面面积A及水头损失hw成正比，与断面间距L成反比，并和土壤的透水性有关，达西得到了如下基本关系式 （3） （4） （5）式中，v为渗流的断面平均流速；， k为反映孔隙介质透水性能的一个综合系数，即渗透系数。式（3）（5）所表示的关系称为达西定律，它是渗流的基本定律。由式（4）可以看出，渗透速度V与水力坡度J成线性关系，所以达西定律又称为线性渗流定律。渗透系数k是反映土壤透水性的一个综合指标，其大小主要取决于土壤颗粒的形状、大小、均匀程度以及地质构造等孔隙介质的特性，同时也和流体的物性如粘滞性和重度等有关。因此k值将随孔隙介质的不同而不同；对于同一介质，也因流体的不同而有差别；即使同一流体，当温度变化时重度和粘滞系数也有所变化，因而k值也有所变化。4渗流流态的判别地下水的运动也存在层流和紊流两种流态。判别渗流流态的方法很多，但常用的还是用雷诺数（Reynolds）来判别，最常用的公式为 （6） =n （7）式中，d为代表颗粒的“有效”直径，有的取含水层颗粒的平均粒径，有的取d10，d10为直径比它小的颗粒占全部土重的10%时的土壤粒径；为水的运动粘滞系数。n为孔隙率。如果求得的雷诺数小于临界雷诺数，则渗流运动处于层流状态；若大于临界雷诺数则为紊流状态。对于渗流，用实验方法求临界雷诺数比较困难，不同作者的结果也不尽相同，有的作者求得临界雷诺数为150300，有的求得该值为60150，有的认为雷诺数的上限值是100，但巴甫洛夫求得的临界雷诺数为79。为安全起见，一般可按Re1.0作为渗流线性定律适用范围的上限值。5.实验方法和步骤（1）记录已知数据，如盛沙圆筒的直径D、测压孔间距L、沙样的粒径或d10、土壤孔隙率n等。（2）将盛水盒放在适当位置，打开水泵，使盛水盒盛满水，并保持溢流状态。（3）打开通往盛沙圆桶的阀门，使水流通过盛沙桶，并保持盛沙桶上部的溢水管有少量水溢出，待水流稳定后用测压管测量两测压管的压差，用量杯测量溢水管的流量。用温度计测量水温。（4）调节通往盛沙圆桶的阀门，改变流量，重复以上实验步骤N次。6.实验中注意的事项 （1）当渗流量为零时，两测压管水面应保持水平，如不水平，可能是测压管中有空气或测压管漏水，应排除空气或排除漏水后再实验。 （2）实验时流量不能过大，流量过大可能会使沙土浮动，也可能使雷诺数较大而超出达西实验的范围。 （3）实验时要始终保持盛水容器中的溢流板上有水流溢出，以保证水头为恒定流。7.数据处理和结果分析实验设备名称 仪器编号 同组学生姓名 已知数据： 盛沙圆通直径D= cm；面积A= cm2 ； 测压管距离L= cm水温 T= 粘滞系数= cm2/s； 孔隙率n= 。 1.实验数据及计算成果测次h1h2差压体积时间vcmcmcmcm3scm3/scm3/sm/sm/s指导教师签名 实验日期 2.成果分析 （1），体积/时间，用式（5）或式（6）计算。注意计量单位。 （2）渗透系数用式（5）计算。 （3）点绘的关系曲线，其斜率即为渗透系