饱和渗透仪使用说明书

1、饱和渗透仪使用说明书饱和渗透实验指导书 一、Darcy定律水流状态可分为层流和紊流两种。渗流在孔隙中的流线不产生旋涡，相互之间保持平行状态的水流称为层流（图1a），低流速的地下水流表现为层流。地下水的紊流状态只出现在高流速的场合，流线之间相互掺混（图1b）。地下水流是层流还是紊流主要取决于流速，而流速则视水力坡降和土的种类，颗粒大小和型状以及土的密度等而定。地下水的临界流速（由层流向紊流过渡的流速），按实际速度说，约为1000（米/日），在自然状态下，地下水是以每日几米到几十米的速度流动，因此，在大部分情况下，地下水的流动都属层流范围。经验证明，粒径小于细砾的土由于孔隙小、阻力大、渗透速度缓慢

2、，不致产生紊流，所以实用上将大部分的土（中砂、细砂、粉砂、砂壤土、壤土和粘土）中的渗透水流作为层流来研究。但具有较大孔隙的砾石和粗砂，因渗透速度较大当渗透速度超过某一临界值时，就不在是层流而变为紊流或混合流了。图1 土中渗流状态（）层流 （）紊流法国水力学家达西（HDarcy）早在1855年就曾用砂土做渗透试验，发现水在土中的渗透速度与所研究试样中沿渗流方向的两点（图2中的点1和2）的水头差成正比，而与渗透路径长度成反比，即称为水力坡降，常用 表示，则故 于是，达西得到以下的实验式 (厘米/秒或米/日) （1）式中 土的渗透系数（厘米/秒、米/日），即单位水力坡降时的。通过截面积为的土体的渗流

3、量Q为 （厘米/秒、米/日） （2） 式（1）称为达西定律。其含义是：渗透速度与水力坡降的一次方成正比例。图2 通过砂土的渗透水流研究土中的渗透水流实际上只是通过土粒间的孔隙而流动，但在研究中，把实际上只是通过孔隙的地下水流当作是通过包括土粒在内的全断面 的水流来处理的，并将这个拟流称为渗流。因此，式（1）及（2）中的渗透速度并非渗透水流在土中孔隙运动的实际速度，它比实际速度小。但在工程上，一般均利用式（2）计算渗流量，无须确定渗流的实际速度。二、 系数的范围及影响因素从式（2）可知，渗透系数表示水力坡降为1时的渗透速度，故具有速度单位，例如（厘米/秒）。渗透系数与土的种类和性质等有关，它是土

4、的渗透性指标。表1列出几种土的渗透性系数的范围，可供参考。 表1 几种土的渗透系数 值土的名称（厘米/秒）砂土1010低塑性粘土和粉土1010中塑性粘土和粉土1010高塑性粘土和粉土1010影响渗透系数的因素很多，而且对于不同种类的土，影响的因素和程度又各不相同。对于砾石土或砂土来说，颗粒级配对渗透系数影响最大，因为颗粒级配在很大程度上决定着土中的孔隙尺寸、形状及孔隙比等特征。颗粒愈粗、愈均匀、愈浑圆时，土的渗透系数就愈大。粘性土的渗透系数在很大程度上决定于矿物质成分及粘粒的含量。粘土矿物中，以蒙脱土的亲水性最高，膨胀性最大，故含蒙脱土较多的土，其渗透系数较小。颗粒越细，含粘粒越多的土，结合水

5、的含水量也越高，其渗透性也越小。渗透系数还与水温有关，因为水与土的渗透速度与水的动力粘滞系数成反比，渗透系数也就与动力粘滞系数成反比，而动力粘滞系数又决定于水温，所以，同一种土在不同温度下，将有不同的渗透系数值。一般的，考虑到地下渗流的水温为10左右，故采用水温10时的渗透系数作为标准值，以便对取得的试验资料进行比较。计算时必须把在某一温度时测定的渗透系数换算为10时的渗透系数，即 （3）或近似地写成： （4）式中，分别为和10时水的动力粘滞系数，标准温度各国均不一致，有10 ，15 ，20几种。任意温度 时水的动力粘滞系数为： （克-秒/厘米）故 表2 水的动力粘滞系数、粘滞系数比、温度校正

6、表温度（）动力粘滞系数比值温度校正温度（）动力粘滞系数比值温度校正5.01.5451.1611.1715.51.1500.8611.585.51.5221.1431.1916.01.1400.8501.506.01.5011.1211.2116.51.1250.8401.626.51.4801.1051.2317.01.1110.8301.647.01.4551.0891.2517.51.0970.8201.667.51.4341.0701.2718.01.0330.8101.688.01.4121.0601.2818.51.0700.8001.708.51.3921.0421.3019.01

7、.0570.7901.729.01.3721.0301.3219.51.0420.7811.749.51.3531.0131.3420.01.0300.7731.7610.01.3381.0001.3620.51.0200.7641.7810.51.3200.9861.3821.01.0080.7551.8011.01.3000.9711.4021.50.9950.7441.8311.51.2800.9581.4222.00.9820.7351.9512.01.2650.9451.4422.50.9710.7261.8712.51.2500.9321.4623.0.9600.7201.8913

8、.01.2300.9191.4824.00.9400.7021.9413.51.2160.9061.5025.00.9160.6861.9814.01.2000.8951.5226.00.8960.6712.0314.51.1820.8841.5427.00.8760.6562.0715.01.1700.8721.5628.00.8590.6452.12三、实验原理土的渗透系数，可在野外进行渗水试验、抽水试验或压水试验加以测定，也可采用原状土样（保持天然结构和天然含水量的的土样），在实验室用仪器测定。用野外试验方法测得的渗透系数比实验室测得的可靠，但需要的设备多、费用高、时间长，通常只限于大型

9、工程才使用。室内实验方法一般有两种，常水头渗透实验和变水头渗透试验。（1） 常水头式渗透试验常水头式渗透试验就是在整个试验过程中水头保持为常数的一种方法。如图3所示，土样的长度为（厘米），土样的截面积为（厘米），常水头渗透仪上下水头差为（厘米）， 秒内渗过土样的水量为（厘米）。根据达西定律：所以 （厘米/秒） （5） 式中、均可在试验前测定，试验时只须测出某一时段内渗过土样的水量 。常水头式渗透试验适用于渗水性较大的土，例如砂土。图3 常水头试验示意图（2）变水头式渗透试验变水头式渗透试验就是在整个试验过程中，水头随时间变化的一种方法。如图4所示，装置上端是一有刻度的细玻璃管，以便在试验过程中

10、观测水位的变化，其横断面积为。设在某一时间的水头为，当经过时间，水头下降（）。其中负号表示水头随时间的增加而减小。则在时间内从竖管流过的水量为。由于在同一时间内流经竖管和土样的水量相等，根据达西定律，有 图4 变水头试验示意图即 如果开始观测时（）的水头为，停止观测时（）的水头为，则分离变数和，对这个方程两边积分：得到 （）设=0，可得：如将上式改为常用对数，则得： （） （6）式中、均可事先确定，试验过程中仅需测定在时间内，开始观测和停止观测时的水头和。变水头式渗透试验适用于渗透性较小的土，例如粘性土。四、实验方法1. 仪器设备1.1渗透容器，见图5 图5 渗透容器图1、 筒；2、上盖；3、

11、下盖；4、进水管；5、出水管；6、排气管；7、橡皮圈；8、螺栓；9、环刀；10、透水石1.2水头装置：有变水头和常水头两种。变水头管要求内径均匀且不大于1cm，装在刻度读数精确到1.0mm木板上。1.3其它；切土器、100ml量筒、秒表、温度计、削土刀、钢丝锯、凡士林等。2. 操作步骤2.1根据需要用环刀在垂直或平行土样层面切取原装试样或制备成给定容重的扰动试样，并进行冲水饱和。切土时，尽量避免结构扰动，并禁止用修土刀反复涂抹试样表面，以免试样表面的孔隙堵塞或遭受压缩，影响试验结果。2.2将容器套筒内壁涂一薄层凡士林，然后将盛有试样的环刀推入套筒压入止水垫圈。把挤出的多余凡士林小心刮净，装好带

12、有透水石和垫圈的上下盖，并用螺丝拧紧，不得漏气漏水。2.3把装好试样容器的进水口与水头装置连通，关变水头系统的止水夹5（2）、5（3）或关常水头系统的止水夹再开4使供水瓶3注满水，关4开止水夹5（2）、5（3），使水头管内充满水。2.4把容器侧立，排气管6向上，并打开排气管止水夹。然后开进口止水夹5（1）充水排除容器底部的空气，直至水中无夹带气泡溢出为止。关闭排气管止水夹，平放好容器。2.5在不大于200cm水头作用下，静置某一时间，待上出水口7有水溢出后，开始测定。2.6当采用变水头时，将水头管充水至需要高度后，关止水夹5（2），开动秒表，同时测记起始水头，经过时间后，再测记终了水头。如此连

13、续测记23次后，再使水头管水位回升至需要高度，在连续测记数次，前后需6次以上，试验终止，同时测记试验开始时与终止时的水温。图6 变水头（常水头）渗透试验装置1 变水头管；2渗透容器；3供水瓶，容量为5000ml；4接水源；5止水夹；6排气管；7出水管2.7开动秒表，同时用量筒接取出水口7处时间的渗水量，并测记水头及水温，如此重复测记6次以上。每次测定的水量，应不少于5.0cm。注：(1).每次测定的水头差应大于10cm。对较粘的试样或密度较实的试样、测记时间可能长，为避面测试过程中水温变化较大，影响试验结果，规定每测试一次，应在34小时完成。如不能满足上述要求，可加大作用水头或改用负压法。测试

14、时，如发现水流过快，应检查试样及容器有无漏水或试样集中渗流现象，有，则应重新制样，安装。（2）.允许误差范围，当时，值最大与最小差值不大于2。对于较硬的土或孔隙比较小的土，达到以上标准有困难，则可适当放宽一些。2.8计算按下式计算渗透系数：变水头法： 常水头法： 式中 变水头管截面积，cm； 渗径，等于式样高度，cm; 开始水头，cm; 终止水头，cm;常水头，cm;其余符号同前。按下式计算渗透系数： 式中 水温时试样的渗透系数， 水温为10时试样的渗透系数，；时水的动力粘滞系数，；10时水的动力粘滞系数，。（比值与温度的关系，见表2）。五、本实验装置介绍1、 总体结构如图7所示。2、操作原理

15、常水头渗透实验时，在水槽内注水至适量水位，将阀门C关闭，阀门A、阀门B打开，在饱和渗透仪的进水管处即可得到一个基本恒定的水头。变水头渗透实验时，在水槽内注水至适量水位，将阀门C、阀门A关闭，阀门B打开，此时玻璃管内的水位随着透过饱和渗透仪的水量增加而降低，在饱和渗透仪的进水管处即可得到一个由大到小变化的水头。3、操作方法向水槽内注水时，如供水水源有适当的水头，可将其连至阀门C的一端，关闭阀门B，并打开阀门C和阀门A， 即可向水槽内注水，此时可通过左侧的玻璃管观察水槽内水位，待其上升至要求水位时，关闭阀门C即可。供水水源的水头不足以向水槽供水时，可将阀门C关闭，打开水槽上面的金属盖，直接向水槽内注水至适当水位即可。实验过程参考上面的介绍。图7 实验装置的结构六、注意事项1、 饱和导水率测定仪在使用前请检查并保证各管件的可靠连接和固定。2、 使用中请保持仪器表面的干燥清洁，放置仪器的地面要