工程地质学渗流与达西定律
① 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方法。
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:
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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两测压管读数之差最大;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
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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。
② 什么叫土的渗透性
土渗透性(permeability of soils)水在土孔隙中渗透流动的性能。表征土渗透性指标为渗透系数。土中的水受水位差和应力的影响而流动,砂土渗流基本服从达西定律。粘性土因为结合水的黏滞阻力,只有水力梯度增大到起始水力梯度,克服了结合水黏滞阻力后,水才能在土中渗透流动,粘性土渗流不符合达西定律。
土力学的重要研究内容
流体在土体孔隙中的流动特性。它是土的主要力学性质之一。土渗透性是土力学的重要研究内容,这是因为:①土木工程、水文地质、农业、水利、环境保护等领域的许多课题都与土的渗透性密切相关;②土的三个主要力学性质,即强度、变形和渗透性之间,有密切的相互关系,使渗透性的研究已不限于渗流问题本身;③土的渗透性同土的其他物理性质常数相比,其变化范围要大得多,且具有高度的不均匀和各向异性性质。
土渗透性
分类
土的渗透性一般按土的渗透系数分类,如表1。
表1 土的渗透性分类
透水程度
高渗透性
中渗透性
低渗透性
极低渗透性
实际不透水
渗透系数K(cm/s)
>10-1
10-1~10-3
10-3~10-5
10-5~10-7
<10-7
土力学中所涉及的大多数对象,都适用于达西渗流定律。粗粒料,如堆石体等,密实粘土或可以自由流动的细颗粒土,可能越出达西定律适用范围。
测定方法
土的渗透系数(即渗透性指数)的测定方法很多,可归纳为直接法和间接法两类:直接法包括常水头法和变水头法试验,前者适用于渗透性较大的土,后者适用于渗透性较小的土;间接法包括根据固结试验成果计算和根据颗粒大小分布计算,前者适用于粘性土,后者适用于无粘性土。试验方法又可分为实验室测定和现场测定两类。各种试验方法的适用范围见表2。
表2 土的渗透系数测定方法适用范围
影响因素
影响砂性土渗透性的主要因素为渗透流体和土的颗粒大小、形状、级配以及密度。渗透流体的影响主要是粘滞度,而粘滞度又受温度影响。温度越高,粘滞度越低,渗流速度越大。土颗粒的影响是颗粒越细,渗透性越低;级配良好的土,因细颗粒充填大颗粒的孔隙,减小孔隙尺寸,从而降低渗透性。土的密度增加,孔隙减小,渗透性也会降低。影响粘性土的渗透性的主要因素为颗粒的矿物成分、形状和结构(孔隙大小和分布),以及土-水-电解质体系的相互作用。粘土颗粒的形状为扁平的,有定向排列作用,因此渗透性具有显著的各向异性性质。渗透性的毛管模型表明,渗透流速与孔隙直径平方成正比,而单位流量与孔隙直径的四次方成正比。孔隙率相同的粘性土,粒团间大空隙占高比例的结构的渗透性,比均匀孔隙尺寸的结构的渗透性大得多,粘性土的微观结构和宏观结构对渗透性影响很大,因此,实险室内的测定结果并不能反映实际的土体情况。层状粘土水平方向的渗透性往往远大于垂直方向;而黄土和黄土状土中,由于垂直大孔隙发育,其中的垂直方向的渗透性大于水平方向;裂缝粘土由于存在裂缝网络,所以渗透系数接近于粗砂,且具有严格的方向性。研究实际土体的渗透性时,必须注意它的特殊规律。
③ 何谓达西渗流定律其应用条件和适用范围是什么根据达西定律计算出的流速和土中水的实际流速是否相同为
就是个反应水在来岩层源中渗透速度的定律,使用条件是,岩层的渗透能力系数必须是已知的固定参数,能用于测量环境中地下水的渗透状态。不同。土中水的实际流速远比根据达西定律计算出的流速。因为达西定律计算出的流速是把某个整个渗流断面看成没有土壤骨架的纯过水断面计算出来假想断面平均流速,而土中水的实际流速是指水在土壤孔隙中的实际流速。
④ 渗流的基本定律
渗流的基本定律是1856年法国工程师H.-P.-G.达西由实验总结而得的达西定律,即: v=Q/A=kJ
式中为断面平均流速;u为点流速;Q为渗透流量;A为断面面积;k为土体渗透系数,与土体及水的性质有关,J为水力坡降。公式表明渗流水力坡度与流速的一次方成比例,所以达西定律又称为线性渗流定律。达西定律成立的条件是:土体骨架不变形,流态为不可压缩牛顿流体的层流渗流。
符合达西定律的各向同性均质土壤 (k为常量)中渗流的基本微分方程是:运动方程连续性方程。 这组方程是封闭的。此外,这种渗流属于势流。存在速度势函数 φ = φ(x,y,z)=-kH,而且φ 满足拉普拉斯方。通过求解上述方程可得渗流水头H及流速ux、uy、uΖ,或者势函数φ。
渗流问题的解法有:解析法(包括直接求解微分方程组、平面问题的复变函数解及一维渐变渗流的分析法)、数值法(有限差分法、有限单元法、边界元法等)、图解法(流网法)及实验法(包括砂模型及各种比拟模型──电比拟、热比拟等)。
渗流也可呈紊流流态,可用渗流雷诺来判别。式中v为渗流断面平均流速;d为土体颗粒的有效粒径;ν为液体运动粘性系数。达西定律适用的层流渗流的雷诺数上限值变化范围约为 1~10。大于此上限的称为非线性渗流,其水力坡度与流速的关系可一般地表示为J=αu+βu2。式中α、β为待定系数,由实验确定;u为渗流流速。
⑤ 达西定律认为土中渗流的平均渗透速度与水力梯度成什么关系
达西通过实验总结得到。1852-1855年,又称线性渗流定律。1856年由法国工程师H达西定律(回Darcy's law)描述答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,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.P.G
⑥ 渗流定律
(一)直线渗透定律
在渗流运动的研究中,该定律应用最为广泛。它是由达西通过试验求得的,也称达西定律。
1.达西定律(线性渗透定律)
1856年,法国水力工程师亨利·达西通过如图1-7所示装置的试验得到。试验将均质砂土装入直圆筒,在一维流条件下,经过不同流量的稳定流多次试验,得出关系式:
地下水动力学
图1-7 达西实验装置
式中:Q为流量,单位m3/d;K为均质砂的渗透系数,单位m/d;ω为筒的横截面积或渗流过水断面面积,单位m2;H1,H2为在渗流运动方向上相邻为L的过水断面1和2处的渗流水头值(m);
式(1-19)可改写为
Q=KωJ (1-19a)
亦可改写为
V=KJ (1-19b)
该式表明,渗流速度V与水力坡度J呈线性关系,所以达西定律又称直线渗透定律。
2.达西定律讨论
(1)定律的微分形式
在均质各向同性含水介质中,呈一维流时:
地下水动力学
在均质各向同性含水介质中,呈二维流时:
地下水动力学
在均质各向同性含水介质中,呈三维流时:
地下水动力学
达西定律是在稳定运动条件下得到的。当渗流运动为非稳定运动时,任意瞬时渗流场中任一点处渗流速度与水力坡度的关系仍可用式(1-20)表示,只是渗流速度与水力坡度都随时间在变化。
(2)定律适用范围上限
近年来研究成果表明,达西定律并不是在所有的层流中都适用。当雷诺数(Re)增大时,水流的惯性力作用增强,尽管水流仍保持层流状态,但渗流速度与水力坡度之间不再是线性关系,此时达西定律不适用。因此,惯性力小到可以忽略不计是达西定律适用条件之一。
由于介质空隙大小、形式、延伸方向等具随机性,随着雷诺数增大,孔隙中运动水流的临界雷诺数变化范围很大。若采用与有压流雷诺数相同的公式形式,则有:
地下水动力学
式中:Re为雷诺数;d为空隙介质固体颗粒的平均粒径,由实验求得;ν为水的运动黏滞系数;V为渗流速度。
当Re<10时,黏滞力起主导作用,水流保持层流状态,服从直线渗透定律。当Re>10时,虽仍保持层流状态,但渗流速度与水力坡度的关系应为
图1-8 J=f(V)关系曲线
图1-9 粘土(含水率34.5%)的渗透试验成果
(3)定律适用范围下限
在黏性土中由于结合水的存在,必须在较大的水力坡度作用下,才能克服结合水的“堵塞”。由于有效过水断面的变化(由小到大趋于某一定值),使水流运动由最初偏离直线渗透定律到过水断面稳定不变时,又符合直线渗透定律(图1-9)。把又符合直线渗透定律时的水力坡度作为定律适用下限。
3.达西定律的实质
根据
地下水动力学
得到
地下水动力学
把该式与伯诺里能量方程(H1=H2+hw1-2)相比可知,
4.关于渗透系数与渗透率
(1)渗透系数(K)
达西定律中的渗透系数K,是表示含水介质透水性能的重要水文地质参数。
由V=KJ知,当水力坡度(J)为1时,V=K,所以渗透系数具有渗透速度的量纲,单位为cm/s或m/d。
渗透系数不仅与介质本身有关,亦与运动在介质中的水的性质有关。具体是:①岩石性质,如粒度、成分、颗粒排列、充填情况、裂隙性及其发育程度;②渗透液体的物理性质:如容重、黏滞性。
(2)渗透率(K0)
渗透率是表征岩石渗透性质的常数,只反映空隙介质本身的渗透性,其大小仅与岩石的性质有关,与液体性质无关。渗透率的量纲为[L2],常用的单位为D(达西)(D的定义是:当动力黏滞系数(ν)为0.001时,压强差(p)为101325Pa的情况下通过面积为1cm2及长度为1cm的岩样,其流量为1cm3时,岩样的渗透率为1D,1D≈0.987×10-12m2)。
(3)渗透系数(K)与渗透率(K0)的关系
地下水动力学
式中:γ为水的容重;μ0为水的动力黏滞系数。
在一般情况下地下水的容重与黏滞性变化不大,可以把渗透系数视为表示岩石透水性的常数。但对运动的热水、卤水,其容重、黏滞性不能忽略。
(二)非直线渗透定律
1)当地下水呈紊流态运动时,用哲才-克拉斯诺波里斯基公式表示紊流渗透基本定律:
Q=KTωJ1/2 (1-24)
或
V=KTJ1/2 (1-25)
式中:KT为地下水呈紊流运动时,孔隙介质渗透系数。它与水的性质、孔隙介质特征、固体骨架壁的粗糙度有关。
2)当地下水的运动范围内层流与紊流并存时,适用斯姆列盖尔提出的混合流公式:
Q=KCωJ1/m (1-26)
或
V=KCJ1/m (1-27)
式中:KC为地下水流呈混合流时,孔隙介质的渗透系数;m为流态指数(1<m<2)。
(三)裘布依微分方程
1.微分方程的建立
(1)建立条件
①地下水绝大部分具有缓变流特征;②含水层为均质各向同性。
(2)微分方程
为求均质各向同性含水层中,任一过水断面(ω)上的流量(Q),根据裘布依微分方程表达式求dω上的dQ,即
地下水动力学
对整个过水断面ω积分,得
地下水动力学
式中:
因此,在ω断面的不同位置上其水力坡度值是不同的。但根据方程的建立条件,当地下水流为缓变流或沿流向剖面上水流具备缓变流特征时,可将两个互不平行的曲形过水断面用两个相互平行且垂直的平面代替。
如图1-10所示,两平面间的流线长度近似相同,并认为同一断面上各点处的水头相等,因而两断面间的水头差也近似相等。鉴于此,认为缓变流条件下,同一平面过水断面上各点的水力坡度近似相等,即
地下水动力学
因此,上式积分式可写为
地下水动力学
地下水动力学
或
地下水动力学
式(1-28)和式(1-29)都是裘布依微分方程,是研究地下水运动十分重要的基本微分方程之一。
图1-10 缓变流时水流示意图
2.裘布依微分方程与达西微分方程的区别
裘布依微分方程中的
⑦ 达西定律表达式及其物理意义
达西定律是反映水在岩土孔隙中渗流规律的实验定律。
由法国水力学家 H.-P.-G.达西在1852~1855年通过大量实验得出。其表达式为
Q=KFh/L
中文名
达西定律
外文名
Darcy’s Law
得出者
达西
表达式
Q=KFh/L
适用范围
砂土、一般粘土
得出时间
1856年
letpub水文地质工程地质达西定律中的负号达西定律实验原理darcy定律网络学术层流中国石油大学环评爱好者环保部
基本定义
反映水在岩土孔隙中渗流规律的实验定律。
由法国水力学家 H.-P.-G.达西在1852~1855年通过大量实验得出。其表达式为
Q=KFh/L
式中Q为单位时间渗流量,F为过水断面,h为总水头损失,L为渗流路径长度,I=h/L为水力坡度,K为渗透系数。关系式表明,水在单位时间内通过多孔介质的渗流量与渗流路径长度成反比,与过水断面面积和总水头损失成正比。从水力学已知,通过某一断面的流量Q等于流速v与过水断面F的乘积,即Q=Fv。或,据此,达西定律也可以用另一种形式表达
v=KI
v为渗流速度。上式表明, 渗流速度与水力坡度一次方成正比。说明水力坡度与渗流速度呈线性关系,故又称线性渗流定律。达西定律适用的上限有两种看法:一种认为达西定律适用于地下水的层流运动;另一种认为并非所有地下水层流运动都能用达西定律来表述,有些地下水层流运动的情况偏离达西定律,达西定律的适应范围比层流范围小。
这个定律说明水通过多孔介质的速度同水力梯度的大小及介质的渗透性能成正比。
这种关系可用下列方程式表示:V=K[(h2-h1)÷L]。
其中V 代表水的流速,K 代表渗透力的量度(单位与流速相同, 即长度/时间),(h2-h1)÷L 代表地下水水位的坡度(即水力梯度)。因为摩擦的关系,地下水的运动比地表水缓慢得多。可以利用在井中投放盐或染料,测定渗流系数和到达另一井内所需的时间。
在美国佛罗里达的含水层中,曾沿着多口水井,采用碳14方法测定地下水的年龄。结果测出渗流系数为每年7 米。在渗透性能良好的介质中,渗流系数可高达每日6 米。美国还测得过每日235 米的纪录。不过,在许多地方,速率通常是每年不超过30 米。
公式推导
达西定律是渗流中最基本的定律, 其形式简洁( v= kJ ), 最早是由实验证实的。它清楚地表明了渗流速度v与水力坡降J 成正比的关系
⑧ 运用达西定律分析问题
达西定律不仅可以应用于对地下水的定量计算,还可用于分析水文地质问题。在此举几个实例来说明。
例一,水库防渗问题的分析:图4-9中A表示水库的纵断面,水库坝下为透水的砂层,在坝的上下游水头差的作用下库水必将沿坝下发生渗漏。其渗漏量大小服从达西定律,即
图4-9 水库渗漏示意图
水文地质学基础
式中:Q为坝下渗漏量(L3T-1);H1,H2为坝上、下游水位(L);l为坝下渗透途径长度(图中箭头线所示)(L);K为砂土渗透系数(LT-1);ω为坝下过水断面面积(L2)。
现在考虑一下,通过哪些途径能减少水库的渗漏呢?
分析达西公式可知,Q的大小取决于K,ω和I的大小,若能设法使K,ω和I变小,则Q随之变小;若K,ω和I其中一个等于零,Q亦等于零。为此,可采取下列两种措施(图4-9,B):
(1)在坝下用隔水材料(通常是粘土)设置“心墙”(图4-9中的B),其作用是减小过水断面,增长渗透途径。如砂层厚度不大,可使心墙直接与隔水底板相接,则过水断面面积为零,达到完全防渗。
(2)在坝的上游或下游铺设防渗层。其作用是增加渗透途径,如图4-9B所示。铺设防渗层(图中的2)后,其渗透途径长度大于铺设前(图4-9中的A),水头差不变,则水力坡度变小,渗漏量即变小。
例二,画地下水位线。在绘制水文地质剖面图时,必须画出地下水位线。问题是怎样才能使画出的水位线符合实际情况?多打些钻孔,直接揭露地下水面固然可靠,但成本高。因此,如何用最小的勘探量,合理地画出地下水位线,这就要进行科学的分析。
图4-10 隔水底板水平的潜水含水层
图4-11 隔水底板倾斜的潜水含水层
图4-10表示隔水底板水平的均质潜水含水层,沿流向分布有1,2两口井,水位分别为h1,h2。地下水流动为与剖面平行的稳定流。现设通过两井过水断面的单宽流量为q,则有
q1=Kh1I1
q2=Kh2I2
在无入渗、蒸发及人为因素影响情况下,根据水流连续性原理可知
q1=q2
则h1I1=h2I2=C(常数)
因h1>h2
所以I2>I1
由于从1井到2井,含水层厚度h逐渐变小,故水力坡度I必然是逐渐增大。这就说明,此条件下通过1,2两井的水位所画出的浸润曲线(潜水面),必须是一条曲率逐渐增大的凸型下降曲线,而不可画成直线或其他形状。
图4-11表示隔水底板倾斜的潜水含水层,其他条件与上图相同。由分析可知,两孔之间的浸润曲线是曲率逐渐变小的凹型下降曲线。
例三,地下分水岭的位置。图4-12表示河间地块中分布有均质、隔水底板水平的潜水含水层。两河水位相等。现分析一下地下分水岭的位置应在何处?
我们先假定地下分水岭是在靠近甲河的位置。
设分水岭左侧流向甲河的平均单宽渗透流量为q1;右侧流向乙河平均单宽渗透流量为q2。
根据(4-10)式得
水文地质学基础
图4-12 地下水分水岭示意图
图4-13 不对称河谷
水文地质学基础
因h2=h3,L2>L1,所以q1>2。
于是在雨季,当入渗补给量大于径流排泄量时,地下水位普遍上升,但因q1>q2,所以分水岭左侧水位上升慢,右侧上升快,地下分水岭要向右移动。在旱季,地下水处于消耗过程,水位普遍下降。同理,因q1>q2,所以左侧水位下降快,右侧下降慢,地下分水岭亦同样向右移动。
如果假设地下水分岭是在靠近乙河的一侧,则按上述同样的方法可以证明,分水岭必将向左移动。综上可以得出结论:在此种条件下,地下分水岭的位置必定是在两河之间的中心部位。
图4-13表示不对称的河谷地块,且甲河标高低于乙河标高,其他条件与上图情况相同。请读者根据达西定律分析:在雨、旱两季,地下分水岭位置在哪?为什么?
复习参考题
1. 什么叫渗透?什么叫渗流和渗流场?
2. 层流与紊流、稳定流与非稳定流各有何区别?
3. 达西定律的公式形式有几种?公式中各符号的意义是什么?达西定律的意义是什么?它的应用范围如何?
4. 什么叫渗透流速?什么叫实际流速?有何区别?
5. 写出裘布依公式和泰斯公式。公式中各符号的含义是什么?
⑨ 渗流的达西定律适用条件除渗透介质是均质等无渗透变形外还需要满足
渗流的达西定律条件适用除渗透戒指均质等五渗透变形。得满足。
⑩ 达西定律适应于粘性土的渗流吗
可以的~达西定律适用于RE不超过1~10.除了堆石体和反滤排水体等大孔隙情况下,对多数土体达西定律是适用的~
所以一般情况下 达西定律是可以使用的~尽管是在不能使用的条件下,也可以用来参考~