达西实验指导

实验二达西实验前面我们已经知道了地下水储存在岩石的空隙中，那么地下水在岩石空隙中是怎样运动（渗流或渗透）的呢？也就是地下水运动的基本规律是什么呢？早在1856年，法国水力学家达尔西（Darcy）通过大量的实验，得到了水在孔隙介质中运动的线性渗透定律——达西定律。达西定律表述的是通过过水断面的流量与水力梯度、过水断面面积和介质的渗透性质之间的关系。为了定量描述岩石的渗透性质，提出了渗透系数的概念。岩石渗透系数是定量描述岩石透水性能的物理指标，岩石空隙越大、连通性越好，则渗透系数越大，单位时间内通过过水断面的水量越多。渗透系数在数值上等于水力坡度为1时的渗流速度。所以渗透系数具有速度的单位。渗透系数是诸多有关水文计算问题（水井涌水量、矿坑涌水量及水库、渠道渗流量等）中不可缺少的、重要的水文地质参数。渗透系数可以通过抽水试验、物理模拟、数值模拟等不同的方法求得。现在我们来进行达西实验。一、实验目的（1）掌握实验室测定孔隙介质渗透系数的方法，加深对岩石渗透系数的认识。（2）验证达西定律，从而提高对直线渗透定律的理解。在野外确定渗透系数常用的方法有：井孔抽水、注水及试坑渗水、压水试验等方法。这些方法所得资料可靠，精度高，但效率低，成本高。在室内常用达西仪、戚姆仪及渗压仪、渗流槽等实验方法测定。现在我们采用达西仪来测定岩石的渗透系数。二、实验原理达西通过大量实验，得到圆筒过水断面的渗流量Q与圆筒断面F和水力坡度I成正比，并和土壤的透水性能有关，所建立基本关系式如下：KFIQ；或KIFQv式中：v---为渗流简化模型的断面平均流速；K---为岩石的渗透系数，反映了孔隙介质透水性能。三、仪器结构达西仪共由四部分组成（见图2）马氏瓶试样筒测压板测压管测压管供水管排水管排水孔水槽量筒吸球过滤板测压孔图2达西仪1.供水器装置（马氏瓶）：以法国物理学家Mariotte的马利奥特瓶装置，是一种能控制水位又能自动连续补给水的量测装置。2.渗透装置（试样筒）：有机玻璃圆筒，上部设有进水孔，底部装有过滤板，下端有出水孔，供测量渗流量用。侧面有三个测压孔。3.测压装置（测压板和测压管）：在测压板上装有三根5－8mm带刻度的玻璃管，分别与试样筒上的三个测压孔连接，用于测定三个断面上的测压水位。三个测压管用胶管分别与试样筒相应的管孔连结。4.排水装置：在测压板上均匀分布有一系列的圆孔，用于调节排水水位。其它设备有：100m1的量筒、水槽、漏斗、捣捧、装样杯、秒表、温度计、管夹、胶皮管及吸气球等。达西仪适用于砂土的渗透系数测定。四、实验步骤1.检查仪器设备是否齐全、完好。胶管与仪器连结处是否漏气漏水或堵塞。2.装样：岩样有两种，即原状样和扰动样。原状样就是在野外取来土柱直接装到渗透装置（有机玻璃圆筒）内；扰动样则要按天然容重分层捣实，尽量接近天然状态，否则就没有实验意义了。装样前，在过滤筛板上放二层铜丝网，然后装样，每装3—5cm厚时，用捣捧轻击数次，并测定试样的孔隙度或容重，使其结构尽量符合实际状态。重复上述过程，直至试样超过最上一个测压孔以上5cm为止。3.饱和试样（因达西定律是饱水带重力水运动的基本定律）：先将排水水位调节高于试样水面，饱和试样时要自上而下进行注水（便于排气），打开供水管夹，待试样表面出现水膜时（即饱和了），立即关闭供水夹，观察试样筒及三个侧压管水位是否在同一水平面上（因此时试样筒与测压管是U型连通器），如果测压管水位不在同一水平面上，则说明有气泡存在或测压管被堵塞，这时需要排气，排气的方法有两种，即将测压板倾斜或用吸耳气球从偏高或偏低水位的管中吸出气泡，达到水平，各测压管水位差1mm为准。4.实验测定：打开供水管夹（实验过程中保持常水头供水），调节排水水位（不能高于供水水位），当测压管水位稳定后(30秒钟内水位变动1mm)，记录各侧压水位值(读弯液面下缘高度)，同时测定在时间t秒钟内流出排水管的渗透量及水温t℃。重复测定二次取其平均值。然后再调节二次排水水位(即改变水力坡度)，如同前述测得二次调节后的各值。调节时应逐级上升或依次下降，不要跳跃式的上升或下降，以免装置内的渗透压变化剧烈，冲坏试样原有结构。五、资料整理及思考题（1）测量试样筒内径d及测压孔间距L1、L2并将调节三次不同排水水位时，所测得数据一一填入记录表(2—1)。仪器内径D＝厘米；渗透土柱断面面积F＝厘米2；测压间距L＝厘米。表2—1试验次数时间T(s)水量W(cm3)流量Q(cm3/s)渗透速度V(cm/s)测压管水位(cm)水位差(cm)水力坡度I渗透系数Kt(cm/s)水温t(oC)平均渗透系数Kct(cm/s)h1h2h3h1-h2h2-h3平均hIIIIII班级：试验者：实验日期：（2）计算渗透系数（K）根据达西公式IFKQ..(2－1)IKFQV.IVK(2－2)式中：K－试样的渗透系数（厘米/秒）V―渗透速度（厘米/秒）Q―渗透流量（厘米3/秒）T―测流的时间段（秒）W―在t秒时间段内测得的渗透流量（厘米3）F―过水断面积（厘米2），24dFd―试样圆筒的内径即试样柱的直径（厘米）；I―水力坡度：2131232121LLhhLhhLhhI1h;2h;3h―分别为侧压管1,2,3的相对水位（厘米）；L1，L2―分别为侧压孔1,2孔的间距（厘米）。（3）渗透系数温度校正计算TK。地下水的渗透速度不仅与岩石本身的性质有关，而且还与水温和动力粘滞系数有关，因此在计算温热矿水或不同水温的渗透系数时，应考虑水温的影响，现以水温为10℃时为例，对渗透系数校正计算，其计算公式为：TTKK1010(2－3)将：10010；TT0；代入(2－3)式得：1010TTKK(2－4)式中：10K、TK―分别为水温在10℃、T℃的渗透系数。10、T―分别为水温在10℃、T℃的温度校正系数。0、10、T―分别为水温在0℃、10℃、T℃的水的动力粘滞系数，根据普阿杰里表，直接查得。表2―2T℃T℃T℃T℃00.017880.0139160.0111240.009310.017290.0135170.0108250.009120.0167100.0131180.0105260.008930.0162110.0127190.0103270.008740.0157120.0124200.0101280.008550.0152130.0120210.0099290.008360.0147140.0117220.0097300.008170.0143150.0114230.0095或设：10TT，代入（2－4）式得：TTKK.10（2－5）表2―3T℃TT℃TT℃TT℃T01.358881.0611160.8473240.709911.313091.0305170.8244250.694721.2748101.0000180.8015260.678431.2366110.9691190.7863270.664141.1985120.9466200.7710280.648951.1603130.9160210.7557290.633661.1221140.8931220.7405300.618371.0916150.8702230.7252查表（2―3）得不同水温T℃时的校正系数T的值。（4）根据调节三次排水水位所得三个I、V值：绘制V―I关系线（以V为纵座标，I为横座标）验证达西定律。所得K值是否相等，为什么？（5）达西实验为何一定要保持常水头供水，试验过程中是怎样实现常水头供水的？（6）延长V―I线的下端，是否通过原点，为什么？