CN101344515B

CN101344515B - 渗透系数测定仪

Info

Publication number: CN101344515B
Application number: CN2008100459197A
Authority: CN
Inventors: 虞修竞; 蔡国军; 付小敏
Original assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Current assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: CN101344515A

Abstract

本发明研究重力水在地下饱水带、在稳定流条件、层流状态下的运动规律的渗透系数测定仪，包括蓄水箱，进水主管，有测压管的测压管支架，供水装置，渗流试验筒装置，渗流试验筒装置中有装在渗流筒支架上的有上、下游测压管接口的渗流试验筒，渗流试验筒顶部有溢流筒、与溢流筒连通的溢流测水流量管，试验筒的上、下游测压管接口分别通过连通管与对应的测压管底部连通，供水装置中有供水箱支架，三个定水头供水箱竖直排列在供水箱支架上，每个水箱中有供水腔和溢流腔，供水腔通过进水管与进水主管连通而溢流腔通过溢流回水管与蓄水箱相通，供水腔通过渗流连通管与渗流试验筒底部连通。仪器工作时能形象地展现渗流液体的运动要素，验证达西定律。

Description

渗透系数测定仪

技术领域：

本发明与应用于研究重力水在地下饱水带，在稳定流的条件、层流状态下的运动规律的渗透系数测定仪有关。

背景技术：

研究重力水在地下饱水带、在稳定流的条件下地下水运动的基本定律为达西定律，即

Q = K \cdot F \frac{h}{l} = K = KFI

式中：Q-渗透流量(在试验中出口处流量为通过砂柱各断面的流量)；

F-过水断面(在实验中相当于砂柱横断面积)；

h-水头损失(h＝H₁-H₂，即上下游过水断面的水头差)；

L-渗透长度(上下游过水断面的距离)；

I-水力坡度(相当于

即水头差除以渗透长度)；

K-渗透系数。

此即达西公式。

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

据此及公式，达西定律也可以另一种形式表达之：

V = \frac{Q}{F} = KI

V称作渗透流速，其余各项意义同前。

式中各项的物理涵义为；

V：在上面引用水力学中的公式Q＝FV时，式中的过水断面F系指砂柱是横断面面积；在该横断面积中，包括砂粒所占据的面积及孔隙所占据的面积。由此可知，V并非实际流速，而是设水流通过整个断面F时的流速。

I：水力坡度为沿渗透途径的水头损失与相应渗透途径长度的比值。水在空隙中运动时，受到隙壁以及水质点自身的摩擦阻力，克服这些阻力保持一定流速，就要消耗机械能，从而产生水头损失。所以，水力坡度可以理解为水流通过某一长度渗透途径时，为克服摩擦阻力，保持一定流速以耗失的水头形式表现的机械能。在利用这一公式确定水力坡度时，应当注意，水头差h与渗透L必须对应。

I = \frac{H_{1} - H_{2}}{L} = \frac{h}{L}

K：从达西定律V＝KI可以看出，水力坡度I是无因次的，故渗透系数K的因次与渗透速度V相同，一般采用米/秒为单位。令I＝1，则V＝K。意即渗透系数为水力坡度等于1时的渗透流速。水力坡度为一定值时，渗透系数愈大，渗透流速就愈大。渗透流速为一定值时，渗透系数愈大，水力坡度愈小。由此可见，使用渗透系数可定量说明岩石的透水性能。渗透系数愈大，岩石的透水能力愈强。在空隙连通的前提下渗透系数与岩石中空隙的大小与多少有关。

此外水流在岩石空隙中运动，需要克服隙壁及水质点之间的摩擦阻力；所以，渗透系数不仅与岩石的空隙性质有关，还与水的某些物理性质有关。如果我们假想粘滞性不同的两种液体在同一岩石中运动时，则粘滞性大的液体渗透系数就会小于粘滞性小的液体。通常情况下研究地下水的运动时，由于水的物理性质变化不大，可以忽略，而把渗透系数看成单纯说明岩石渗透性能的参数。但在特殊条件下，例如在研究温热水运动时，由于温度升高加可使水的粘滞性显著降低，就不能加以忽略了，

渗透系数是表示含水层或透水层透水性能大小的指标，透水性是含水层允许重力水(重力水是指可以在自身重力作用下通过含水层孔隙，从高水位往低水位方向运动的那一部分水)自由通过的能力。渗透系数越大表明含水层透水性越好，而只有含水层中孔隙足够大，且相互联通的这部分孔隙才允许重力水通过(这部分孔隙又称为有效孔隙)。在天然状态下含水层中岩土颗粒是带负电荷的，而水是极性分子，由于正负电荷引力作用，可在岩土颗粒表面形成一层吸附水，吸附水在自身重力作用下是不能运动的，另外，在岩土颗粒间存在触点毛细水，较小的孔隙中存在孔角毛细水，触点毛细水和孔角毛细水由于毛细力的作用，也不能在自身重力作用下运动。吸附水、触点毛细水和孔角毛细水所占据的孔隙重力水也是无法通过的。因此，渗透系数大小与有效孔隙度密切相关。

授权公告号CN2727731Y公开了一种多功能道路材料渗透测定仪包括：套筒、套筒盖和水箱，多孔板、气囊、微差压计、连接管、真空泵、气管、抽水泵、进水管、出水管和安装于各管路上的阀门；所述多孔板设置在套筒中，所述气囊放置在多孔板上，所述微差压计经连接管设置在套筒侧壁外，连接处设置阀门，所述抽水泵和水箱进水管与套筒两端连通，连接处设置阀门，所述真空泵、阀门、真空表经气管与套筒连通，连接处设置阀门。该渗透仪是测定道路材料的渗透系数。张福海等《粗颗粒土渗透系数及土体变形仪的研制》(水利水电科技进展-第26卷-第4期)一文中提供了一种测试仪是用于水电工程材料的渗透测定。以上两种仪器均是在抽真空、密闭、加压的状态下测定渗透系数。在抽真空、加压条件下，很可能改变含水层的天然结构，破坏触点毛细水和孔角毛细水的分布状态，不适合用于测定天然条件下的含水层透水性能。上述两种仪器，均采用进水端和出水端的压力差来计算水力梯度，受进水端和出水端透水板影响以及进水端和出水端试样容易扰动的影响，测试精度也会受到影响。

JP2007147315A公开了《三轴围压作用下渗透实验装置及试验方法》，是一种模拟地下深部岩体在三轴围压力作用下测定岩体渗透性的装置。主要用于测定地下深部岩体在围岩高压应力下的渗透性能，(也可用于人工配制材料在三轴围压下的渗透性的测定)。可在同一压力系统支持下，同时测定三组岩样的渗透性。

在达西定律中，渗透速度与水力坡度的一次方成正比，为线性关系，这是层流运动的普遍定律。

目前验证达西定律测定渗透系数主要采用金属筒体，不能观察到所测样品的结构及试验水流循环过程，需要与筒体相接的外接供、排水系统，将被测岩样放入筒体中饱水后再进行测量。操作十分复杂，占地面积大，给排水系统土建费高，故而成本高，移动不便。

发明目的：

本发明的目的是为了提供一种能测定样品特别可同时测定二种样品并可形象地展现试验水流循环过程及渗流液体的运动要素，测定岩石的过水断面，水力坡度，渗透水量，从而计算渗透系数、渗透流速、观测研究样品的结构差异对渗透系数的影响及在渗流过程中的表现形式，同时验证达西定律、测定渗透系数的渗透系数测定仪。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明渗透系数测定仪，包括试验台，蓄水箱，带控制阀的进水主管，竖直装于试验台上的装有至少二根测压管的测压管支架，至少一套供水装置，至少一套渗流试验筒装置，渗流试验筒装置中有装在试验台上的渗流筒支架，装在渗流筒支架上的有上游测压管接口和下游测压管接口的渗流试验筒，渗流试验筒顶部有溢流筒、与溢流筒连通的溢流测流量管，试验筒的上、下游测压管接口分别通过连通管与相对应的测压管下端连通，供水装置中有装在试验台上的供水箱支架，第一定水头供水箱、第二定水头供水箱和第三定水头供水箱竖直向上依次排列固定在供水箱支架上，每个水箱中有供水腔和溢流腔，可以保持定水头供给试验用水，供水腔通过有进水控制阀的水箱进水管与进水主管连通而溢流腔通过溢流回水管与供水箱相通，供水腔通过渗流连通管与渗流试验筒底部进水腔渗流进孔连通，第一、第二水箱的渗流连通管上有渗流进水控制阀，渗流试验筒顶部有溢流筒，与溢流筒连通的溢流测水流量管，使含水层出水口水面保持衡定，满足试验过程中的稳定流条件。

上述的供水装置为一套，测压管为两根，渗流试验筒装置为一套，用一套供水装置和一套渗流试验筒装置便能测量出岩石的过水断面，水力坡度，渗透水量，从而计算出渗透系数，渗透流速。

上述的供水装置为二套、分别位于测压管支架的两侧对称装在试验台上，测压管为四根，渗流试验筒装置为二套，分别位于测压管支架的两侧对称装在试验台上，在二套渗流试验筒装置中的两渗流试验筒中装入不同级配的被测岩样，可以模拟两种不同渗透系数(K)的含水层，观测研究样品的结构差异对渗透系数的影响及在渗流过程中的表现形式，可以验证渗透系数的大小不仅与被测岩样有关，而且与渗透液体的粘度有关。

上述的渗流试验筒的下部有进水腔和透水板，可以使含水层获得均匀进水。

上述的渗流进水连通管相邻渗流试验筒上连接有带排水阀的排水管，实验完后，排空渗流试验筒中的水。

上述的渗流试验筒形状为圆柱体或正多面体，外形美观，实用。

上述的进水主管、水箱进水管、渗流进水连通管分别为透明刚性管，各水箱分别为透明水箱，渗流试验筒为透明刚性筒，直观。

根据达西定律，仪器要求可以测定试样的过水断面，水力坡度，渗透水量，从而计算渗透系数，渗透流速，验证达西定律，为达到上述目的，本发明设计了模拟含水层，闭路循环可调压的给排水系统，测压管排等。

本发明渗透系数测定仪工作时，1，确定渗透试验筒的横截面积即被测样品之横截面积F；2，测量上、下游测压管接出水口间的间距L；3，装样，先在渗流试验筒透水板上装2～3cm厚的砾石，再将欲试验的样品分层装入渗流试验筒中，每层3～6cm厚，夯实，使其尽量接近天然状态下的结构形式，然后分层装层至距渗流试验筒筒顶下2～3cm处，在样品上再装砾石将渗流试验筒全部装满，按上述方法在两渗流试验筒中装入不同的被测样品；4，饱和试样，每次试验前，先给试样进行饱水，使其水面高于渗流试验筒的溢水面，观察测压管水位与渗流试验筒的溢水面水位是否保持水平，若有气泡，需排除，调试至水平，方可使用本发明仪器；5，与第一定水头供水箱连接的水箱进水管上的供水控制阀打开，水经过第一水箱中的供水腔再通过渗流连通管从渗流试验筒底部进入渗流试验筒中，水在渗流试验筒中从下而上渗透，并经溢流测水流量管流出，当两测压管的水位稳定后，测得两测压管的水位差h＝H₁-H₂，同时测定溢流试验筒经溢流流量管溢出的水量Q(即渗透水量)，和渗透时间T，可计算出渗透速度V；6改变水头试验，按上述步骤5重复分别用第二、第三定水头供水箱供水进行试验。三次测定的结果，按达西公式计算出渗透系数值，若试验正确渗透系数为一常数。作图验证达西定律为直线渗透定律，以渗透速度V为纵坐标，以水力坡度

为横坐标，将两组试样的三次结果在同一坐标纸上给成V与I关系曲线，如试验为一过原点的直线，则表明仪器工作正常，试验正确。

如在两套渗流试验筒装置中的两渗流试验筒中装入相同的被测岩土但渗流液体不同，或装入不同的被测岩土但渗流液体相同，则可看出渗透系数的大小不但与被测岩土有关而且与渗透液体的粘度有关。

本发明具有如下优点：

1，通过稳定流条件下的渗流试验，进一步理解地下水线性层流服从的基本定律——达西定律，验证达西定律的正确性；

2，可以形象地展现渗流液体的运动要素；

3，加深理解渗透系数，渗透流速、测压管水头、水力坡度的几何意义及物理意义和相关关系；

4，用于测定岩土样品的渗透系数；

5，可移动，大大降低试验成本，操作十分方便。

本发明渗透系数测定仪不但可用于教学而且可用于科研和生产。

附图说明：

图1为本发明结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图2中的A-A剖视图。

图4为图3的B-B剖视图。

图5为图3的C-C剖视图。

图6为图3的D-D剖视图。

图7为图2中的E-E剖视图。

具体实施方式：

参见图1～图7，本发明渗透系数测定仪，包括试验台1，位于试验台下装有水泵2的蓄水箱3，带与水泵出水口连通的控制阀的进水主管4，竖直装于试验台上的装有四根测压管5的测压管支架6，对称位于测压管支架两端的二套供水装置7，对称位于测压管支架两端的二套渗流试验筒装置8。渗流试验筒装置8中有装在试验台上的渗流筒支架9，装在渗流筒支架上的有上游测压管接口10和下游测压管接口11的圆柱形渗流试验筒12。渗流试验筒顶部有溢流筒13、与溢流筒连通的溢流测流量管14。渗流试验筒下部有进水腔33和透水板15。试验筒的上、下游测压管接口分别通过二连通软管16与相对应的测压管底部连通，供水装置7中有装在试验台上的供水箱支架17，第一定水头供水箱18、第二定水头供水箱19和第三定水头供水箱20竖直向上依次排列固定在水箱支架上。每个水箱中有溢流挡板21将水箱分隔成供水腔22和溢流腔23。供水腔通过有进水控制阀24的水箱进水管25与进水主管连通而溢流腔通过溢流回水管26与蓄水箱相通。供水腔通过渗流连通管27与渗流试验筒底部渗流进孔28连通，第一、第二定水头供水箱的渗流连通管上有渗流控制阀29。

上述的进水主管、水箱进水管、渗流连通管分别为透明刚性管，各水箱分别为透明水箱，渗流试验筒为透明刚性筒。

参见图1，渗流连通管相邻渗流试验筒上连接有带排水阀30的排水管31。

参见图5，本渗透系数测定仪配制了量筒32，以测定渗透流量Q。

参见图7，在测压管支架上装有水位标尺34。

渗流试验筒形状也可为正多面体。

上述各实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims

1.渗透系数测定仪，其特征在于包括试验台，蓄水箱，带控制阀的进水主管，竖直装于试验台上的装有至少二根测压管的测压管支架，至少一套供水装置，至少一套渗流试验筒装置，渗流试验筒装置中有装在试验台上的渗流筒支架，装在渗流筒支架上的有上游测压管接口和下游测压管接口的渗流试验筒，渗流试验筒顶部有溢流筒、与溢流筒连通的溢流测流量管，试验筒的上、下游测压管接口分别通过连通管与相对应的测压管下端连通，供水装置中有装在试验台上的供水箱支架，第一定水头供水箱、第二定水头供水箱和第三定水头供水箱竖直向上依次排列固定在供水箱支架上，每个定水头供水箱中有供水腔和溢流腔，供水腔通过有进水控制阀的水箱进水管与进水主管连通而溢流腔通过溢流回水管与蓄水箱相通，供水腔通过渗流进水连通管与渗流试验筒底部渗流进孔连通，第一、第二定水头供水箱的渗流进水连通管上有渗流进水控制阀。

2.如权利要求1所述的渗透系数测定仪，其特征在于供水装置为一套，测压管为两根，渗流试验筒装置为一套。

3.如权利要求1所述的渗透系数测定仪，其特征在于供水装置为二套、分别位于测压管支架的两侧对称装在试验台上，测压管为四根，渗流试验筒装置为二套，分别位于测压管支架的两侧对称装在试验台上。

4.如权利要求1～3之一所述的渗透系数测定仪，其特征在于渗流试验筒的下部有进水腔和透水板。

5.如权利要求1～3之一所述的渗透系数测定仪，其特征在于渗流进水连通管相邻渗流试验筒上连接有带排水阀的排水管。

6.如权利要求1～3之一所述的渗透系数测定仪，其特征在于渗流试验筒形状为圆柱体或正多面体。

7.如权利要求1～3之一所述的渗透系数测定仪，其特征在于进水主管、水箱进水管、渗流进水连通管分别为透明刚性管，各定水头供水箱分别为透明水箱，渗流试验筒为透明刚性筒。