CN110907326A - 达西渗流测定的自循环试验装置 - Google Patents

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冯进平
白振涛
何新林
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李小龙
李鹏飞
苏婧文
董遥
李智杰
蔡蕊
贾飞飞
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Abstract

本发明涉及实验室土壤实验设备领域，用于演示并验证达西定律的试验装置。一种达西渗流测定的自循环试验装置，包括固定板架、供水装置、达西仪筒体、测压管、量筒；所述固定板架的结构包含空心底座、立板，所述立板的板面上设有刻度尺；所述供水装置包含储水槽、水泵、方形供水槽，所述方形供水槽可上下滑动连接于立板上，所述达西仪筒体置于空心底座上，上端开口周边设有环形水槽，所述达西仪筒体壁上设有不同高度的三个水压孔，分别与外侧的三个测压管相连通；所述方形供水槽上的出水管，与所述达西仪筒体底部的进水孔相连通。本发明结构合理,可适用于学校教学、实验室演示，操作方便，能够满足实际需要、经济实用。

Description

达西渗流测定的自循环试验装置
技术领域
本发明涉及实验室土壤实验设备领域，具体而言，是一种用于演示并验证达西定律,关于达西渗流测定的自循环试验装置。
背景技术
1856年，法国工程师达西进行了水通过饱和砂的实验研究，发现了圆筒过水断面的渗流量与圆筒断面和水力坡度成正比，并和土壤的透水性能有关。此实验被称为达西实验，可以用来测定岩石的渗透系数。
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，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。为了教学需要，需要一种适合实验室内使用，便于学生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，从而可验证达西定律，提高学生对直线渗透定律的理解的教学用具，本发明就是为此而设计的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构合理、经济实用，能够较好地测定试验样本的渗透系数值，通过渗流量和水头损失的关系，用于演示并验证达西定律，能实现准确快速测量的达西渗流测定的自循环试验装置。
一种达西渗流测定的自循环试验装置，其特征在于主要包括固定板架、供水装置、达西仪筒体、测压管、量筒；
所述固定板架的结构包含空心底座、立板，所述立板的板面上设有刻度尺；
所述供水装置包含储水槽、水泵、方形供水槽，所述水泵置于储水槽内，所述方形供水槽可上下滑动连接于立板上，所述方形供水槽的结构包含上端开口的方形槽体，方形槽体内设有竖向隔板，所述竖向隔板的上沿低于所述方形槽体的上沿，所述竖向隔板将方形槽体空间分为前室与后室，所述方形槽体后侧壁设有供水孔，供水孔上设有管状供水嘴，所述供水嘴穿过后室连通前室，从水泵引出的输水管，与所述供水嘴相连通，使得水泵里的水通过供水嘴进入前室；所述前室及后室的底部，分别设有出水孔、回水孔，所述出水孔连接有出水管，所述回水孔连接有回水管，所述回水管与储水槽相连通；
所述达西仪筒体置于空心底座上，所述达西仪筒体上端开口，下端设有进水孔，上端开口周边设有环形水槽，所述环形水槽的槽底低于达西仪筒体的上端开口，所述环形水槽上设有溢水孔，溢水孔通过溢水管与量筒相连通；所述达西仪筒体内设有过滤板，过滤板上放置试验样本；所述达西仪筒体壁上设有不同高度的三个水压孔，分别与外侧的三个测压管相连通，三个所述测压管分别与立板固定连接；
所述方形供水槽上的出水管，与所述达西仪筒体底部的进水孔相连通。
作为优选，所述的方形供水槽的后侧设有延长壁，所述延长壁上设有螺孔，螺孔上设有顶紧螺栓，所述延长壁靠近所述立板侧壁，通过顶紧螺栓与立板侧壁相对固定。将顶紧螺栓拧松或拧紧，可以使得方形供水槽上下调节固定位置。
作为优选，三个所述测压管的形状，均是包含水平管、直立管两部分组成的“L”型折管，三个所述测压管的直立管部分，分别与立板固定连接。
作为优选，所述方形供水槽背后的立板上开有穿洞，所述出水管、回水管从穿洞中穿过。
作为优选，所述的空心底座上设有穿孔，所述方形供水槽上的出水管穿过空心底座上的穿孔，从空心底座内部与所述达西仪筒体底部的进水孔相连通。
作为优选，所述的出水管上设有阀门。
作为优选，所述达西仪筒体内部所放置的试验样本，为砾石层、粗砂层或砾石粗砂混合层交替铺设形成的样本层，最下层为粗砂层，每层层高为2～3cm，砾石的粒径为5～10mm，粗砂的粒径为0.6～0.8mm。
本发明设计了一种演示并验证达西定律的试验装置，是在达西定律原理基础上设计的。操作时收集从溢流孔流出的水量并计时，将实验测得的渗流速度与达西定律计算的渗流速度进行对比，即可验证达西定律；达西仪筒体内装有实验样土,在达西仪筒体的不同高度连接测压管，来测量样土对应位置的水压，由此验证渗流速度与压力的线性关系。
本发明在使用时，包括以下步骤：
(1)、测量仪器的几何侧参数：实验用达西仪筒体的内径D、测土柱渗透距离L、测孔间距Lab、Lbc并记录。
(2)、装填试样：将试验样土分层(每层厚约2～3厘米)送入有机玻璃筒，每层均用捣棒轻轻捣实,以控制孔隙比。直至试验样土装到高出最上测压孔3～4厘米为止。
(3)、饱和试样：
启动水泵，将储水槽里面的水供给进入方形供水槽，将方形供水槽在立板上移动，使其管口高于溢水孔，打开阀门使水由仪器底部的出水管向上渗透，到水面与溢水孔齐平为止，多出的水由溢水孔流出，检查测压管水位是否同一水平，各测压管水位相差0.5毫米以内为准，否则表示仪器内有漏水或集气现象，应设法纠正。
(4)、调试仪器：
调整方形供水槽高度，打开进水阀门,水充满整个试验样本后通过样本渗透，溢流孔7会有水流出，此时达西仪筒体的有机玻璃筒水面保持不变。测压管A、测压管C读数之差最大，使测压管A、B的水头与测压管B.C的水头差相等。
(5)测定水头：
待A、B、C三个测压管的水位稳定后(在5分钟内测压管水位变动不超过0.5亳米，或两次所测流量差不超过5％为准),读出个测压管的水头值(读弯月面下缘估计到0.1厘米),并计算各测压管间的水位差。
把A、B、C三个测压管的水位的数值读写出来，记录到下表中：
水头损失hw＝h1-h2＝Δh；水力坡度
Figure BDA0002289354830000031
其中L为测土柱渗透距离，h1、h2为两个测压孔的测压水头读数。
(6)、测定流量：
在进行步骤(5)的同时，利用秒表和量筒测量t时间内从达西仪筒体中流出到量筒的水的体积，及时计算流量Q。连测3次，使流量的相对误差小于5％,取平均值。
Figure BDA0002289354830000032
Figure BDA0002289354830000033
其中Q为流量，A为过水断面面积，J为水力坡度，K为渗透系数，V为断面平均流速。
(7)、将方形供水槽的位置由高调低、改变A、B、C三个测压管的读数，重复步骤(5)和(6)3次，即完成了3次实验，取3组实验数据。
(8)、计算实验数据，计算土壤渗透系数和验证达西定律，取多次实验渗透系数平均值，作为实验样本的平均渗透系数。表中Δh1＝ha-hb；Δh2＝hb-hc；
Figure BDA0002289354830000034
Figure BDA0002289354830000035
Δh为方形供水槽顶水位与样土柱溢流面水位差。
表1渗透系数计算表
Figure BDA0002289354830000036
表2水力坡度计算表
Figure BDA0002289354830000041
分析同一实验测得相关的数据，给出渗流速度v和水力坡度J的关系曲线，并在同一坐标系内绘出三种试样的v-J曲线，并用这些曲线分别求出渗透系数K值。
完成实验目的:
1、测定试验样土柱的渗透系数K值；
2、测定通过试验样土柱渗流量与水头损失的关系，验证渗透的达西定律v＝KJ。
本发明中的达西仪筒体：一般为有机玻璃圆筒，顶部开孔，顶端设有开口的环形水槽环绕在外部，防止水量过多时导致漫出。三个测压管子被固定在支架上，与达西仪筒体的三个测压孔进行连接，即可测得当时的水流压力，测压管后有一个刻度尺，可以进行读数。水泵从储水槽中抽水，通过输水管进行输水进入方形供水槽内。方形供水槽中间有一个竖向隔板，供水嘴将来水导入前室内,当水面达到一定高度漫过竖向隔板时，水可进入后室,进而通过回水管回流，进入储水槽循环使用，出水管的水通过进水孔进入达西仪筒体,从下部进行渗流供水。所述方形供水槽可以根据需要，通过手动调整与立板相连接的顶紧螺栓，将方形供水槽的上下位置进行移动，来改变实验水头与流量。
所述达西仪筒体中装入均质样土砂，底部装一块滤板，实验用水由方形供水槽的出水管供水，恒定水流由样土砂体下部进入，渗过样土砂体的水由达西仪筒体顶溢出，用量筒与停表测定渗流量，在达西仪筒体侧壁上装三只测压管，以测定渗流水头损失。
本发明结构简单，使用方便，可以测定样土均质沙柱的渗透系数的值。
本发明是一种用于演示并验证达西定律的自循环渗流试验装置，可以测定均质沙柱的渗透系数值，通过渗流量和水头损失的关系，验证渗流的达西实验。其结构合理,可适用于学校教学、实验室演示使用，操作方便，能够满足实际需要，是一种经济实用的达西渗流测定的自循环试验装置。
附图说明
图1为本发明主视结构示意图。
图2为图1的俯视结构示意图。
图3为本发明结构中达西仪筒体的剖视结构示意图。
图4为图1中方形供水槽的剖视结构示意图。
图5为方形供水槽的俯视结构示意图。
图6为本发明实验获得的渗流速度v和水力坡度J的关系曲线图。
图中所示：1为空心底座,2为进水孔，3为过滤板,4为量筒,5为达西仪筒体,6为溢水管,7为溢水孔,8为水压孔c,9为水压孔b,10为水压孔a，11为环形水槽，12为测压管A，13为测压管B，14为测压管C，15为刻度尺，16为立板，17为顶紧螺栓，18为方形供水槽，19为出水孔，20为穿洞，21为输水管，22为出水管，23为储水槽，24为水泵，25为阀门，26为穿孔，27为直立管，28为水平管，29为回水管，30为竖向隔板，31为供水嘴，32为延长壁，33为方形槽体，34为供水孔，35为后室，36为回水孔，37为出水孔，38为前室，39试验样土。
具体实施方式
实施例1：
参照图1－图5，为本发明实施例的结构示意图，一种达西渗流测定的自循环试验装置，主要包括固定板架、供水装置、达西仪筒体5、测压管、量筒4；
所述固定板架的结构包含空心底座1、立板16，所述立板16的板面上设有刻度尺15；
所述供水装置包含储水槽23、水泵24、方形供水槽18，所述水泵24置于储水槽23内，所述方形供水槽18可上下滑动连接于立板16上，所述方形供水槽18的结构包含上端开口的方形槽体33，方形槽体内设有竖向隔板30，所述竖向隔板30的上沿低于所述方形槽体33的上沿，所述竖向隔板30将方形槽体33空间分为前室38与后室35，所述方形槽体33后侧壁设有供水孔34，供水孔34上设有管状供水嘴31，所述供水嘴31穿过后室35连通前室38，从水泵24引出的输水管21，与所述供水嘴31相连通，使得水泵24里的水通过供水嘴31进入前室38；所述前室38及后室35的底部，分别设有出水孔37、回水孔36，所述出水孔37连接有出水管22，所述回水孔36连接有回水管29，所述回水管29与储水槽23相连通；
所述达西仪筒体5置于空心底座1上，所述达西仪筒体5上端开口，下端设有进水孔2，上端开口周边设有环形水槽11，所述环形水槽11的槽底低于达西仪筒体5的上端开口，所述环形水槽11上设有溢水孔7，溢水孔7通过溢水管6与量筒4相连通；所述达西仪筒体5内设有过滤板3，过滤板3上放置试验样土39；所述达西仪筒体5壁上设有不同高度的三个水压孔，分别与外侧的三个测压管相连通，三个所述测压管分别与立板16固定连接；
所述方形供水槽18上的出水管22，与所述达西仪筒体5底部的进水孔2相连通。
所述的方形供水槽18的后侧设有延长壁32，所述延长壁32上设有螺孔，螺孔上设有顶紧螺栓17，所述延长壁32靠近所述立板16侧壁，通过顶紧螺栓17与立板16侧壁相对固定。
三个所述测压管的形状，均是包含水平管28、直立管27两部分组成的“L”型折管，三个所述测压管的直立管27部分，分别与立板16固定连接。
所述的空心底座1上设有穿孔26，所述方形供水槽18上的出水管22穿过空心底座1上的穿孔26，从空心底座1内部与所述达西仪筒体5底部的进水孔2相连通。
所述的出水管22上设有阀门25。所述达西仪筒体5内部所放置的试验样土39，为砾石层、粗砂层或砾石粗砂混合层交替铺设形成的样本层，最下层为粗砂层，每层层高为2～3cm，砾石的粒径为5～10mm，粗砂的粒径为0.6～0.8mm。
三个测压管连接于达西仪筒体5上是等间距的，并且测压管被固定在立板16上，后面还有刻度尺15可以查看读数。
所述方形供水槽18连接有三个管子，其中一个为输水管21，连接储水槽23，通过水泵24来进行输水；另一个为出水管22，连接达西仪筒体5底部的进水孔2，将方形供水槽18中的水输入达西仪筒体5；还有一个连接供水孔34，当方形供水槽18前室38里面的水位到达一定高度时候，多出来的水会通过竖向隔板30溢流入后室35，从回水管29返回到储水槽23，并且方形供水槽18可以通过手动调整顶紧螺栓17来移动上下位置，用来改变实验水头与流量。
所述达西仪筒体5为透明壳体，底部固定于空心底座1上，所述进水孔2刚好与空心底座1上的穿孔26位置相对应，所述出水管22从穿孔26中穿出，与进水孔2相连通，在达西仪筒体5的中下部所设置的过滤板3与底部间隔一定距离，形成一个存水处，水流可以通过存水处均匀的往实验样土中渗透。
实施例2:
与实施例1相比，其不同地方在于：所述方形供水槽18背后的立板16上开有穿洞20，所述出水管22、回水管29从穿洞20中穿过，便于管路的通行。

Claims (10)

1.一种达西渗流测定的自循环试验装置，其特征在于主要包括固定板架、供水装置、达西仪筒体、测压管、量筒；
所述固定板架的结构包含空心底座、立板，所述立板的板面上设有刻度尺；
所述供水装置包含储水槽、水泵、方形供水槽，所述水泵置于储水槽内，所述方形供水槽可上下滑动连接于立板上，所述方形供水槽的结构包含上端开口的方形槽体，方形槽体内设有竖向隔板，所述竖向隔板的上沿低于所述方形槽体的上沿，所述竖向隔板将方形槽体空间分为前室与后室，所述方形槽体后侧壁设有供水孔，供水孔上设有管状供水嘴，所述供水嘴穿过后室连通前室，从水泵引出的输水管，与所述供水嘴相连通，使得水泵里的水通过供水嘴进入前室；所述前室及后室的底部，分别设有出水孔、回水孔，所述出水孔连接有出水管，所述回水孔连接有回水管，所述回水管与储水槽相连通；
所述达西仪筒体置于空心底座上，所述达西仪筒体上端开口，下端设有进水孔，上端开口周边设有环形水槽，所述环形水槽的槽底低于达西仪筒体的上端开口，所述环形水槽上设有溢水孔，溢水孔通过溢水管与量筒相连通；所述达西仪筒体内设有过滤板，过滤板上放置试验样土；所述达西仪筒体壁上设有不同高度的三个水压孔，分别与外侧的三个测压管相连通，三个所述测压管分别与立板固定连接；
所述方形供水槽上的出水管，与所述达西仪筒体底部的进水孔相连通。
2.如权利要求1所述的达西渗流测定的自循环试验装置，其特征在于所述的方形供水槽的后侧设有延长壁，所述延长壁上设有螺孔，螺孔上设有顶紧螺栓，所述延长壁靠近所述立板侧壁，通过顶紧螺栓与立板侧壁相对固定。
3.如权利要求1或2所述的达西渗流测定的自循环试验装置，其特征在于三个所述测压管的形状，均是包含水平管、直立管两部分组成的“L”型折管，三个所述测压管的直立管部分，分别与立板固定连接。
4.如权利要求1或2所述的达西渗流测定的自循环试验装置，其特征在于所述方形供水槽背后的立板上开有穿洞，所述出水管、回水管从穿洞中穿过。
5.如权利要求3所述的达西渗流测定的自循环试验装置，其特征在于所述方形供水槽背后的立板上开有穿洞，所述出水管、回水管从穿洞中穿过。
6.如权利要求1或2所述的达西渗流测定的自循环试验装置，其特征在于所述的空心底座上设有穿孔，所述方形供水槽上的出水管穿过空心底座上的穿孔，从空心底座内部与所述达西仪筒体底部的进水孔相连通。
7.如权利要求5所述的达西渗流测定的自循环试验装置，其特征在于所述的空心底座上设有穿孔，所述方形供水槽上的出水管穿过空心底座上的穿孔，从空心底座内部与所述达西仪筒体底部的进水孔相连通。
8.如权利要求1或2所述的达西渗流测定的自循环试验装置，其特征在于所述的出水管上设有阀门。
9.如权利要求7所述的达西渗流测定的自循环试验装置，其特征在于所述的出水管上设有阀门。
10.如权利要求9所述的达西渗流测定的自循环试验装置，其特征在于所述达西仪筒体内部所放置的试验样土，为砾石层、粗砂层或砾石粗砂混合层交替铺设形成的样本层，最下层为粗砂层，每层层高为2～3cm，砾石的粒径为5～10mm，粗砂的粒径为0.6～0.8mm。
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