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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,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。
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
10~10
低塑性粘土和粉土
10~10
中塑性粘土和粉土
10~10
高塑性粘土和粉土
10~10
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