双层介质渗透试验指导书.doc
文本预览下载声明
PAGE
PAGE 4
《地下水动力学（英）》课程
双层介质渗透实验指导书
同济大学土木工程学院地质工程专业
2009．3
双层介质渗透实验指导书
一、前 言
地下工程实践活动中，渗流问题普遍存在。如渗流会影响土石坝、边坡的稳定性；影响岩土体强度；基坑开挖、地下室构筑，以及竖井、地道等穿越含水层等工程活动均需要考虑地下水渗流影响。此外，渗流还会引发流沙、流土、管涌等现象，并对地下水水资源保护和地下水污染防治等具有不可忽视的作用。
法国学者Henry Darcy于1856年通过长期实验获得了水在多孔介质中的渗透定律，即著名的达西定律，奠定了地下水渗流运动的理论基础。开展室内渗透（达西）实验教学对于学生熟悉渗流的基本原理，掌握《地下水动力学》稳定流、非稳定流定量分析理论具有至关重要的意义。
此前的达西定律教学实验一般采用的渗透实验装置是20世纪50年代生产的戚姆仪，可以采用常规方案求得单一介质的平均渗透系数。然而，自然界中渗流往往存在于双层或多层介质结构的含水层中。为了真实地反映实际情况，提高实验模拟效果，同时更好地发挥实验中学生的主观能动性，本实验要求学生采用多功能渗透实验仪，根据不同的渗透介质、渗流方向和实验方法，自行设计、选择不同的组合进行实验并对结果进行综合分析。
二 、多功能渗透仪与实验方案
1. 实验设备
多功能渗透实验仪采用透明样室，样室侧壁上分上、下两段共安装有四根测压管（见图1）；根据实验要求，样室内可以装填一种或两种试样进行渗透实验，装填两种试样时，可同时测定两层试样的渗透参数。
依据渗透介质（单一介质、两种介质（双层介质组合时，两种介质可上、下互换位置））、渗流方向（渗透水流可以从下至上或从上向下）、实验方法（常水头法或变水头法）等，可组合出12种不同的实验方案。具体实验中，学生可以根据选定的渗透介质、渗流方向和实验方法，自行设计、选择具体实验方案完成渗透实验并对结果进行综合分析。
2. 基于多功能渗透实验仪达西定律实验方案
采用上述实验设备，按照渗透介质：单一介质、两种介质（双重介质组合时，两种介质可上、下互换位置）；渗流方向：渗透水流可以从下至上或从上到下；水头性质：常水头和变水头实验等，排列组合出12种实验方案（表1）。通过上述方案实验，均可获取相应工况下试样的渗透参数。
样室溢水口测压管
样室
溢水口
测压管
水 箱
图1 多功能渗透实验仪原理示意图
表1 排列组合出的12种实验方案
试样
渗透系数
实验种类
渗流方向
编号
单一均质介质
K1=K
常水头渗透实验
上→下
（1）
下→上
（2）
变水头渗透实验
上→下
（3）
下→上
（4）
两种介质组合
K1K
常水头渗透实验
上→下
（5）
下→上
（6）
变水头渗透实验
上→下
（7）
下→上
（8）
K1K
常水头渗透实验
上→下
（9）
下→上
（10）
变水头渗透实验
上→下
（11）
下→上
（12）
三、双层介质渗透实验
图1中，测压管1、2及3、4之间的两段试样，可以看作两层介质。设两层试样厚度为和，各层试样的竖向渗透系数分别为和；渗流量为和，根据渗流连续性原理，通过整个试样渗流量应该等于各层的渗流量：
（3.1）
假设渗流通过两层试样的水头损失分别为和，则作用在两层试样上的水力梯度分别为：
（3.2a）
（3.2b）
根据达西定律， 两种试样的渗透系数分别为：
（3.3a）
（3.3b）
由于作用在两段试样上的总水头损失为：
（3.3）
所以：
（3.4）
式中：为两层（段）介质的总厚度。
将（3.1）带入（3.4）：
（3.5）
整理可得双层试样的竖向平均渗透系数为：
（3. 6）
四、实验步骤
1．参照实验装置示意图，在直立圆筒中底部安装一块滤板（滤层），再装入均质砂（两种介质实验时，先装入第一层砂至标志处，放第二块滤板，再装填第二种砂至设计高度）；安装带溢水装置的供水桶；
2．记录实验基本常数，包括实验样室内径 D 、测管间距：、和（图1）及砂样有效粒径、孔隙率与水温；
3．开启供水管阀门，使样室充满水（样室上端溢水处于溢水状态）；记录测压管稳定水头，并采用体积法测定渗流量；改变流量（一般按流量从大到小顺序）重复上述步骤进行实验过程，重复次数
显示全部