达西渗流实验
设计人：汪卓红程新颖
班级：土木结构0101
指导老师：毛根海教授
日期：2003年12月6日浙江大学建筑工程学院水利实验室
达西渗流实验
一实验目的
1 测定均质砂的渗透系数；
2 测定渗过砂体的渗流量与水头损失的关系，验证达西定律；
3 通过常水头线性渗流实验，进一步了解和掌握达西定律。
二实验装置
1---水泵及供水箱 2---常水头供水箱 3---可水平移动的标尺4---测压管 5---塑料平板 6---橡皮管
7---装砂圆筒 8---滤网 9---水桶
10---进水阀门 11---出水阀门 12---溢流管嘴本实验装置是采用半自动循环系统供水，设计简洁，但非常实用，实验结果可靠。
三实验原理
液体在孔隙介质中流动时，由于粘滞性作用将产生能量损失。
达西（Henri Darcy）在1852——1855年间通过实验，总结出渗流能量损失与渗流速度成一次方的线性规律，后人称为达西定律。
由于渗流流速很小，故流速水头可以忽略不计。
因此总水头H可用测管水头h来表示，水头损失hw可用测管水头差来表示，即
H=h=z+p/γ, hw=h1-h2=Δh
则水力坡度J可用测管水头坡度来表示：
J=hw/L=(h1-h2)/L=Δh/L
式中：L为两个测量管孔之间距离；h1与h2为两个侧压孔的测管水头。
达西通过大量实验，得到圆筒断面积A和水力坡度J成正比，并和土壤的透水性能有关，所建立基本关系式如下：
Q=KAJ
v=Q/A=kJ
式中v为渗流简化模型的断面平均流速；系数K为反映孔隙介质透水性能的综合系数，称为渗透系数。
实验中的渗流区为一圆柱形的均质砂体，属于均匀渗流，（本装置宜适用于中粗砂，细砂不是非常适合，因为常水头渗透实验本来就宜适用于粗土粒渗透系数的测定）可以认为各点的流动状
态是相同的，任一点的渗流流速u等于断面平均渗流流速，因此达西定律也可以表示为：
u=KJ
上式表明，渗流的水力坡度，即单位距离上的水头损失与渗流流速的一次方成正比，因此称为渗流线性定律。
四实验方法与步骤
1、准备熟悉实验装置各部分结构特征、作用性能，认识装砂圆筒内砂的种类，记录有关常数。
2、加水关闭进水阀门10，接通水泵的电源，待常水头供水箱内充满水时，关闭出水阀门11，缓缓打开进水阀门10，注意此时阀门10不宜打开过大，以免砂样向上浮涌。
待水浸透装砂圆筒内全部砂体时，关闭阀门10。
3、排气静置数分钟，检查各测压管水位是否与装砂圆筒内的水面齐平，如不齐平，说明仪器有集气或漏气，需挤压测压管上的橡皮管，或用吸球在测压管上部将集气吸出，调至水位齐平为止。
4、测读数据在出水管12下放上烧杯，打开阀门10少许（流量不宜过大），使水缓慢由出水管12流入烧杯，待测压管水位稳定后（此时供水箱2应保持溢流，以使实验水头恒定，并且保持装砂圆筒7内的水面处于平静状态）测记各水位。
然后移开烧杯，用秒表与量筒测量出水管12流出的渗流水量，同时测记
供水箱2内水温，并重复一次。
接水时，出水管12出水口不浸
入水中。
5、改变水头重复实验调节阀门10的大小，再重复步骤
4两次并记录相关数据，注意每次调节阀门10时不宜过大，以
免砂样向上浮涌，同时还需注意供水箱2内的水面始终保持溢
流，并且保持装砂圆筒7内的水面处于平静状态。
6、排水关闭电源，关闭阀门10，同时打开阀门11待装砂圆
筒内水排尽后，打开阀门10，使供水箱内水排尽。
注意由于装砂圆筒内排出的水含有少量砂粒，不宜将此水倒入水泵水箱内，应倒入水池，重新打水加入水泵水箱中。
整理实验台，实验结束。
附：本实验考虑到时间比较长，装砂的过程已略，我们事先已经装好砂子。
如果真的要亲自动手装砂，请参考相关标准，务必注意将砂子装结实，且没有气泡存在于其中。
五实验成果及要求
基本常数：筒径D=20.0 cm,测孔间距L=10.0 cm.
本装置中砂子的种类为：粗砂。
附：渗透系数修正为标准温度20 ℃时的公式：k20 =k tηt/η20其中ηt，η20 为t℃和20℃时水的动力粘滞系数。
相关情况见附表。
六实验分析与讨论
1 装砂圆筒垂直放置、倾斜放置或水平放置，对实验测得的Q、v、J与渗透系数K值有影响吗？
参考解答：装砂圆筒垂直放置、倾斜放置或水平放置，对实验测得的Q、v、J有影响。
这是因为在整个系统达到渗流以后，装砂圆筒垂直放置、倾斜放置或水平放置时，（供水箱的水头不变）相当于改变了砂筒溢流水面的高度，也就是改变了供水箱水头和砂筒溢流水面水头的高度差ΔH，这样的话，渗流流速v就会改变，从而流量Q、水力坡降J也会相应改变。
但是装砂圆筒垂直放置、倾斜放置或水平放置，对渗透系数K值却是没有影响的，这是因为渗透系数K是砂子的内在属性，不会受外界因素的影响。
2常水头渗透适用于测量沙土的渗透系数，变水头渗透适用于测量粘土和粉土的渗透系数，本装置也可粗略地测量粘土和粉土的渗透系数，问如何操作？
参考解答：本装置还可以粗略地当作变水头装置来使用，用来
测量粘土的渗透系数。
使用时，下部进水口处，上部溢流口处和第一个、第三个接测压管的小孔需密封，只留第二个小孔连接测压管及下部的出水孔。
这样就可以粗略地测量粘土的渗透系数，但是这样变化来的变水头装置，不是很符合国标的相关要求。
不过粗略地测量应该是可以的。
3 若要确定达西定律的适用范围，实验应如何进行？
参考解答：本实验若要确定达西定律的适用范围，就需要通过进水阀门来调节流量，多测几组数据，算出相关的v、J,然后绘出v—J关系曲线，通过关系曲线即可确定最大的流速v，从而确定最大流量Q，这个就是达西定律适用的最大流速v（或流量Q）。
具体确定最大流速v的方法及原理叙述如下：达西线性渗流的v—J关系曲线为一直线，当我们实验测得多组数据，做出v—J 关系曲线时，我们会发现所绘曲线先是一条直线，接着在某一点处发生弯曲，以后就不成直线关系。
则该弯曲点所对应的v即为最大流速。