測定影響
滲透系數k 是一個代表土的滲透性強弱的定量指标,也是滲流計算時必須用到的一個基本參數。不同種類的土,k 值差别很大。因此,準确的測定土的滲透系數是一項十分重要的工作。
測定方法
滲透系數的測定方法主要分“實驗室測定”和“野外現場測定“兩大類。
1.實驗室測定法
目前在實驗室中測定滲透系數 k 的儀器種類和試驗方法很多,但從試驗原理上大體可分為”常水頭法“和"變水頭法"兩種。
常水頭試驗法就是在整個試驗過程中保持水頭為一常數,從而水頭差也為常數。 如圖:
試驗時,在透明塑料筒中裝填截面為A,長度為L的飽和試樣,打開水閥,使水自上而下流經試樣,并自出水口處排出。待水頭差△h和滲出流量Q穩定後,量測經過一定時間 t 内流經試樣的水量V,則
V = Q*t = ν*A*t
根據達西定律,v = k*i,則
V = k*(△h/L)*A*t
從而得出
k = q*L / A*△h=Q*L /( A*△h)
常水頭試驗适用于測定透水性大的沙性土的滲透參數。粘性土由于滲透系數很小,滲透水量很少,用這種試驗不易準确測定,須改用變水頭試驗。
變水頭試驗法就是試驗過程中水頭差一直随時間而變化,其裝置如圖:
水從一根直立的帶有刻度的玻璃管和U形管自下而上流經土樣。試驗時,将玻璃管充水至需要高度後,開動秒表,測記起始水頭差△h1,經時間 t 後,再測記終了水頭差△h2,通過建立瞬時達西定律,即可推出滲透系數 k 的表達式。
設試驗過程中任意時刻 t 作用于兩段的水頭差為△h,經過時間dt後,管中水位下降dh,則dt時間内流入試樣的水量為
dVe = -a dh
式中 a 為玻璃管斷面積;右端的負号表示水量随△h的減少而增加。
根據達西定律,dt時間内流出試樣的滲流量為:
dVo = k*i*A*dt = k*(△h/L)*A*dt
式中,A——試樣斷面積;L——試樣長度。
根據水流連續原理, 應有dVe = dVo,即得到
k = (a*L/A*t)㏑(△h1/△h2)
或用常用對數表示,則上式可寫為
k = 2.3*(a*L/A*t)lg(△h1/△h2)
2. 野外現場測定法
滲水試驗(infiltration test)一般采用試坑滲水試驗,是野外測定包氣帶松散層和岩層滲透系數的簡易方法。試坑滲水試驗常采用的是試坑法、單環法、和雙環法。
試坑法
是在表層幹土中挖一個一定深度(30-50厘米)的方形或圓形試坑,坑底要離潛水位3-5米,坑底鋪2一3厘米厚的反濾粗砂,向試坑内注水,必需使試坑中的水位始終高出坑底約10厘米。為了便于觀測坑内水位,在坑底要設置一個标尺。求出單位時間内從坑底滲入的水量Q,除以坑底面積F,即得出平均滲透速度v=Q/F。當坑内水柱高度不大(等于10厘米)時,可以認為水頭梯度近于1,因而K(滲透系數)=V。這個方法适用于測定毛細壓力影響不大的砂類土,如果用在粘性土中,所測定的滲透系數偏高。
單環法
是試坑底嵌入一個高20厘米,直徑35.75厘米的鐵環,該鐵環圈定的面積為1000平方厘米。鐵環壓入坑底部10厘米深,環壁與土層要緊密接觸,環内鋪2一3厘米的反濾粗砂。在試驗開始時,用馬利奧特瓶控制環内水柱,保持在10厘米高度上。試驗一直進行到滲入水量Q固定不變為止,就可以按下式計算滲透速度:v=Q/F,所得的滲透速度即為該松散層、岩層的滲透系數值。
雙環法
是試坑底嵌入兩個鐵環,增加一個内環,形成同心環,外環直徑可取0.5米, 内環直徑可取0.25米。試驗時往鐵環内注水,用馬利奧特瓶控制外環和内環的水柱都保持在同一高度上,(例如10厘米)。根據内環取的的資料按上述方法确定松散層、岩層的滲透系數值。由于内環中的水隻産生垂直方向的滲入,排除了側向滲流帶的誤差,因此,比試坑法和單環法精确度高。内外環之間滲入的水,主要是側向散流及毛細管吸收,内環則是松散層和岩層在垂直方向的實際滲透。
當滲水試驗進行到滲入水量趨于穩定時,可按下式精确計算滲透系數(考慮了毛細壓力的附加影響):K(滲透系數)= QL/ F(H+Z+L)。
式中:
Q-----穩定的滲入水量(立方厘米/分);
F------試坑内環的滲水面積(平方厘米);
Z-----試坑内環中的水厚度(厘米);
H-----毛細管壓力(一般等于岩土毛細上升高度的一半)(厘米);
L-----試驗結束時水的滲入深度(試驗後開挖确定)(厘米)。
主要應用
地下水流速與滲透理論計算法
地下水流速的确定:在地下水等水位圖上的地下水流向上,求出相鄰兩等水位線間的水力梯度,然後利用公式計算地下水的流速V=kI
式中:V---地下水的滲流速度(m/d)
K---滲透系數(m/d)
I----水力梯度。