在实验中用达西实验装置

1. 渗流定律

（一）直线渗透定律

在渗流运动的研究中，该定律应用最为广泛。它是由达西通过试验求得的，也称达西定律。

1.达西定律（线性渗透定律）

1856年，法国水力工程师亨利·达西通过如图1-7所示装置的试验得到。试验将均质砂土装入直圆筒，在一维流条件下，经过不同流量的稳定流多次试验，得出关系式：

地下水动力学

图1-7 达西实验装置

式中：Q为流量，单位m³/d；K为均质砂的渗透系数，单位m/d；ω为筒的横截面积或渗流过水断面面积，单位m²；H₁，H₂为在渗流运动方向上相邻为L的过水断面1和2处的渗流水头值（m）；

为两过水断面间的水力坡度，既可看做是平均值，也可认为是其间任一断面上的水力坡度。这就是著名的达西定律。

式（1-19）可改写为

Q=KωJ （1-19a）

亦可改写为

V=KJ （1-19b）

该式表明，渗流速度V与水力坡度J呈线性关系，所以达西定律又称直线渗透定律。

2.达西定律讨论

（1）定律的微分形式

在均质各向同性含水介质中，呈一维流时：

地下水动力学

在均质各向同性含水介质中，呈二维流时：

地下水动力学

在均质各向同性含水介质中，呈三维流时：

地下水动力学

达西定律是在稳定运动条件下得到的。当渗流运动为非稳定运动时，任意瞬时渗流场中任一点处渗流速度与水力坡度的关系仍可用式（1-20）表示，只是渗流速度与水力坡度都随时间在变化。

（2）定律适用范围上限

近年来研究成果表明，达西定律并不是在所有的层流中都适用。当雷诺数（Re）增大时，水流的惯性力作用增强，尽管水流仍保持层流状态，但渗流速度与水力坡度之间不再是线性关系，此时达西定律不适用。因此，惯性力小到可以忽略不计是达西定律适用条件之一。

由于介质空隙大小、形式、延伸方向等具随机性，随着雷诺数增大，孔隙中运动水流的临界雷诺数变化范围很大。若采用与有压流雷诺数相同的公式形式，则有：

地下水动力学

式中：Re为雷诺数；d为空隙介质固体颗粒的平均粒径，由实验求得；ν为水的运动黏滞系数；V为渗流速度。

当Re＜10时，黏滞力起主导作用，水流保持层流状态，服从直线渗透定律。当Re＞10时，虽仍保持层流状态，但渗流速度与水力坡度的关系应为

，为非线性层流状态，如图1-8所示。此时，直线渗透定律已不适用。

图1-8 J=f（V）关系曲线

图1-9 粘土（含水率34.5%）的渗透试验成果

（3）定律适用范围下限

在黏性土中由于结合水的存在，必须在较大的水力坡度作用下，才能克服结合水的“堵塞”。由于有效过水断面的变化（由小到大趋于某一定值），使水流运动由最初偏离直线渗透定律到过水断面稳定不变时，又符合直线渗透定律（图1-9）。把又符合直线渗透定律时的水力坡度作为定律适用下限。

3.达西定律的实质

根据

地下水动力学

得到

地下水动力学

把该式与伯诺里能量方程（H₁=H₂+h_w1-2）相比可知，

就是上、下游断面间水头损失h_w1-2。显然，水头（或能量）损失的大小与渗流速度、渗流途径长度成正比，与空隙介质的透水性能成反比。达西定律实质上就是渗流的能量守恒或能量转换定律。

4.关于渗透系数与渗透率

（1）渗透系数（K）

达西定律中的渗透系数K，是表示含水介质透水性能的重要水文地质参数。

由V=KJ知，当水力坡度（J）为1时，V=K，所以渗透系数具有渗透速度的量纲，单位为cm/s或m/d。

渗透系数不仅与介质本身有关，亦与运动在介质中的水的性质有关。具体是：①岩石性质，如粒度、成分、颗粒排列、充填情况、裂隙性及其发育程度；②渗透液体的物理性质：如容重、黏滞性。

（2）渗透率（K₀）

渗透率是表征岩石渗透性质的常数，只反映空隙介质本身的渗透性，其大小仅与岩石的性质有关，与液体性质无关。渗透率的量纲为［L²］，常用的单位为D（达西）（D的定义是：当动力黏滞系数（ν）为0.001时，压强差（p）为101325Pa的情况下通过面积为1cm²及长度为1cm的岩样，其流量为1cm³时，岩样的渗透率为1D，1D≈0.987×10^-12m²）。

（3）渗透系数（K）与渗透率（K₀）的关系

地下水动力学

式中：γ为水的容重；μ₀为水的动力黏滞系数。

在一般情况下地下水的容重与黏滞性变化不大，可以把渗透系数视为表示岩石透水性的常数。但对运动的热水、卤水，其容重、黏滞性不能忽略。

（二）非直线渗透定律

1）当地下水呈紊流态运动时，用哲才-克拉斯诺波里斯基公式表示紊流渗透基本定律：

Q=K_TωJ^1/2 （1-24）

或

V=K_TJ^1/2 （1-25）

式中：K_T为地下水呈紊流运动时，孔隙介质渗透系数。它与水的性质、孔隙介质特征、固体骨架壁的粗糙度有关。

2）当地下水的运动范围内层流与紊流并存时，适用斯姆列盖尔提出的混合流公式：

Q=K_CωJ^1/m （1-26）

或

V=K_CJ^1/m （1-27）

式中：K_C为地下水流呈混合流时，孔隙介质的渗透系数；m为流态指数（1＜m＜2）。

（三）裘布依微分方程

1.微分方程的建立

（1）建立条件

①地下水绝大部分具有缓变流特征；②含水层为均质各向同性。

（2）微分方程

为求均质各向同性含水层中，任一过水断面（ω）上的流量（Q），根据裘布依微分方程表达式求dω上的dQ，即

地下水动力学

对整个过水断面ω积分，得

地下水动力学

式中：

表示微分断面dω上的水力坡度。

因此，在ω断面的不同位置上其水力坡度值是不同的。但根据方程的建立条件，当地下水流为缓变流或沿流向剖面上水流具备缓变流特征时，可将两个互不平行的曲形过水断面用两个相互平行且垂直的平面代替。

如图1-10所示，两平面间的流线长度近似相同，并认为同一断面上各点处的水头相等，因而两断面间的水头差也近似相等。鉴于此，认为缓变流条件下，同一平面过水断面上各点的水力坡度近似相等，即

地下水动力学

因此，上式积分式可写为

地下水动力学

地下水动力学

或

地下水动力学

式（1-28）和式（1-29）都是裘布依微分方程，是研究地下水运动十分重要的基本微分方程之一。

图1-10 缓变流时水流示意图

2.裘布依微分方程与达西微分方程的区别

裘布依微分方程中的

表示水流为缓变流或沿流向剖面上具有缓变流特征时过水断面的水力坡度，因而，式（1-29）的应用条件必须是层流及缓变流（沿流线的剖面上具有缓变流特征）。而达西微分方程的

表示水流为黏滞力占主导的层流时，过水断面的水力坡度。

2. 实验二 达西渗透实验

1.实验目的

1)通过稳定流条件下的渗透实验，进一步加深理解线性渗透定律———达西定律。

2)加深理解渗透流速(v)、水力坡度(I)、渗透系数(K)之间的关系，并熟悉实验室测定渗透系数(K)的方法。

2.实验内容

1)了解达西渗透实验装置(图B-2、图B-3)。

2)验证达西渗透定律。

3)测定不同试样的渗透系数。

3.实验原理

在岩石空隙中，由于水头差的作用，水将沿着岩石的空隙运动。由于空隙的大小不同，水在其中运动的规律也不相同。实践证明，在自然界绝大多数情况下，地下水在岩石空隙中的运动服从线性渗透定律:

图B-2 达西仪装置图(底部进水)

水文地质学概论

式中:Q为渗透流量，m³/d或cm³/s;K为渗透系数，m/d或cm/s;ω为过水断面面积，m²或cm²;Δh为上、下游过水断面的水头差，m或cm;L为渗透途径的长度，m或cm;I为水力坡度(或称水力梯度)， ;v为渗透流速，m/d或cm/s。

利用该实验可验证达西线性渗透定律:Q=KωI或v=KI。其主要内容为:流量(Q)(或v)与水力坡度(I)的一次方成正比。在实验时多次调整水力坡度(改变水头)，看其流量(Q)(或v)的变化是否与水力坡度一次方成正比关系。

实验时，可直接测定流量(Q)、过水断面面积(ω)和水力坡度(I)，从而可求出渗透系数(K)值

室内测定渗透系数，主要采用达西仪。其实验方法有两种:①达西仪由底部供水，出水口在上部(图B-2)。实验过程中，低水头固定，调节高水头;②达西仪是由顶部供水，水流经砂柱，由下端流出(图B-3)。实验过程中，高水头固定，调节低水头，即调节排水口的高低位置。由底部供水的优点是容易排出试样中的气泡，缺点是试样易被冲动。由顶部供水的优缺点与前一种正好相反。本实训以顶部供水的达西仪为例进行介绍。

4.实验仪器及用品

1)达西仪(图B-3)。

2)量筒(500mL)1个。

3)秒表。

图B-3 达西仪装置图(顶部进水)(编号说明见图B-2)

4)捣棒。

5)试样:①砾石(粒径5～10mm);②砂(粒径0.6～0.9mm);③砂砾混合(①与②混合)样。

5.实验步骤

(1)实验前的准备工作

1)测量:分别测量金属圆筒的内径(d)，根据 计算出过水断面面积(ω)和各测压管的间距或渗透途径(L)，将所得ω、L数据填入表B-2中。

2)装样:先在金属圆筒底部金属网上装2～3cm厚的小砂石(防止细粒试样被水冲走)，再将欲实验的试样分层装入金属圆筒中，每层3～6cm厚，捣实，使其尽量接近天然状态的结构，然后自上而下进行注水(排水管2和水源5连接)，使砂逐渐饱和，但水不能超出试样层面，待饱和后，停止注水。如此继续分层装入试样并饱和，直至试样高出上测压管孔3～4cm为止，在试样上再装厚3～4cm小砾石作缓冲层，防止冲动试样。

3)调试仪器:在每次试验前，先给试样注水，使试样全部饱水(此时溢水管7有水流出)待渗流稳定后，停止注水。然后检查3个测压管中水面与金属圆筒溢水面是否保持水平，如水平，说明管内无气泡，可做实验。如不水平，说明管内有气泡，需排出。排气泡的方法是用吸耳球对准水头偏高的测压管缓慢吸水，使管内气泡和水流一起排出。用该方法使3个测压管中水面水平，此时仪器方可进行实验。

以上工作也可由实验室教师在实验课前完成。

(2)正式进行实验

1)测定水头:把水源5与排水管2分开，将排水管2放在一定高度上，打开水源5使金属圆管内产生水头差，水在试验中从上往下渗透，并经排水口流出，此时溢水管7要有水溢出(保持常水头)。当3个测压管水头稳定后，测得各测压管的水头，并计算出相邻两测压管水头差，填入表B-2中。

2)测定流量:在进行上述步骤的同时，利用秒表和量筒测量时间(t)内排水管流出的水体积，及时计算流量(Q)。连续两次，使流量的相对误差小于5%(相对误差(δ)= ，Q₁、Q₂分别为两次实验流量值，取平均值填入表B-2中。

表B-2 达西渗流实验报告表

3)按由高到低或由低到高的顺序，依次调节排水管口的高度位置，改变Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个测压管的水头管读数。重复步骤1和2，做2～4次，即完成3～5次实验，取得3～5组实验数据。

实验过程中注意:①实验过程中要及时排除气泡，并保持常水头;②为准确绘制v-I曲线，要求测点分布均匀，即流量(水头差)的变化要控制适度。

(3)资料整理

依据以上实验数据，按达西公式计算出渗透系数值，并求出其平均值，填入表B-2中。

6.实验成果

1)提交实验报告(表B-2)。

2)抄录其他小组另外两种不同试样的实验数据(有时间时，可自己动手做)。在同一坐标系内，以v(渗透流速)为纵坐标，I(水力坡度)为横坐标，绘出3种试样的v-I曲线，验证达西定律。

复习思考题

1.当试样中水未流动时，3个测压管的水头与溢水口水面保持在同一高度，为什么?

2.为什么要在测压管水头稳定后再测定流量?

3.三种试样的v-I曲线是否符合达西定律?试分析其原因。

4.比较不同试样的渗透系数(K)值，分析影响K值的因素?

5.在实验过程中为什么要保持常水头?

6.将达西仪平放或斜放进行实验时，其实验结果是否相同?为什么?

3. 达西定律

法国水力工程师亨利·达西（Henry Darcy）为了研究Dijon市的供水问题而进行大量的砂柱渗流实验，于1856年提出了线性渗流定律，即达西定律。达西所采用的实验装置如图2.3所示。在直立的等直径圆筒中装有均匀的砂，水由圆筒上端流入经砂柱后由下端流出。在圆筒上端使用溢水设备控制水位，使其水头保持不变，从而使通过砂柱的流量为恒定。在上、下端断面1和断面2 处各安装一根测压管分别测定两个过水断面处的水头，并在下端出口处测定流量。根据实验结果得到以下达西公式：

地下水科学概论（第二版·彩色版）

式中：Q为通过砂柱的流量（渗流量），m³/d；A为砂柱横截面（过水断面）面积，m²；h₁和h₂分别为上、下端过水断面处的水头，m；∆h=h₁-h₂为上、下端过水断面之间的水头差，m；L 为上、下端过水断面之间的距离，m；I=∆h/L 为水力梯度，无量纲；K为均质砂柱的渗透系数，m/d。

式（2.2）表明，通过砂柱的渗流量（Q）与砂柱的渗透系数（K）、横截面面积（A）及水头差（∆h）成正比，而与渗流长度（L）成反比，也可以说渗流量（Q）与渗透系数（K）、横截面面积（A）和水力梯度（I）成正比。而且，利用不同尺寸的实验装置进行达西实验，即适当改变砂柱的渗透系数（K）、横截面面积（A）及水头差（∆h）与长度（L），都会得到式（2.2）的关系。

图2.3 达西实验装置示意图（截面图）

另外，通过某一过水断面的渗流量可以表示为

Q=vA （2.3）

式中：v为渗流速度。由此可以得到达西定律的另一种表示形式：

v=KIA （2.4）

式（2.4）表明渗流速度等于渗透系数与水力梯度的乘积。对于同一均质砂柱来说，其渗透系数通常为一常数，因而渗流速度与水力梯度的一次方成正比，故达西定律又称为线性渗流定律。达西定律不仅对垂直向下通过均质砂柱的渗流是适用的，而且对于通过倾斜的、水平的及流向为自下而上的均质砂柱的渗流也是适用的，亦即和砂柱中的渗流方向与垂向方向的夹角大小无关。

式（2.4）中的渗流速度（v）实际上是一种平均流速，是水流通过包括空隙和固体骨架在内的过水断面面积（A）的流速。由于过水断面面积（A）中包括断面上砂粒所占据的面积和孔隙面积，而水流实际通过的面积只是孔隙实际过水面积A＇=n_eA，其中n_e为有效孔隙度。因此，水流通过实际过水断面面积（A＇）的渗透速度（u，也是一种平均流速）为

地下水科学概论（第二版·彩色版）

由于n_e＜1，所以渗流速度（v）总是小于渗透速度（u）。

式（2.2）或式（2.4）中的水力梯度I=∆h/L，为沿渗流途径的水头差（水头损失）与相应渗流长度的比值。水头损失是由于水质点通过多孔介质细小弯曲通道流动时为克服摩擦阻力而消耗的机械能，水头差也称为驱动水头。因此，水力梯度也可以理解为水流通过单位长度渗流途径为了克服摩擦阻力所耗失的机械能，或者理解为使水流以一定速度流动的驱动力。

图2.4 均质潜水流动水力梯度示意图（剖面图）

在实际的地下水流动中，不同点的水力梯度可以不相同。例如在图2.4所示的均质潜水流动中，在任意距离x处对应的潜水面处的水力梯度为 ∆h/∆s≈∆h/∆x=dh/dx。其中，∆s为水位线的一段弧长，∆h为对应的水头差，∆x为∆s对应的水平距离。用微分形式dh/dx表示水力梯度，则意味着水力梯度沿水流方向是可以变化的。另外，实际过水断面是一个曲面，难以求得其面积。如果假设潜水含水层中的地下水流基本上是水平流动（这一假设称为裘布依假设）时，则x处的过水断面可以近似看成是一个垂直断面。这时以式（2.4）表示的达西定律可以写成以下更一般的一维形式：

地下水科学概论（第二版·彩色版）

式（2.6）中等号右端的负号表示沿着地下水流动方向水头是降低的。

达西公式（2.2）中的渗透系数（K，也有人称之为水力传导系数），可以定义为水力梯度等于1时的渗流速度（因为在式（2.4）中，当I=1时，v=K）。由式（2.4）可知，当I为一定值时，K越大则v就越大；当v为一定值时，K越大则I就越小。说明K越大时，砂柱的透水性越好，使水流的水头损失越小。因此，渗透系数是表征多孔介质透水能力的参数。

渗透系数既与多孔介质的空隙性质有关，也与渗透液体的物理性质（特别是黏滞性）有关：

地下水科学概论（第二版·彩色版）

式中：K为渗透系数；k为渗透率（透水率）；ρ为液体的密度；g为重力加速度常数；μ为液体的动力黏滞系数。如果有两种黏滞性不同的液体分别在同一介质中渗透，则动力黏滞系数大的液体渗流时介质的渗透系数会小于动力黏滞系数小的液体渗流时介质的渗透系数。在一般情况下，当地下水的物理性质变化不大时，可以忽略它们的影响，而把渗透系数单纯地看作表征介质透水性能的指标。在研究地下卤水或热水的运动时，由于它们的物理性质变化明显而不能忽略。渗透率（k，也有人称之为内在渗透率或固有渗透率）仅与介质本身的性质有关，取决于介质的空隙性，其中介质的空隙大小起着重要作用。已知介质的渗透率，可以利用式（2.7）计算介质的渗透系数。例如，已知k=2.3×10^-9cm²，并且ρ=1.0g/cm³，g=981cm/s₂，μ=0.01 g/（cm·s），则求得K=2.2563×10^-4cm/s（Hudak，2000）。

多孔介质的渗透系数或渗透率随空间位置和方向可以发生变化。如果介质的渗透系数随空间位置不发生变化，这种介质称为均质介质，而发生变化的介质称为非均质介质。如果介质中同一位置的渗透系数随方向不发生变化，这种介质称为各向同性介质，而发生变化的介质称为各向异性介质。在某些情况下，介质的渗透系数也可以随时间而发生变化。例如，由于外部荷载的增加导致介质的压密可以降低介质的渗透系数。盐岩晶间卤水由于矿化度的升高或降低导致石盐沉淀或溶解，可以使盐岩的渗透系数降低或增大。在某些条件下，由于存在于介质中的生物活动可以逐渐堵塞空隙通道，可以使介质渗透系数逐渐减小。

渗透系数具有与渗流速度相同的单位，常用单位为m/d或cm/s。渗透率的常用单位为达西或毫达西，1达西=9.8697×10^-9cm²（相对于20℃的水而言）。表2.1列出了部分多孔介质的渗透系数的参考数值。

表2.1 多孔介质渗透系数单位：m/d

（据王大纯等，1995；余钟波等，2008）

虽然渗透系数（K）可以说明岩层的透水能力，但不能单独说明含水层的出水能力。对于承压含水层，由于其厚度（M）是定值，则T=KM也是定值。T称为导水系数，它指的是在水力梯度等于1时流经整个含水层厚度上的单宽流量，常用单位是m²/d。导水系数是表征承压含水层导水能力的参数，只适用于二维流，对于三维流则没有意义（Bear，1979）。

4. 地下水运动的基本规律

地下水具有流动性，为了确定其水量，就必须研究地下水运动的基本规律。以往的研究多集中于多孔介质饱水带重力水的运动，但在解决地下水的补给、潜水蒸发以及污染质在包气带中的运移机理等实际问题时，却涉及到包气带水以至结合水的运动，因此包气带水的运动规律的研究，近年来也越来越受到学者们的关注。

地下水在孔隙岩石中的运动称为“渗流”（或渗透），渗流占据的空间称渗流场。地下水在松散岩石粒间孔隙和宽度不很大的裂隙中流动时，流速很慢，加之受到介质固相表面的吸力较大，故水的质点排列有序，多呈“层流”运动。在个别宽大的洞穴和裂隙中，水流速度较大，水流质点呈无秩序的互相混乱流动，则属于“紊流”运动。

水在渗流场内运动，当各个运动要素（水头压力、流速、流向）不随时间变化时，称为稳定流；当运动要素随时间变化时称为非稳定流。严格地讲，自然界中的地下水运动都属于非稳定流，但为了便于分析和运算，当上述运动要素变化微小时，也可看作为稳定流。

一、饱水带重力水运动的基本规律

有关饱水带重力水运动的第一个规律，是法国水力学家达西（H.Darcy）在1856年通过实验得到的。

达西通过圆筒砂柱的渗透实验装置（图3-4）得到了水头高度不变条件下，砂层的渗透流量（Q）与水力坡度（I）和过水断面（W）的关系式：

趋于零，则V_t=K，即入渗速度趋于定值。

5. 达西定律的相关信息

地下水在土体孔隙中渗透时，由于渗透阻力的作用，沿程必然伴随着能量的损失版。为了揭示水在土权体中的渗透规律，法国工程师达西(H.darcy)经过大量的试验研究，1856年总结得出渗透能量损失与渗流速度之间的相互关系即为达西定律。
达西实验的装置如图1所示。装置中的①是横截面积为A的直立圆筒，其上端开口，在圆筒侧壁装有两支相距为l 的侧压管。筒底以上一定距离处装一滤板②，滤板上填放颗粒均匀的砂土。水由上端注入圆筒，多余的水从溢水管③溢出，使筒内的水位维持一个恒定值。渗透过砂层的水从短水管④流入量杯⑤中，并以此来计算渗流量q。设△t时间内流入量杯的水体体积为△V, 则渗流量为q=△V /△t 。同时读取断面1-1和段面2-2处的侧压管水头值h1，h2，Δh为两断面之间的水头损失。
达西分析了大量实验资料，发现土中渗透的渗流量q与圆筒断面积A及水头损失△h 成正比，与断面间距l 成反比，即
式中i=△h/l，称为水力梯度，也称水力坡降；k为渗透系数，其值等于水力梯度为1时水的渗透速度，cm/s 。
式（1-1）和（1-2）所表示的关系称为达西定律，它是渗透的基本定律。