達西滲透定律

達西滲透定律(1)達西滲透實驗與達西定律地下水在土體孔隙中滲透時，由于滲透阻力的作用，沿程必然伴隨著能量的損失。為了揭示水在土體中的滲透規(guī)律，法國工程師^M(H.darcy)經(jīng)過大量的試驗研究，1856年總結(jié)得出滲透能量損失與滲流速度之間的相互關(guān)系即為達西定律。圖1達西滲透實驗裝置圖達西實驗的裝置如圖1所示。裝置中的①是橫截面積為A的直立圓筒，其上端開口，在圓筒側(cè)壁裝有兩支相距為l的側(cè)壓管。筒底以上一定距離處裝一濾板②，濾板上填放顆粒均勻的砂土。水由上端注入圓筒，多余的水從溢水管③溢出，使筒內(nèi)的水位維持一個恒定值。滲透過砂層的水從短水管④流入量杯⑤中，并以此來計算滲流量q。設(shè)At時間內(nèi)流入量杯的水體體積為△V,則滲流量為q=^V/△t。同時讀取斷面1-1和段面2-2處的側(cè)壓管水頭值h「％，Ah為兩斷面之間的水頭損失。達西分析了大量實驗資料，發(fā)現(xiàn)土中滲透的滲流量q與圓筒斷面積A及水頭損失^h成正比，與斷面間距l(xiāng)成反比，即q=kA——=kAi1 (1-1)或v=—=kiA (1-2)式中i=Ah/l,稱為水力梯度，也稱水力坡降；k為滲透系數(shù)，其值等于水力梯度為1時水的滲透速度，cm/s。式（1-1）和（1-2）所表示的關(guān)系稱為達西定律，它是滲透的基本定律。（2）達西定律的適用范圍達西定律是由砂質(zhì)土體實驗得到的，后來推廣應(yīng)用于其他土體如粘土和具有細裂隙的巖石等。進一步的研究表明，在某些條件下，滲透并不一定符合達西定律，因此在實際工作中我們還要注意達西定律的適用范圍。大量試驗表明，當滲透速度較小時，滲透的沿程水頭損失與流速的一次方成正比。在一般情況下，砂土、粘土中的滲透速度很小，其滲流可以看作是一種水流流線互相平行的流動一一層流，滲流運動規(guī)律符合達西定律，滲透速度v與水力梯度i的關(guān)系可在v-i坐標系中表示成一條直線，如圖2（a）所示。粗顆粒土（如礫、卵石等）的試驗結(jié)果如圖2（b）所示，由于其孔隙很大，當水力梯度較小時，流速不大，滲流可認為是層流，v-i關(guān)系成線性變化，達西定律仍然適用。當水力梯度較大時，流速增大，滲流將過渡為不規(guī)則的相互混雜的流動形式一一紊流，這時v-i關(guān)系呈非線性變化，達西定律不再適用。圖2(a)細粒土的圖2(a)細粒土的v-i關(guān)系關(guān)系圖2(b)粗粒土的v-i①砂土、一般粘土②顆粒極細的粘土少數(shù)粘土(如顆粒極細的高壓縮性土，可自由膨脹的粘性土等)的滲透試驗表明，它們的滲透存在一個起始水力梯度ib，這種土只有在達到起始水力梯度后才能