[科普中国]-现场渗透试验

简介

渗透是液体在多孔介质中运动的现象， 表达这一现象的定量指标是渗透系数。渗透系数的测定广泛应用于水利工程、 土木工程、 环境岩土工程等领域。国内主要采用常水头和变水头渗透仪测定渗透系数1。渗透试验是利用一些试验器具测定岩土的渗透系数的试验，分为室内试验和野外测定试验两大类。其中野外测定试验，又称现场渗透试验，即在现场测定渗透系数的实验。现场测定法主要有实测流速法(色素法、电解质法、食盐法)、注水法、抽水法( 降低水位法：平衡法、不平衡法) 水位恢复法、试坑试验法、单环试验法、双环试验法等。由于室内试验测定渗透系数所需的原状土，在取样、运输、制样等过程中不可避免地产生扰动，或者只能重塑土样制备使用，且制样后土体尺寸偏小，因此制成的土样不能很好地反映原状土的特性。与室内试验相比，现场的原位试验在保持原状土特性方面有着无可比拟的优点，因此所得到的试验结果更为准确。

方法变水头渗透试验变水头渗透试验是通过观测水头随时间的变化测求试样渗透系数的试验，一般适用于渗透性弱的粘性土。是在钻孔内进行的一种测定土体渗透系数的一种广为应用的野外试验方法。在试验过程中，试验水头逐渐下降，最后趋近于零。根据套管内的试验水头下降的速度与时间的关系，算试验土层的渗透系数。本方法主要适用于地下水位以上或以下的粉土、砂土及渗透系数较小的粘性土。

常水头渗透试验常水头渗透试验是指运用常水头渗透装置在测出渗流量，不同点的水头高度，从而计算出渗流速度和水力梯度，从而计算出渗透系数。试验中相同水力梯度下，接取渗透水两次（接取时间相同），两次接水量间的差值不可以过大。 而且试验时的水温宜高于试验室温度3～4°C。常水头渗透试验原理就是在试验装置中测出渗流量，不同点的水头高度，从而计算出渗流速度和水力梯度，代入以下式计算出渗透系数。

由于土的渗透系数变化范围很大，自大于cm/s到小于cm/s，故实验室内常用两种不同的试验装置进行试验：常水头试验装置用来测定渗透系数k比较大的无凝聚性土的渗透系数。试验采用的纯水，应在试验前用抽气法或煮沸法脱气。试验时的水温宜高于试验室温度3～4°C。

试坑法是在表层干土中挖一个一定深度（30-50厘米）的方形或圆形试坑，坑底要离潜水位3-5米，坑底铺2一3厘米厚的反滤粗砂，向试坑内注水，必需使试坑中的水位始终高出坑底约10厘米。为了便于观测坑内水位，在坑底要设置一个标尺。求出单位时间内从坑底渗入的水量Q，除以坑底面积F，即得出平均渗透速度v=Q/F。当坑内水柱高度不大（等于10厘米）时，可以认为水头梯度近于1，因而K(渗透系数)=V。这个方法适用于测定毛细压力影响不大的砂类土，如果用在粘性土中，所测定的渗透系数偏高。

单环法是试坑底嵌入一个高20厘米，直径35.75厘米的铁环，该铁环圈定的面积为1000平方厘米。铁环压入坑底部10厘米深，环壁与土层要紧密接触，环内铺2一3厘米的反滤粗砂。在试验开始时，用马利奥特瓶控制环内水柱，保持在10厘米高度上。试验一直进行到渗入水量Q固定不变为止，就可以按下式计算渗透速度：v=Q/F，所得的渗透速度即为该松散层、岩层的渗透系数值。

渗透系数渗透系数又称水力传导系数（hydraulic conductivity)。在各向同性介质中，它定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度，表达式为：κ=kρg/η，式中k为孔隙介质的渗透率，它只与固体骨架的性质有关，κ为渗透系数；η为动力粘滞性系数；ρ为流体密度；g为重力加速度。在各向异性介质中，渗透系数以张量形式表示。渗透系数愈大，岩石透水性愈强。强透水的粗砂砾石层渗透系数>10米/昼夜；弱透水的亚砂土渗透系数为1～0.01米/昼夜；不透水的粘土渗透系数