[科普中国]-渗流系数

土壤的渗流特性

流体在土壤、岩层等多孔介质中的流动，称为渗流。当流体是水，空隙介质是土壤或岩石时的渗流，又称为地下渗流。水在土壤中的存在状态有气态水、附着水、薄膜水、毛细水和重力水等。

影响渗流运动规律的土壤性质，称为土壤的渗透特性。土壤的特性主要取决于土壤的颗粒组成。对于均质各向同性土壤，渗透性质既与渗流空间的位置无关，也与渗流方向无关，主要讨论重力水在均质各向同性土壤中的恒定流动规律。

孔隙率一定体积的孔隙介质中，空隙体积V'与总体积V的比值，或者在一个横断面上的孔隙面积A'与总断面积A的比值，即：

渗流模型渗流模型是设想流体作为连续介质连续充满渗流区的全部空间，包括土壤颗粒骨架所占据的空间；渗流的运动要素可作为渗流全部空间的连续函数来研究。

渗流模型中的渗流流速 为渗流模型中微小过流断面面积 除通过该断面面积的真实渗流流量 ，即：

式中， 为间隙中的实际流速2。

达西渗流定律早在1852—1855年，法国工程师达西(H．Darcy)在沙质土壤中进行了大量的试验研究。下图是所用的实验装置。竖直圆筒内充填沙粒，圆筒横截面面积为A，沙层厚度为 ，沙层由金属细网支托。水由稳压箱经水管A流入圆筒中，再经沙层由出水管B流出，其流量由量筒C量测。

在沙层的上下两端侧面处装测压管以量测渗流的水头损失，由于渗流的动能很小，可以忽略不计，因此测压管水头差 即为渗流在两断面问的水头损失 。经大量试验后发现以下规律，即著名的达西渗流定律：

或

式中，——渗透模型的断面平均流速；

——渗流系数，它是土壤性质和流体性质综合影响渗流的一个系数，具有流速的量纲；

——流程长度范围内的平均测压管坡度，也即水力坡度。

上式是以断面平均流速来表达的达西定律，为今后分析的需要，将其推广到用渗流流速来表达的关系式。下图处在两个不透明水层中的有压渗流，ab表示任一元流，在M点的测压管坡度为：

元流的渗流流速为，则：

上述达西定律式表明：在某一均质多孔介质中，渗流流速与渗流的水力坡度的一次方成正比，因此也称为渗流线性定律3。

渗流系数确定方法渗透系数不仅取决于孔隙介质的特性，而且也和流体的物性，如粘度、容重等有关。对于水来说，可认为渗透系数只随孔隙介质而不同。可把渗透系数理解为单纯反映孔隙介质特性对渗透性影响的一个参数。

确定渗透系数的方法，大致可分为三类：

（1）经验公式估算法。根据影响土壤渗透性因素组成的经验公式来计算k值。这类公式很多，大多是经验性的，各有其局限性，只可作为粗略估算时用。

（2）实验室测定法。通常使用的实验设备，如下图所示。如实验中符合达西定律，测得水头损失和流量后，即可按达西定律公式求得渗透系数k值。应尽量选取有足够数量的、有代表性的非扰动土样来进行实验。

（3）现场测定法。一般是在现场钻井或挖试坑，用抽水或注水的方式测定其流量及水头等数值，然后根据相应的理论公式算出渗透系数值。这种方法能取得较为符合实际的渗透系数值，但需较大的工作量。

在进行初步估算时，可参照有关规范和已建成工程的资料来选定渗透系数k值。有关各土壤渗透系数的参考值见下图所示4。