[发明专利]自循环变水头达西渗透实验仪

权利要求书

1.自循环变水头达西渗透实验仪，其特征在于，包括底座(1)，所述底座上依次设置有支撑座(3)、盛沙容器(12)和背板(17)，所述背板(17)竖直设置在底座(1)上，

所述支撑座(3)固定在底座(1)上，所述支撑座(3)上半部分为空心圆筒，所述空心圆筒上方设置有底部开口、外壁设有测尺(9)的量筒(8)，

所述盛沙容器(12)高度大于量筒(8)高度，上端设置有一矩形帽(11)，所述矩形帽(11)一端伸出到量筒(8)的上方，并在位于量筒(8)正上方位置处开设有一出水孔(10)，

所述背板(17)上还竖直固定有一外壁有水位测尺(29)的变水位管(28)，所述变水位管(28)下端连接有调节阀门(27)，

所述底座(1)上还设有储水箱(30)，所述储水箱(30)位于背板(17)的远离变水位管(28)的一侧，

所述背板(17)上端固定有稳水箱(16)，所述稳水箱(16)内竖直设置有一溢流板(19)，所述溢流板(19)将稳水箱(16)分隔为两部分，所述溢流板(19)高度低于稳水箱(16)的高度，

所述稳水箱(16)的同一侧壁上开设有进水孔(21)和溢流孔(20)，所述进水孔(21)和溢流孔(20)分别位于溢流板(19)的两侧，所述进水孔(21)上连接有进水管(33)，所述溢流孔(20)上连接有溢流管(34)，所述溢流管(34)通入到储水箱(30)中，

所述稳水箱(16)下端连接有一出水管(22)，所述出水管(22)下端连接有出水阀门(23)，所述出水阀门(23)和变水位管(28)下端的调节阀门(27)之间还连接有一个三通接头(24)，所述三通接头(24)下端口连接有进水阀门(25)，所述进水阀门(25)下端连接有软管(26)，所述软管(26)另一端连通到盛沙容器(12)的底部；

所述盛沙容器(12)的内部下端处设有一层滤网(13)、侧壁上还开设有两个及两个以上间距一致的通孔，每个所述通孔上连接有引导到竖直向上的测压管(14)，相邻所述测压管(14)之间水平间距相同；

所述背板(17)下端固定有测压排(15)，所述测压管(14)固定在测压排(15)上，所述测压管(14)的外壁上竖直设置有刻度。

2.根据权利要求1所述的自循环变水头达西渗透实验仪，其特征在于，所述变水位管(28)、量筒(8)和测压管(14)均为有机玻璃材料制成。

3.根据权利要求1所述的自循环变水头达西渗透实验仪，其特征在于，所述储水箱(30)侧面底部设置有放空阀门(31)，所述储水箱(30)内装有水泵(32)，所述水泵(32)与进水管(33)相连接。

4.根据权利要求1所述的自循环变水头达西渗透实验仪，其特征在于，所述储水箱(30)的侧面中部依次连接有放水管(7)和控制阀门(6)，所述空心圆筒靠近底部侧壁处开设有一放水口，所述放水口外依次连接有活接(4)和弯头(5)，所述弯头(5)与控制阀门(6)的另一端连通。

5.根据权利要求1所述的自循环变水头达西渗透实验仪，其特征在于，所述底座(1)的侧面中心处还设置有一手孔(2)。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的自循环变水头达西渗透实验仪的实验方法，其特征在于，具体实施步骤如下：

步骤1，记录包括盛沙容器(12)的断面面积A、盛沙容器(12)内沙样的高度L、沙样的粒径d、变水位管(28)的断面面积a和量筒(8)的断面面积A0的已知数据；

步骤2，在盛沙容器(12)中装入实验沙，装实验沙时边装边用温水浸泡；

步骤3，打开水泵(32)，使稳水箱(16)盛满水，并保持溢流状态；

步骤4，打开控制阀门(6)；

步骤5，打开出水阀门(23)和调节阀门(27)，关闭进水阀门(25)，使水流进入变水位管(28)，保持变水位管(28)中有一定的水位；

步骤6，关闭出水阀门(23)，打开进水阀门(25)，使水流通过软管(26)进入盛沙容器(12)中，并经过矩形帽(12)下面的出水孔(10)流入量筒(8)中；

步骤7，关闭控制阀门(6)，观测量筒(8)和变水位管(28)中的水位变化，当量筒(8)下面空心圆筒中的水流刚好到达量筒(8)底部或量筒(8)某一部位时，设此时为t₁时刻，同时记录量筒(8)中水面的初始测尺读数h₃和变水位管(28)测尺的初始读数h₁，一段时间后，设此时为t₂时刻，同时记录量筒(8)中测尺的读数h₄和变水位管(28)测尺的读数h₂，保证测量同时开始，同时结束；

步骤8，打开控制阀门(6)，使水流通过放水管(7)全部流入储水箱(30)，将所有阀门复位，根据步骤3至步骤7重复实验5～6次；

步骤9，实验结束将仪器恢复原状；

步骤10，对实验数据进行分析计算，

①计算渗透系数

设盛沙容器的断面面积为A，变水位管的断面面积为a，在某一时刻t作用于沙样上的水头为h，经过dt时段后，变水位管中的水头降落dh，则在dt时段内流经沙样的水量为

dQ＝-adh (1)

式中：dh为dt时段内变水位管中水面下降的高度，a为变水位管的断面面积，负号表示水量Q随水头的降低而增加，

同一时段内，作用于沙样上的水力坡度为J＝h/L，根据达西定律，其水量应为

式中：k为渗透系数，A为盛沙容器的断面面积，h为任一时刻t时作用于沙样上的水头，J为水力坡度，L为沙样高度，

由式(1)和式(2)得

同理，则在t₁到t₂时间段内，通过积分得到

式中：h₁为t₁时刻变水位管的水面高度，h₂为t₂时刻变水位管的水面高度，

则渗透系数为

②计算沙洋的流量

在t₁到t₂时间段内，

量筒中水的体积V＝A₀×(h₄-h₃)，其中A₀为量筒的断面面积，则通过沙样的流量为Q＝V/(t₂-t₁)。