1.1滲流基本概念

水在土中的滲流是由水頭差或水力梯度(hydraulic gradiant)引起的，根據D.伯努利(Bernoulli,1738)定理，所謂水頭(hydraulic head)，其定義為

當水在土中滲流時，其速度很慢，因此由速度引起的水頭項可以忽略，得出

A、B兩點的水頭差為

1.2 土的層流滲透定律

由于土體中孔隙一般非常微小且很曲折，水在土體流動過程中黏滯阻力大，流速十分緩慢，因此多數情況下其流動狀態屬于層流，即相鄰兩個水分子運動的軌跡相互平行而混流。

法國工程師H.達西(Darcy，1855)利用圖2所示的試驗裝置對均勻砂行了大量滲透試驗，得出了層流條件下，土中水滲流速度與能量（水頭）損失間關系的滲流規律，即達西定律。

達西試驗裝置的主要部分是一個上端開口的直立圓筒，下部放碎石，碎石上放一塊多孔濾板c，濾板上面放置顆粒均勻的土樣其斷面積為A，長度為L。筒的側壁裝有兩支測壓管，分別設置在土樣上下兩端的過水斷面處1、2。水由上端進水管a注入圓筒，并以溢水管b保持筒內為恒定水位。透過土樣的水從裝有控制閥門d的彎管流入容器V中。

當筒的上部水面保持恒定以后，通過砂圖2達西滲透試驗裝置土的滲流是恒定流，測壓管中的水面將恒定不變。圖2中的0-0面為基準面，分別為1、2斷面處的測壓管水頭；即為經過砂樣滲流長度L后的水頭損失。

達西根據對不同尺寸的圓筒和不同類型及長度的土樣所進行的試驗發現，單位時間內的滲出水量q與圓筒斷面積A和水力梯度i成正比，且與土的透水性質有關，即

寫成等式則為

式(5)或式(6)即為達西定律表達式，達西定律表明在層流狀態的滲流中，滲流速度。與水力梯度的一次方成正比.但是，對于密實的黏土，由于吸著水具有較大的黏滯阻力，因此，只有當水力梯度達到某一數值，克服了吸著水的黏滯阻力以后，才能發生滲透。

1.3 滲透試驗及滲透系數

滲透系數k既是反映土的滲透能力的定量指標，也是滲流計算時必須用到的一個基本參數。它可以通過試驗直接測定。測定方法可分為室內滲透試驗和現場試驗兩大類。

(1)室內滲透試驗測定滲透系數

室內測定土的滲透系數的儀器和方法較多，但從試驗原理上大體可分為常水頭法和變水頭法兩種。

常水頭法是在整個試驗過程中，水頭保持不變，其試驗裝置如圖3所示。前述達西滲透試驗也屬于這種類型。

設試樣的高度即滲流長度為L，截面積為A，試驗時的水位差為，這三者在試驗前可以直接量測或控制。試驗中只要用量筒和秒表測得在某一時段t，內經過試樣的滲水量Q即可求出該時段內通過土體的單位滲水量

將上式代入式(5)中，便可得到土的滲透系數

黏性土由于滲透系數小，流經試樣的水量很少，難以直接準確量測，因此，應采用控水頭法。在裝個試驗過程中，水頭是隨著時間面變化的，試驗裝置如圖4所示。試樣的一端與細玻璃管相接，在試驗過程中量測某一時段內細玻璃管中水位的變化，就可根據達西定律，求得土的滲透系數。

設細玻璃暫的內截面積為a，試驗開始以后任一時刻t的水位差為h，經過時段dt，細玻璃管中水位下落dh，則在時段dt內經過細管的流水量為

式中，負號表示滲水量隨h的減小而增加。

根據達西定律，在時段dt內流經試樣的水量又可表示為

同一時間內經過土樣的滲水量應與細管流水量相等：

將上式兩邊積分

即可得到土的滲透系數

如用常用對數表示，則上式可寫成

(2)現場測定滲透系數

在現場進行滲透系數k值測定時，常用現場井孔抽水試驗或井孔注水試驗的方法。對于均質的粗粒土層，用現場抽水試驗測出的值往往要比室內試驗更為可靠。

圖5為一現場井孔抽水試驗示意圖。在現場打一口試驗井，貫穿要測定，并在距井中心不同距離處設置一個或兩個觀測孔。然后自井中以不變的速率連續進行抽水。抽水造成井周圍的地下水位逐漸下降，形成一個以井孔為軸心的降落漏斗狀的地下水面。測定試驗井和觀察孔中的穩定水位，可以畫出測壓管水位變化圖形。測定水頭差形成的水力梯度，使地下水流向井內。假定水流是水平流向時，則流向水井的滲流過水斷面應是一系列的同心圓柱面。待出水量和井中的動水位穩定一段時間后，若測得的抽水量為q，觀測孔距井軸線的距離分別為r₁、r₂，孔內的水位高度h₁、h₂，通過達西定律即可求出圖層的平均值。

變水頭滲透儀(見圖6)；天平(感量1g)；量筒；溫度計(分度值0.5℃)；切土器、秒表、搗棒、橡皮管、支架。

確切地說是降水頭試驗，適宜于弱透水性的細粒土(k<10^-3cm/s)。試驗前土樣必須完全飽和，以排除氣泡的影響。

變水頭滲透試驗是試驗過程中水頭差一直在隨時間而變化，即測計dt時間段內的水位落差dh建立瞬時達西定律，從而推導出滲透系數k的表達式。

(1)根據需要用環刀在垂直或平行土樣層面切取原狀試樣或擾動土制備成給定密度的試樣，并進行充分飽和。切土時，應盡量避免結構擾動，并禁止用削土刀反復涂抹試樣表面；

(2)將容器套筒內壁涂一薄層凡士林，然后將盛有試樣的環刀推人套筒，并壓人止水墊圈。把擠出的多余凡士林小心刮凈。裝好帶有透水板的上、下蓋，并用螺絲擰緊，不得漏氣漏水；

(3)把裝好試樣的滲透容器與水頭裝置連通，如圖6所示。利用供水瓶中的水充滿進水管，并注入滲透容器。開排氣閥，將容器側立，排除滲透容器底部的空氣，直至溢出水中無氣泡。關排氣閥，放平滲透容器；

(4)在一定水頭作用下靜置一段時間，待出水管口7有水溢出時，再開始進行試驗測定；

(5)將水頭管充水至需要高度后，關進水管夾，開動秒表，同時測計起始水頭h₁.經過時間t后，再測計終水頭h₂.如此連續測計2~3次后，再使水頭管水位回升至需要高度，再連續測計數次，需6次以上，試驗終止，同時測計試驗開始時與終止時的水溫。

(1) 水頭差的變化控制要適度，以準確繪制v-I曲線；

(2) 環刀取樣時，應盡量避免擾動土體結構，并禁止用切土刀反復涂抹試樣表面；

(3) 環刀邊要套橡皮膠圈或涂一層凡士林以防漏水，透水石需要用開水浸泡。