CN103091372B - 土工离心机机载的渗流量和出流浓度实时监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一套土工离心机机载的渗流量和出流浓度实时自动监测装置及方法，包括量测筒，对照筒，电导电极，差压传感器，收集管路等；其结构如下：量测筒和对照筒为一对连体的内径和高度均相同、上端开口的有机玻璃圆筒；在量测筒和对照筒的侧壁靠近底部的地方各开一螺纹孔，分别用软管接差压传感器的两端；在量测筒底部反向安装有一支电导电极；从防污屏障模型下游面的出流孔引出收集管路，收集管路向下一直延伸至量测筒底部。该装置能够实时自动监测试验过程中从防污屏障下游面渗出的渗流量与出流浓度。该装置可用于离子型污染物通过防污屏障中长期迁移的离心模型试验，为防污屏障的长期服役性能研究提供了有效的工具。

Description

土工离心机机载的渗流量和出流浓度实时监测装置及方法

技术领域

本发明属于土工测试技术领域，特别涉及一套土工离心机机载的渗流量和出流浓度实时自动监测装置及方法。

背景技术

固体废弃物填埋场的底部和四周设置有防污屏障，以防止渗滤液渗透与扩散污染周边地下水及土体。一个达标的防污屏障渗透系数很低，污染物在其中迁移速度很慢，需经数十年甚至上百年才会击穿防污屏障。防污屏障的击穿时间及击穿后出流量和出流浓度是重要的设计指标。这些设计指标虽然可通过理论分析或数值模拟确定，但其正确与否仍依赖于试验或现场监测数据验证。然而，传统的室内土柱试验和现场监测均难以模拟长达数十年甚至上百年的迁移过程。土工离心机模型试验具有缩时、缩尺效应，可在短时间内模拟长历时的迁移过程。土工离心机的模拟原理是利用高速旋转的长臂离心机,产生上百倍的重力加速度(g)，在小比尺物理模型上再现原型的重力场，当重力加速度(g)提高N倍，模型尺寸可缩小N倍，流体运移速度提高N倍，运移时间缩短N²倍，这样长达数十年的污染物运移问题可以在土工离心机中用数天完成试验模拟。例如，在100g重力加速度的土工离心机中开展模型试验，100年的迁移过程仅需3.65天即可完成。因此土工离心机是试验模拟污染物在防污屏障中长期迁移问题不可或缺的工具。

污染物通过防污屏障迁移的离心模型试验主要包括以下步骤：按照比尺（1：N）制备一个防污屏障模型（如图1所示），在屏障模型的上游面施加一定高度和浓度的污染液，安装并连接好所需的监测设备，然后开启离心机并加速至指定的加速度（Ng）方法，屏障模型上面的污染液在水头和浓度梯度作用向下迁移，经过一定时间后从屏障模型的下游面渗出，渗出的流体体积和浓度由监测设备实时测量。上述离心模型试验的关键技术难题之一是如何在高速旋转的离心机环境中自动实时监测渗流量和出流浓度。现有的监测方法主要有两种：（1）全量量测及反分析，即用一个足够大容器收集整个试验过程中渗出液，等离心机停止后取下容器测量总的渗流量和累积浓度，然后根据这两个数据利用有关理论进行反分析得到防污屏障的渗流量和出流浓度随时间变化曲线。（2）分时段收集和测量渗出液，该方法是在防污屏障模型下面安装一个转盘，在转盘的圆周上按一定间距布置若干个开口容器，其中一个容器上口正好对准屏障模型溢流口，转盘与一台步进电机相连接。试验开始后，步进电机控制转盘绕圆心转动，每隔一段时间将一个容器转到屏障模型溢流口位置接收渗出液，依次进行直到试验结束，离心机停止后取出所有容器测量其中渗出液的体积和浓度，即可得到每个容器收集时段所对应的渗流量和浓度。上述第（1）种方法是非实时监测方法，渗流量和出流浓度随时间变化曲线是通过理论反分析间接获得。第（2）种方法比第（2）种有所改进，但其测试精度取决于容器的数量和步进电机的控制精度，实际操作中难以达到以秒计的实时精度，因此也难以获得准确的击穿时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种土工离心机机载的渗流量和出流浓度实时监测装置及方法。

本发明采用的技术方案是：

土工离心机机载的渗流量和浓度实时监测装置，包括量测筒，对照筒，电导电极，差压传感器，收集管路；量测筒和对照筒为一对连体的内径和高度均相同、上端开口的有机玻璃圆筒；在量测筒和对照筒的侧壁靠近底部的地方各开一螺纹孔，分别用软管接差压传感器的两端；在量测筒底面开一孔，反向安装电导电极；收集管路向下一直延伸至量测筒底部。

所述的收集管路与防污屏障模型相连。

试验时该监测装置与防污屏障模型一起安装在土工离心机的吊篮中。

所述的电导电极和差压传感器的数据传输线与土工离心机数采系统的端口相连。

一种所述的装置的渗流量和浓度实时监测方法，步骤如下：差压传感器安装时，两端接口必须饱和，管道内无气泡，然后将收集管路插入量测筒内，接着往量测筒和对照筒中加入设定高度的去离子水，最后用保鲜膜将量测筒和对照筒的顶部封住，留一个针孔通气，防止水分蒸发；打开土工离心机数采系统，采集数据，启动土工离心机进行试验和监测；土工离心机运行过程中，从防污屏障模型下游面的渗出溶液通过收集管路连续地汇到量测筒内，量测筒内液位逐渐上升，浓度逐渐增大；差压传感器实时测量量测筒和对照筒内的液压差ΔP，电导电极实时测量量测筒内溶液的电导率值S；由实时液压差ΔP，得到实时液位差ΔH，根据实时液位差ΔH乘以量测筒内液位面面积得到实时液体体积增量ΔV，即实时渗流量Q；根据实时测量的电导率值S随时间变化图得到电导率值S开始增加的那个时刻，即为污染物击穿防污屏障的时间T；根据事先标定的电导率与浓度的关系，可将电导电极实时测量的电导率值S转换为浓度值C_a，这个浓度C_a为累积浓度，结合实时渗流量Q，可得实时出流浓度C；累积浓度C_a和实时出流浓度C满足如下关系：

$C_a^{m+1}{V}^{m+1}=C_a^m{V}^m+C^{m+1}{Q}^{m+1},$

其中V为量测筒（1）内实时总溶液体积，m表示固定时间步距的时间点，V^m分别表示时间点m所对应的量测筒（1）内累积浓度和总溶液体积，V^m+1＝V^m+Q^m+1；得到实时出流浓度

$C^{m+1}=\frac{C_a^{m+1}{V}^{m+1}-C_a^m{V}^m}{Q^{m+1}}.$

本发明具有的有益效果是：

1)实现在高速旋转的离心机环境下实时监测防污屏障离心模型试验过程中的渗流量及出流浓度，实时监测精度可达到秒级别。

2)根据实时的渗流量和出流浓度监测数据，可准确记录防污屏障被污染液击穿的时间，为防污屏障的渗透系数、扩散系数、阻滞因子等重要性能参数精确计算提供数据。

3)该套监测设备造价较低，制作简单，占用空间小，便于土工离心机中有限吊篮空间内同时开展多个模型试验。

附图说明

图1是土工离心机机载的渗流量和出流浓度实时监测装置的结构示意图。

图2是土工离心机机载的渗流量和出流浓度实时监测装置的俯视图。

图3是土工离心机机载的渗流量和出流浓度实时监测装置的剖面图。

图中标号：1为量测筒，2为对照筒，3为电导电极，4为差压传感器，5为收集管路，6为出流孔，7为防污屏障模型，8为模型筒，9为马氏瓶水头控制装置。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

防污屏障模型7可以是水平的也可以是竖向的，图1中以水平屏障为例。如图1所示，本发明提出的渗流量和出流浓度实时监测装置主要包括：一对连体的有机玻璃筒，一个为量测筒1，一个为对照筒2。两个筒直径、高度均一样，上端开口，具体尺寸可根据出流量大小，进行设计。量测筒1底部开一孔，安装电导电极3，电极头向上。电导电极3是现成产品经过改装而成的。在量测筒1和对照筒2侧壁靠近底部的地方各开一螺纹孔，分别用软管接差压传感器的两端。差压传感器安装时，两端接口必须饱和，管道内充满去离子水，无气泡。防污屏障模型7底部的出流孔6连接收集管路5，收集管路5向下一直延伸至接近量测筒1底部，用于将渗出液导入量测筒1内。连接差压传感器4的螺纹孔的开孔位置应尽量靠近底部，这样初始状态淹没差压传感器4端口和电导电极3感应段所需的去离子水位可以比较低。

试验前往量测筒1和对照筒2中加入去离子水，至指定的初始液位高度。初始液位要求淹没差压传感器4两端口和电导电极3感应段，同时保证收集管路5的端部也被淹没。然后用保鲜膜将量测筒1和对照筒2顶部封住，留一个针孔通气，尽量减少蒸发。将电导电极3和差压传感器4的数据传输线与土工离心机数采系统的端口相连。打开土工离心机数采系统，采集数据，启动土工离心机进行试验和监测；土工离心机运行过程中，从防污屏障模型7底部的出流孔6渗出来的溶液通过收集管路5连续地汇到量测筒1内，量测筒1内液位逐渐上升，浓度逐渐增大。差压传感器4是一种用来测量两端压力之间差值的传感器，可以量测两端接口的液压差。由于对照筒内液位为固定的，量测筒1内的液位上升，差压传感器4会实时反映量测筒1和对照筒2内的液压差ΔP变化。由差压传感器测得的实时液压差ΔP，可得到为实时液位差ΔH，由于量测筒内液位面的截面积A已知，根据实时液位差ΔH可以得到实时液体体积增量ΔV，即实时渗流量Q。电导电极3会实时测量量测筒1内溶液的电导率值S。当底部出现污染物时，电导率从零开始增加，在电导率随时间的变化图上找到电导率值S开始增加的时刻，这个时间即屏障底部初次出现污染物的时间，即为防污屏障的击穿时间T。根据事先标定的电导率与浓度的关系，可将电导电极3实时测量的电导率值S转换为浓度值C_a，这个浓度C_a为累积浓度，结合实时流量Q，可得实时出流浓度C。

累积浓度C_a和实时出流浓度C满足如下关系：

$C_a^{m+1}{V}^{m+1}=C_a^m{V}^m+C^{m+1}{Q}^{m+1},$

其中V为量测筒（1）内实时总溶液体积，m表示固定时间步距的时间点，V^m分别表示时间点m所对应的量测筒（1）内累积浓度和总溶液体积，V^m+1＝V^m+Q^m+1。

故实时出流浓度 $C^{m+1}=\frac{C_a^{m+1}{V}^{m+1}-C_a^m{V}^m}{Q^{m+1}}.$

Claims (1)

1.一种渗流量和出流浓度实时监测方法，其特征在于，采用一种土工离心机机载的渗流量和出流浓度实时监测装置，它包括量测筒(1)，对照筒(2)，电导电极(3)，差压传感器(4)，收集管路(5)；量测筒(1)和对照筒(2)为一对连体的内径和高度均相同、上端开口的有机玻璃圆筒；在量测筒(1)和对照筒(2)侧壁靠近底部的地方各开一螺纹孔，分别用软管接差压传感器(4)的两端；在量测筒(1)底面开一孔，反向安装电导电极(3)；收集管路(5)向下一直延伸至量测筒(1)底部；所述的收集管路(5)与防污屏障模型(7)相连；试验时该监测装置与防污屏障模型(7)一起安装在土工离心机的吊篮中；所述的电导电极(3)和差压传感器(4)的数据传输线与土工离心机数采系统的端口相连；

步骤如下：差压传感器(4)安装时，两端接口必须饱和，管道内无气泡，然后将收集管路(5)插入量测筒(1)内，接着往量测筒(1)和对照筒(2)中加入设定高度的去离子水，最后用保鲜膜将量测筒(1)和对照筒(2)的顶部封住，留一个针孔通气；打开土工离心机数采系统，采集数据，启动土工离心机进行试验和监测；土工离心机运行过程中，从防污屏障模型(7)渗出的出流溶液通过收集管路(5)连续地汇到量测筒(1)内，量测筒(1)内液位逐渐上升，浓度逐渐增大；差压传感器实时反映量测筒(1)和对照筒(2)内的液压差ΔP，电导电极(3)实时测量量测筒(1)内溶液的电导率值S；由实时液压差ΔP，得到实时液位差ΔH，根据实时液位差ΔH乘以量测筒(1)内液位面面积得到实时液体体积增量ΔV，即实时渗流量Q；根据实时测量的电导率值S随时间变化图确定电导率值S开始增加的那个时刻，即为污染物击穿防污屏障模型(7)的时间T；根据事先标定的电导率与浓度的关系，可将电导电极(3)实时测量的电导率值S转换为浓度值C_a，这个浓度C_a为累积浓度，结合实时渗流量Q，可得实时出流浓度C；

累积浓度C_a和实时出流浓度C满足如下关系：

$C_a^{m+1}{V}^{m+1}=C_a^m{V}^m+C^{m+1}{Q}^{m+1},$

其中V为量测筒(1)内实时总溶液体积，m表示固定时间步距的时间点，V^m分别表示时间点m所对应的量测筒(1)内累积浓度和总溶液体积，V^m+1＝V^m+Q^m+1；得到实时出流浓度

$C^{m+1}=\frac{C_a^{m+1}{V}^{m+1}-C_a^m{V}^m}{Q^{m+1}}.$