CN103792172B - 加压式变水头渗透仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种加压式变水头渗透仪，包括水压输出部件、水压调控部件和变水头渗透仪。所述水压输出部件包括机架、通过金属连接管连接的位于机架外的补水水箱和阀门及位于机架内部的水泵、蓄水罐和分离器及传感器和水压操控面板；所述水压调控部件由水压调节开关、水压表和高强度橡胶管组成；出水管a、水压调节开关、三通部件和变水头渗透仪的进水管之间分别加装有高强度橡胶管；由于粘土的渗透系数较小，在水头差不大的情况下，通过土样的渗流十分缓慢且历时很长。通过提高输入渗透仪的水压，可以加快试验过程，提高试验的效率，节省了试验时间。

Description

加压式变水头渗透仪

一、技术领域

本发明涉及一种加压式变水头渗透仪，属于试验仪器改装领域，涉及可加水压的变水头渗透仪。

二、背景技术

土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象，称为土的渗透性。在工程中常需要了解土的渗透性，例如基坑开挖排水时，需要了解土的渗透性，以配置合适的排水设备；在河滩上修筑渗水路堤时，需要考虑路堤填料的渗透性；在计算饱和粘性土上建筑物的沉降和时间的关系时，需要掌握土的渗透性。渗透系数k是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对于渗透计算有着非常重要的意义。

渗透试验可分为常水头渗透试验和变水头渗透试验两种方法，土的渗透系数变化范围很大，可从10^-1cm/s变化到10^-8cm/s，因此，土的渗透系数的测定应根据不同的土质情况，分别采用不同的试验方法。常水头渗透试验适用于粗粒土渗透系数的测定，而变水头渗透试验则适用于细粒土渗透系数的测定。

对于粘性土，渗透系数一般很小（小于5x10^-6cm/s），在水头差不大的情况下，通过土样的渗流十分缓慢且历时很长，粘土内部需要几天时间才能形成渗透通道，导致变水头试验耗时，效率低下。

三、发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种加压式变水头渗透仪，目的在于提供一种可在实验室内测定土体渗透系数的加压式变水头渗透仪，具有缩短试验周期，提高试验效率，易于操作、试验数据准确的优点。该试验仪可以快速、简便地测得粘土的渗透系数。

一种加压式变水头渗透仪，包括水压输出部件、水压调控部件和变水头渗透仪。

所述水压输出部件包括机架、通过金属连接管连接的位于机架外的补水水箱和阀门及位于机架内部的水泵、蓄水罐和分离器及传感器和水压操控面板；所述机架为钢焊接成的底面开敞、其余五面封闭的立方体箱体；所述分离器上安装有阀门和传感器，传感器通过电线与水压操控面板连接；水压操控面板对水泵产生的水压进行设定，水压操控面板的液晶屏幕上可以直接显示分离器内部的水压值。所述阀门用于控制出水管的开与闭。分离器另一端通过出水管a与水压调控部件的高强度橡胶管连通；所述高强度橡胶管上安装有水压调节开关和水压表；所述补水水箱与水泵相连，用来向水泵中提供水源。水泵是此部分的核心构件，用来对水加压，水泵另一端与蓄水罐相连。蓄水罐主要用来存储从水泵输出的水，以保证输出水压的稳定性，还可起到压力的减缓冲击作用。所述水泵，传感器和水压操控面板需要的用电均通过电源线连接电源提供。支座起稳定机架的作用。

所述水压调控部件包括水压调节开关、水压表和高强度橡胶管。水压调节开关通过高强度橡胶管与水压输出部件的出水管a相连，主要用来更精确得控制出水管中的水压，水压调节开关通过三通部件分别连接水压表（量程可选用1.6Mpa）和变水头渗透仪的进水管，出水管a、水压调节开关、三通部件和变水头渗透仪的进水管之间分别加装有高强度橡胶管；水压表用于控制进入渗透仪中的水压。

所述变水头渗透仪包括下盖、上盖和套筒；下盖连接有进水管和排气管，排气管上设有止水夹，在试验中用于排出仪器内部的气体；套筒内部装有环刀土样；上盖与出水管b相连；紧固螺栓位于渗透仪的上部，通过螺栓固定支架与渗透仪的下盖连接。试验时将环刀土样的侧面涂一薄层凡士林（起隔绝水的作用），装入套筒内，土样的上下两面各放一片滤纸和透水石，然后放在渗透仪的下盖上面，再将上盖放在套筒的上面。安装时，上盖和下盖内部均需放置橡皮圈，以保证密封性。紧固螺栓用于将上盖拧紧，使各部件紧密接触。

本发明可为变水头渗透试验提供一种新设备，有益于缩短试验周期，提高试验效率，最终得到合理的试验数据，为分析土体的渗透性能提供科学的数据支持。对于粘性土，渗透系数一般很小，在水头差不大的情况下，通过土样的渗流十分缓慢且历时很长。而普通变水头渗透仪产生的水头差是很有限的（一般不会大于2m），试验时间通常需要数天的时间，若土样渗透系数很小，则可能需要等待的更长的时间。而本发明则通过水泵、蓄水罐、水压调节开关及水压表等的设置，从而提高水压的方法，人为地将水头差增大了几十倍，加速了土样渗流的时间，缩短了试验周期，试验时间只需在几小时之内完成。总之，本设备最大的优点是在保证试验数据的准确性和可靠性的前提下，极大地缩短了试验时间，节省了大量的人力和物力资源。

四、附图说明

图1为加压式变水头渗透仪构成示意图

图2为水压输出部件构成示意图

图3为水压调控部件构成示意图

图4为变水头试验仪构成示意图

图中1是机架，2是补水水箱，3是水泵，4是蓄水罐，5是分离器，6是传感器，7是水压操控面板，8是出水管a，9是阀门，10是金属连接管，11是电源线，12是支座，13是水压调节开关，14是三通部件，15是水压表，16是高强度橡胶管，17是套筒，18是上盖，19是下盖，20是进水管，21是出水管b，22是排气管，23是止水夹，24是紧固螺栓，25是螺栓固定支架。

五、具体实施方式

本发明是为快速方便测量土体的渗透系数而设计。主要是提供一种合理科学稳定的渗透仪，用于快速准确测定土体的渗透性能。

实用新型包括水压输出部件、水压调控部件和变水头渗透仪三部分。

水压输出部件需保证能输出一定压强（1.1Mpa左右）的水流；

水压调控部件由水压调节开关、三通部件、水压表及高强度橡胶管组成；（一）水压输出部件的基本组成

参照图2所示，水压输出部件由钢焊接的机架（1）组成，内部包括水泵（3）、蓄水罐（4）、分离器（5）和传感器（6），外部则有补水水箱（2）、水压操控面板（7）、出水管a（8）、电源线（11）和支座（12）等部分。水泵（3）以90瓦电动机为动力源，通过两级齿轮变速，带动偏心轴旋转，然后再通过导柱和连杆而驱使柱塞作往复运动而进行工作的。蓄水罐（4）是贮水的容器，还可起压力的减缓冲击作用。分离器（5）外观呈长条形，内部中空，主要作用是保证输出水流的稳定性，进一步缓冲压力，并便于安装出水阀门（9）和传感器（6）。出水阀门（9）主要用来控制水流的开关。传感器（6）为水压传感器，采用高精度高稳定性电阻应变计做为变送器的感压芯片，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路，型号可采用如PTG504（量程可选用0Mpa-6Mpa）等，用来实时监测分离器内部的水压力值。通过传感器（6），水压操控面板（7）可以控制水泵（3）产生一定范围内的稳定水压。补水水箱（2）用来向水泵内加水。

（二）水压调控部件的基本组成

参照图3所示，水压调控部件主要包括水压调节开关（13）、三通部件（14）和水压表（15）部分，三者按顺序通过高强度的橡胶管（16）连接，需要保证连接部分的密封性。水压调节开关（13）用来更准确地调节输入的水压，通过水压表（15）可以准确地得到系统内的实时水压力数值。试验证明，水压表的水压只需在1.0Mpa下，具体视土样的实际情况而定。水压表的量程可选用1.6Mpa。

（三）变水头渗透仪的基本组成

参照图4所示，变水头渗透仪外观类似普通型渗透仪，包括套筒（17），上盖（18），下盖（19），进水管（20），出水管b（21），排气管（22），止水夹（23）和紧固螺栓（24）。进水管（20）和排气管（22）连接处需要进行局部加强（进水管、排气管与渗透仪连接处采用螺丝连接并添加高强度粘合剂），以保证连接处在高压力水下的密封性。

（四）试验设备安装与连接

参照图1所示，通过高强度橡胶管（16）将水压输出部件的出水管a（8）与水压调控部件中的水压调节开关（13）连接，水压调节开关（13）通过三通部件（14）的另外两端分别连接水压表（15）和变水头试验仪的进水管（20）。试验前需检测各连接部位的密封性，尤其是在较高水压（1.1Mpa）下的密封性。

（五）加压式变水头试验仪的设置与运行

按照《土工试验规程》（SL237-1999）中的要求制备环刀土样，在环刀周围涂一薄层凡士林，然后放入到变水头渗透仪的套筒（17）内，环刀土样上下均放上透水石和滤纸，将套筒（17）放到渗透仪的下盖（19）上，然后在套筒（17）上放好上盖（18），上盖（18）和下盖（19）中需放置橡胶圈，以保证密封性，之后将紧固螺栓（24）拧紧，以保证各部分紧密接触，不漏水不漏气。参照图1所示，首先将水压输出部件中的补水水箱（2）装入蒸馏水，接通电源线（11），通过水压操控面板（7）控制系统内的水压，水压下限设为1.0Mpa，水压上限设定为1.2Mpa，这样水压输出部件可以一直维持在1.1Mpa左右的水压。待水压稳定后，打开阀门（9），此时水压调控部件中的水压调节开关（13）是关闭的，然后缓慢转动水压调节开关（13），使水流缓慢流入变水头渗透仪的进水管（20）。观察水压表（15）的读数，此时一定要维持在较低的水压（0.2Mpa左右）下。打开变水头渗透仪上的止水夹（23），排除渗透容器底部的空气（可以将渗透仪竖起来，使排气管向上，从而加速渗透容器内空气的排出），直至溢出水中无气泡。关闭止水夹（23），放平渗透仪，开始进行试验测定。继续调节水压调节开关（13），此时一定要及时观测水压表（15）的读数，保证水压表读数维持在0.2Mpa左右。根据土样的密实程度，将水压表调整到比较高的位置，如0.6Mpa，关闭水压调节开关，同时用秒表开始计时；一定时间段△t后读取水压表的读数。在此过程中还要用温度计测记出水管b(21)的水温T。试验完成后重新打开水压调节开关，改变水压表的读数，再次记录水压表读数和时间变化，重复试验5-6次。

（五）数据分析与处理

设秒表记录的时间差为△t(s)，水压表前读数为X₁(Mpa),水压表后读数为X₂(Mpa),水压调控部件的高强度橡胶管的断面积为a(cm²)，环刀土样高度为L(cm),环刀土样的断面积为A（cm²）。

可以通过达西定律推导出计算出土体的渗透系数的计算公式，

$k_T=\frac{\mathrm{aL}}{\mathrm{A\Δt}}\ln \frac{X_1}{X_2}---\left(1\right)$

(1)式中k_T为水温为T℃时土的渗透系数(cm/s)。

按(2)式计算温度为20℃时的渗透系数：

$k_{20}=k_T\frac{{\mathrm{\η}}_T}{{\mathrm{\η}}_{20}}---\left(2\right)$

式中k₂₀为水温为20℃时土样的渗透系数(cm/s)，k_T为水温为T℃时土样的渗透系数(cm/s)，η_T为T℃时水的动力粘滞系数(kPa·s),η₂₀为20℃时水的动力粘滞系数(kPa·s)。η_T和η₂₀可以通过规范中的相关表格查到。

将测得的几个渗透系数中较接近（各数据的最大误差限度根据具体试验的误差要求确定）的几个，求其算数平均值，此平均值即为土体渗透系数。

本发明填补了变水头渗透试验仪器方面的空白，具有很好的科研和实用价值。

Claims (1)

1.一种加压式变水头渗透仪，其特征在于包括水压输出部件、水压调控部件和变水头渗透仪；

所述水压输出部件包括机架、通过金属连接管连接的位于机架外的补水水箱和阀门及位于机架内部的水泵、蓄水罐和分离器及传感器和水压操控面板；所述机架为钢焊接成的底面开敞、其余五面封闭的立方体箱体；分离器外观呈长条形，内部中空，用于保证输出水流的稳定性，以缓冲水流压力；

所述分离器上安装有阀门和传感器，传感器通过电线与水压操控面板连接；所述传感器为水压传感器，用以实时监测分离器内部的水压力值；通过传感器和水压操控面板控制水泵产生稳定水压；水压操控面板对水泵产生的水压进行设定，水压操控面板的液晶屏幕上直接显示分离器内部的水压值；所述阀门用于控制出水管的开与闭；分离器另一端通过出水管a与水压调控部件的高强度橡胶管连通；所述高强度橡胶管上安装有水压调节开关和水压表；所述补水水箱与水泵相连，用来向水泵中提供水源；所述水泵另一端与蓄水罐相连；所述水泵，传感器和水压操控面板均通过电源线连接电源提供；

所述水压调控部件包括水压调节开关、水压表和高强度橡胶管；水压调节开关通过高强度橡胶管与水压输出部件的出水管a相连，所述水压调节开关通过三通部件分别连接水压表和变水头渗透仪的进水管；出水管a、水压调节开关、三通部件和变水头渗透仪的进水管之间分别加装有高强度橡胶管；水压表用于控制进入渗透仪中的水压；

水压输出部件中的补水水箱装入蒸馏水，接通电源线，通过水压操控面板控制系统内的水压，水压下限设为1.0Mpa，水压上限设定为1.2Mpa，水压输出部件一直维持1.1Mpa的水压；待水压稳定后，打开阀门，然后打开水压调节开关，使水流缓慢流入变水头渗透仪的进水管；观察水压表的读数，水压维持在0.2Mpa以下；打开变水头渗透仪上的止水夹，排除渗透容器底部的空气；关闭止水夹，放平渗透仪，开始进行试验测定；继续调节水压调节开关，保证水压表读数维持在0.2Mpa；水压调节开关用以调节输入的水压，通过水压表得到系统内的实时水压力数值；

所述变水头渗透仪包括下盖、上盖和套筒；下盖连接有进水管和排气管，排气管上设有止水夹；套筒内部装有环刀土样；上盖与出水管b相连；紧固螺栓位于渗透仪的上部，通过螺栓固定支架与渗透仪的下盖连接；紧固螺栓用于将上盖拧紧，使各部件紧密接触。