CN104535474B - 基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法，其包括以下步骤:将测试主控电脑放置在试验者适用的位置并与离心机载主机通过无线连接，将高密度电阻率测定装置与离心机载主机通过数据线连接，电极通过导线与所述高密度电阻率测定装置电连接；将主体模型箱固定于离心旋转臂的一端，将电极按顺时针均匀布设在所述主体模型箱的边缘部位；将储液箱固定于所述主体模型箱内待测试验土料的上部；测试主控电脑发送测试开始\终止命令至高密度电阻率测定装置，高密度电阻率测定装置根据命令进行测试动作或终止测试动作。基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法能够满足三维、无损、实时的量测需求。

Description

基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法

技术领域

本发明涉及一种基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法，尤其涉及一种应用于土工离心模型试验中的、基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法。

背景技术

土工离心模型试验是岩土工程领域非常重要的技术手段，也是渗流及污染物运移等相关问题研究的强有力工具之一。在岩土工程中，土的自重应力通常占支配地位，土的力学特性和水力特性随应力水平而变化。小比尺离心模型试验采用与原型相同的材料，在土工离心机形成的高加速度场中达到与原型相同的应力水平，从而使模型与原型的应力应变相等、变形相似、破坏机理相同，能够再现原型特性，这是其它普通试验手段所无法比拟的。然而，土工离心机超重力、高速的试验条件对量测设备的适应性和可靠性提出了更高的要求，要想实现三维、无损、实时量测更加困难。

超重力环境的土工离心模型试验中现有的水分及溶质迁移过程的量测技术主要包括传感器量测法、图像分析法及取样分析法三类，但这些典型的方法并不能充分满足三维、无损、实时的量测需求。传感器量测法中，传感器探头及传输线路可能干扰土体中渗流及溶质迁移等物理过程，在土体中诱发优势渗流通道。同时，该类方法为单点量测，量测成本较高，并不适于大范围、多断面量测。图像分析法多适用于一维及二维试验观测，不适用于三维试验过程量测。同时，图像分析效果及精度受土料及污染物性质、观测角度及距离等因素影响显著。取样分析法能获得较为准确的介质特性资料，但通常无法进行实时量测及分析，获取的试验过程信息有限，且整体的量测精度会受取样点位置、取样个数等因素影响。

故，现有的量测方法或多或少存在一些典型缺陷及不足，岩土工程测试迫切需要发展能够同时满足无损、三维、实时的，且能够适应超重力离心环境并保证高精度的量测方法。

发明内容

综上所述，有必要提供一种基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法，该方法能够实现对土工离心模型试验中模拟渗流及溶质迁移过程的三维、无损、实时量测。

一种基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法，其包括以下步骤: a. 提供一具有转动连接在一起的离心旋转轴及离心旋转臂的离心机，并提供一离心机载主机，所述离心旋转臂围绕所述离心旋转轴旋转；b. 提供一土工模型装置及一高密度电阻率测定分析系统，所述土工模型装置包括主体模型箱及储液箱，所述主体模型箱用于盛装待测试验土料，所述储液箱用于盛装试验所需液体，所述高密度电阻率测定分析系统包括高密度电阻率测定装置、电极及测试主控电脑，将所述高密度电阻率测定装置安置并固定在所述离心旋转臂，将所述测试主控电脑放置在试验者适用的位置并与所述高密度电阻率测定装置电连接，所述电极通过导线与所述高密度电阻率测定装置电连接，所述高密度电阻率测定装置通过数据传输线与所述离心机载主机电连接；c.向所述主体模型箱内填充试验土料，分层夯实并达到预定高度后埋入所述电极，将所述电极按顺时针均匀布设在所述主体模型箱的边缘部位，并将与所述电极连接的所述导线从所述主体模型箱的边缘部位引出，接入所述高密度电阻率测定装置，再将所述主体模型箱固定于所述离心旋转臂的一端；d.将所述储液箱固定于所述主体模型箱内待测试验土料的上部，于所述储液箱中盛满溶液并调节入渗水头，还通过一气压入渗控制装置将所述储液箱与待测试验土料连接，所述储液箱内的液体通过所述气压入渗控制装置控制是否入渗至所述待测试验土料；e. 检查装置气密性和连通性，打开所述高密度电阻率测定装置开关，利用测试主控电脑发送测试开始\终止命令至所述高密度电阻率测定装置，所述高密度电阻率测定装置根据命令进行测试动作或终止测试动作。

本发明提供的基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移率量测方法在离心机高速运转环境下能够实现岩土的渗流及溶质迁移过程的三维、无损、实时量测。

附图说明

图1为本发明实施例基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法的工艺流程图。

图2为本发明实施例提供的土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置的示意图。

图3为图2所示土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置的部分装置的放大示意图。

图4为图3所示土工模型装置的俯视图。

主要元件符号说明

土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置	1
		土工模型装置	10
高密度电阻率测定分析系统	20
		离心机	30
离心旋转轴	31
		离心轴向滑环	310
离心机载主机	32
		离心旋转臂	33
操作台面	330
		吊篮	332
主体模型箱	12
		不锈钢架	13
储液箱	14
		气压入渗控制装置	15
软管	16
		试验土料	18
底部	121，141
		侧壁	122，142
溢流孔	123
		溢流槽	124
顶部	143
		螺栓孔	144
橡胶塞	146
		进气管	147
出水孔	148
		高密度电阻率测定装置	21
导线	22
		电极	23
测试主控电脑	24
		侧面	210
USB接口	212
		导线接口	214

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

本发明提供的基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移率量测方法，该方法主要用于室内超重力、高速等试验条件的土工离心模型试验中。高密度电阻率法是地球物理及水文地质领域的一种重要勘察方法。高密度电阻率法主要利用介质的电阻率受结构、组份、饱和度、溶质浓度及温度等多种因素影响的特性，在其中某些因素不变或相对不变的条件下，可通过测定介质电阻率时空的分布及变化来间接反映介质相关特性的分布及变化。

具体的量测方法，包括以下步骤:

步骤（S1），提供一离心机30，该离心机30包括离心旋转轴31、离心机载主机32及离心旋转臂33，所述离心旋转臂33与所述离心旋转轴31转动连接，所述离心旋转臂33围绕所述离心旋转轴31高速旋转，所述离心机载主机32固定在所述离心旋转轴31附近；

步骤（S2），提供一土工模型装置10及一高密度电阻率测定分析系统20，所述土工模型装置10包括主体模型箱12及储液箱14，所述主体模型箱12用于盛装待测试验土料18，所述储液箱14用于盛装试验所用液体，该高密度电阻率测定分析系统20包括高密度电阻率测定装置21、电极23及测试主控电脑24，将所述高密度电阻率测定装置21安置并固定在所述离心旋转臂33，将所述高密度电阻率测定装置21与所述离心机载主机32电连接，将所述测试主控电脑24放置在试验者适用的位置并与所述离心机载主机32电连接，所述电极23通过导线22与所述高密度电阻率测定装置21电连接；

步骤（S3），向所述主体模型箱12内填充试验土料18，分层夯实并达到预定高度后埋入所述电极23，将所述电极23按顺时针均匀布设在所述主体模型箱12的边缘部位，并将与所述电极23连接的所述导线22从所述主体模型箱12的边缘部位引出，接入所述高密度电阻率测定装置21，再将所述主体模型箱12放置于所述离心旋转臂33的一端；

步骤（S4），将所述储液箱14通过一不锈钢架13固定于所述主体模型箱12内待测试验土料18的上部，于所述储液箱14中盛满溶液并调节入渗水头，还通过一气压入渗控制装置15将所述储液箱14与待测试验土料18连接，所述储液箱14内的液体通过所述气压入渗控制装置15控制是否入渗至所述待测试验土料18；

步骤（S5），通过所述测试主控电脑24编写电极组合文件、电极坐标文件和测试文件，电极组合文件是高密度电阻率测定装置21每次选取测定电极的依据，电极坐标文件即各埋设电极的坐标，测试文件是高密度电阻率测定装置21的测试执行文件；

步骤（S6），检查装置气密性和连通性，打开所述高密度电阻率测定装置21开关，使所述测试主控电脑24进入操作界面，所述测试主控电脑24发送测试开始\终止命令至所述高密度电阻率测定装置21，所述高密度电阻率测定装置21根据命令进行测试动作或终止测试动作，运转所述离心机30，分级加载至预定加速度并固结一段时间，关闭气压入渗控制装置15开关，使所述储液箱14中的溶液在超重力环境下以恒定水头入渗至试验土料18，一段时间后停机。

所述步骤（S1）中，所述离心旋转轴顶部设有一离心轴向滑环310，所有通讯、油路、管路主要通过所述离心轴向滑环310接入离心机，实现与外部的通讯。所述离心旋转臂33为具有一操作台面330的长方形体。所述离心旋转臂33的中间部位旋转连接所述离心旋转轴31，换句话说所述离心旋转轴31位于所述操作台面330的中间部位，并且支撑该操作台面330。所述离心旋转臂33的远离所述离心旋转轴31的一端部具有吊篮332。所述离心旋转轴31及所述离心旋转臂33为常规土工离心试验用离心机的离心旋转轴及离心旋转臂，通用常规设计，这里不再赘述。

所述步骤（S2）中，所述高密度电阻率测定装置21通过数据传输线与所述离心机载主机32电连接，并通过导线22与所述电极23电连接。所述测试主控电脑24通过无线网与所述离心机载主机32电连接。所述电极23为不锈钢螺纹杆，使用时埋设于所述主体模型箱12的所述试验土料18中。

所述高密度电阻率测定装置21固定于所述离心旋转臂33的所述操作台面330。所述高密度电阻率测定装置21为具有六个侧面的矩形体，在其一侧面210设置有USB接口212及导线接口214。将所述高密度电阻率测定装置21用不锈钢机箱封装，保护内部电子元件。将高密度电阻率测定装置21的具有USB接口212及导线接口214等的所述侧面210垂直于所述离心旋转臂33的所述操作台面330，并且平行于所述离心旋转臂33的延伸方向放置，避免离心模型试验中所述离心旋转臂33高速运转情况下连接线被拔出。将所述高密度电阻率测定装置21及其封装箱用铁箍等固定元件固定于所述离心旋转臂33的所述操作台面330上，固定点尽可能靠近所述离心旋转轴31，尽量减小离心力对所述高密度电阻率测定装置21的影响，最大程度地保护所述高密度电阻率测定装置21。所述高密度电阻率测定装置21与所述导线22采用卡槽式连接方式连接，并用螺丝钉等固定元件固定。

所述测试主控电脑24内部搭载Linux Fedora 20操作系统及相关测试控制程序，主要包括测定控制、反演计算、数据后处理及成像等程序。所述测试主控电脑24为一体机或笔记本电脑，可将所述测试主控电脑24放置于操作者易操控的位置与所述离心机载主机32以无线网连接方式连接。所述离心机载主机32置于所述离心旋转臂33的所述操作台面330靠近所述离心旋转轴31处。所述测试主控电脑24可以位于离心实验室的其他位置或离心实验室外的位置。所述高密度电阻率测定装置21的测试数据传输至所述测试主控电脑24并存储及分析。所述高密度电阻率测定装置21利用可编程控制器（PLC）作为电极组合及转换开关，配备256个测试端口，通过所述电极23及所述导线22与所述主体模型箱12连接。

所述步骤（S3）中，所述主体模型箱12为一端开口的中空圆柱形体，采用绝缘的有机玻璃制成，其包括呈矩形的底座121及与所述底座121连接的侧壁122。所述侧壁122的靠近所述底部121的部分设置有四个溢流孔123。所述主体模型箱12的所述侧壁122的外侧、靠近所述底部121相对设置有两个溢流槽124，所述主体模型箱12与每一个溢流槽124通过两个所述溢流孔123连通。所述两个溢流槽124具有不同的高度。可根据试验需求进行试样饱和或模拟控制地下水水位。所述溢流槽124及其设置也是通用常规设计，这里不再赘述。

在布设所述电极23之前先进行所述导线22及所述电极23通路测试，排查短路及断路情形；之后靠近所述主体模型箱12的所述侧壁122均匀布设一层所述电极23，并将所述导线22从所述主体模型箱12的所述侧壁122引出，接入所述高密度电阻率测定装置21；如此往复，直至达到预定的土样高度。埋设的电极层数及每层电极个数可根据土样高度及具体的量测需求调整。

所述步骤（S4）中，所述气压入渗控制装置15通过软管16分别与所述储液箱14及所述主体模型箱12内的待测试验土料18连接，所述储液箱14内的液体通过所述气压入渗控制装置15控制是否入渗至所述待测试验土料18。所述高密度电阻率测定分析系统20用于测定所述主体模型箱12内所述待测试验土料18的电阻率变化。可以理解的是，所述储液箱14及所述气压入渗控制装置15共同可以称之为液体入渗装置，该液体入渗装置供液体入渗至所述主体模型箱12内的试验土料18。

所述储液箱14由透明有机玻璃制成的中空圆柱形体。所述储液箱14包括底部141、侧壁142及顶部143，所述底部141与所述顶部143相对，所述侧壁142连接所述底部141与所述顶部143。所述储液箱14通过所述底部141设置于不锈钢架13上。所述储液箱14的所述侧壁142设置有刻度，试验时可通过观察液面高度并由此计算入渗率。所述储液箱14依据马氏瓶原理（Mariotte’s System）可简便地实现土工离心机内恒定水头控制。

所述储液箱14的所述顶部143设置有螺栓孔144及进气孔(未标示)。所述螺栓孔144主要用于辅助排气，进行试验时需要堵住所述螺栓孔144。所述进气孔内套设有中空的橡胶塞146，所述橡胶塞146中空处穿过有机玻璃进气管147，可通过上下调节进气管147的高度以实现不同高度的恒定入渗水头控制。所述进气管147在所述橡胶塞146中可上下移动，换句话说所述进气管147的高度可调节。所述储液箱14的所述侧壁142靠近所述底部141的位置处设置有出水孔148。所述储液箱14中盛有溶液，并通过所述软管16及所述气压入渗控制装置15与所述主体模型箱12内的所述试验土料18连接。

所述气压入渗控制装置15设置于所述不锈钢架13的上方所述储液箱14的外侧，且该气压入渗控制装置15的一端通过所述软管16与所述储液箱14的出水孔148连接，另一端通过另外一个软管16与所述主体模型箱12内的所述试验土料18连接。所述气压入渗控制装置15主要由不锈钢管及气囊组成，所述气压入渗控制装置15的构造及其设置也是常规土工离心试验通用常规设计，这里不再赘述。

在进行声明的是所述步骤（S4）和步骤（S5）之间，或步骤（S5）和步骤（S6）之间即可以开启所述气压入渗控制装置15的开关。

所述步骤（S5）中，电阻率测试采用四电极测试法，即四个电极得到一个电阻率值。向其中两个电极输入电流，测量另两个电极处的电位差，根据电流、电压和装置系数计算电阻率。因此电极组合文件每行四个电极，一行定义一个测试序列，四个电极可在同一平面或同一剖面。高密度电阻率测定装置21可根据电极组合文件进行遍历测定。电极坐标文件即各埋设电极的坐标，对于圆柱体主体模型箱12，选取中心点为原点，指向自己一侧为y轴，平面内垂直方向为x轴。根据电极坐标文件确定测得数据的位置，根据三维模型上的部分数据反演电阻率三维分布。测试文件是电阻率测定装置的测试执行文件。根据测试文件，确定测试需要的各参数，电阻率测定装置根据指定电极组合文件进行测试，并将测试数据根据指定名称命名。

所述步骤（S6）中，在整个试验过程中，试验者可根据试验数据的需要自主决定测试动作的开始时间和结束时间，进行量测试验。得到的测试数据通过电阻率反演计算得到三维电阻率分布，并可通过切片程序得到任意平面的电阻率分布。根据电阻率分布与含水量、离子浓度等的关系，分析水分及溶质迁移规律，达到利用高密度电阻率法量测水分及溶质迁移过程的目的。

本发明提供的基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移率量测方法具有以下优点：第一、首次将高密度电阻率测定分析系统20应用于离心机高速运转环境中，解决了设备固定、导线连接固定、测试动作远程控制、数据采集及存储等问题；第二、设计的基于高密度电阻率法的水分及溶质迁移量测装置1可方便地实现多种类型底部边界控制及两级高度水位控制，可灵活应用于试样饱和及地下水水位模拟。设计的储液箱14及气压入渗控制装置15能在离心机高速运转的情况下实现上部恒定水头入渗边界条件控制。储液箱14可通过调节进气管高度获得一定范围内恒定入渗水头，可对入渗进行实时量测。气压入渗控制装置15小巧灵活，操作简便；采用非电磁类设计，避免对电子设备及电法量测产生影响；第三、基于高密度电阻率法的测试方法能够满足三维、无损、实时的量测需求。将高密度电阻率法应用于室内有限单元模型试验，可灵活实现多维度量测及分析；试验时将量测电极布设于试验影响区域之外，避免电极23及导线22对试验过程的影响，实现对物理过程的无损量测。在试验进行过程中可根据实测的电阻值，进行实时结果处理及计算分析，从而对试验过程进行实时监测及分析判断。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法，其包括以下步骤:

a.提供一具有转动连接在一起的离心旋转轴及离心旋转臂的离心机，并提供一离心机载主机，所述离心旋转臂围绕所述离心旋转轴旋转；b.提供一土工模型装置及一高密度电阻率测定分析系统，所述土工模型装置包括主体模型箱及储液箱，所述主体模型箱用于盛装待测试验土料，所述储液箱用于盛装试验所需液体，所述高密度电阻率测定分析系统包括高密度电阻率测定装置、电极及测试主控电脑，将所述高密度电阻率测定装置安置并固定在所述离心旋转臂，将所述测试主控电脑放置在试验者适用的位置并与所述高密度电阻率测定装置电连接，所述电极通过导线与所述高密度电阻率测定装置电连接，所述高密度电阻率测定装置通过数据传输线与所述离心机载主机电连接；

c.向所述主体模型箱内填充试验土料，分层夯实并达到预定高度后埋入所述电极，将所述电极按顺时针均匀布设在所述主体模型箱的边缘部位，并将与所述电极连接的所述导线从所述主体模型箱的边缘部位引出，接入所述高密度电阻率测定装置，再将所述主体模型箱固定于所述离心旋转臂的一端；

d.将所述储液箱固定于所述主体模型箱内待测试验土料的上部，于所述储液箱中盛满溶液并调节入渗水头，还通过一气压入渗控制装置将所述储液箱与待测试验土料连接，所述储液箱内的液体通过所述气压入渗控制装置控制是否入渗至所述待测试验土料；

e.检查装置气密性和连通性，打开所述高密度电阻率测定装置开关，利用测试主控电脑发送测试开始\终止命令至所述高密度电阻率测定装置，所述高密度电阻率测定装置根据命令进行测试动作或终止测试动作。

2.如权利要求1所述的基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法，其特征在于，所述离心旋转臂为具有一操作台面的长方形体，端部具有吊篮，且长方形体的所述离心旋转臂的中间部位与所述离心旋转轴旋转连接，所述离心旋转轴顶部设有离心轴向滑环。

3.如权利要求2所述的基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法，其特征在于，所述步骤c中，将所述主体模型箱放置于所述离心旋转臂的吊篮中，所述步骤e中，通过所述离心轴向滑环实现与外部通讯。

4.如权利要求2所述的基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法，其特征在于，所述离心机载主机在所述离心旋转臂的所述操作台面，靠近所述离心旋转轴固定，所述高密度电阻率测定装置与所述离心机载主机电连接，所述离心机载主机与所述测试主控电脑无线连接。

5.如权利要求2所述的基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法，其特征在于，所述高密度电阻率测定装置为具有六个侧面的矩形体，在其一侧面设置有USB接口、导线接口及电源接口。

6.如权利要求5所述的基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法，其特征在于，所述步骤b中将高密度电阻率测定装置的具有USB接口、导线接口及电源接口的侧面垂直于所述离心旋转臂的所述操作台面，并且平行于所述离心旋转臂的延伸方向放置。

7.如权利要求5所述的基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法，其特征在于，所述步骤b中将高密度电阻率测定装置，在所述离心旋转臂的所述操作台面上，靠近所述离心旋转轴固定。

8.如权利要求1所述的基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法，其特征在于，所述主体模型箱为一端开口的中空圆柱形体，采用绝缘的有机玻璃制成，其包括呈矩形的底座及与所述底座连接的侧壁，所述步骤c中靠近所述主体模型箱的所述侧壁均匀布设所述电极，并将与所述电极连接的所述导线从所述主体模型箱的所述侧壁引出，接入所述高密度电阻率测定装置。

9.如权利要求1所述的基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法，其特征在于，所述储液箱由透明有机玻璃制成的中空圆柱形体，所述储液箱的侧壁设置有刻度，所述储液箱的顶部设置有进气管，通过上下调节进气管的高度以实现超重力离心环境下不同高度的恒定入渗水头控制。

10.如权利要求1所述的基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移量测方法，其特征在于，所述气压入渗控制装置的一端通过一软管与所述储液箱连接，另一端通过另一软管与所述主体模型箱内的所述试验土料连接。