CN104677803A - 常、变水头复合渗透测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种常、变水头复合渗透测试装置，包括样品桶、输水管、注水装置、输气管和空压机；样品桶的顶部设有排气阀，至少三条测压管沿样品桶轴线方向均匀分布在样品桶的侧壁上；输水管分别与样品桶的顶部和靠近注水装置底部的侧壁相连；输水管上设有压力控制阀；注水装置的顶部设有排气阀和压力表，侧壁上设有刻度尺；输气管分别与注水装置靠近顶部的侧壁和空压机相连；输气管上设有压力控制阀。本发明结构简单，操作方便，通过调整压力控制阀及排气阀，使该装置能够兼容常水头渗透试验及变水头渗透试验。本发明制作成本较低，便于大范围的推广应用。

Description

常、变水头复合渗透测试装置

技术领域

本发明涉及一种泥石流源区宽级配砾石土渗透系数的测试装置，尤其涉及一种常、变水头复合渗透测试装置。

背景技术

泥石流作为一种灾变性事件是影响山区经济发展和人民生命财产安全的重大自然灾害，泥石流灾害不仅威胁交通运输，增大铁路、公路养护费用，还会淤塞河库、桥涵，降低工程使用寿命。由于泥石流成因复杂，量大面广，治理成本高，目前仍然无法进行全面控制。泥石流的性质决定了它的形成需要充足的水源，我国引发泥石流的水源大多来自降雨，降雨型泥石流的形成与土体的渗透性密切相关，砾石土的渗透特性是泥石流形成的关键环节，渗透系数是综合反映土体渗透能力的一个指标，对渗透系数的测定主要通过渗透试验而实现。

目前测定土体渗透系数主要包括常水头渗透试验及变水头渗透试验，所用仪器为传统的TST-70型渗透仪和南55型渗透仪。由于仪器设计缺陷，1、测定级配宽、粗颗粒含量多的砾石土时，受尺寸效应及水头动态变化的影响，试验过程及试验精度与实际有较大出入。2、不能兼容变水头渗透实验。采用三轴渗透仪测量时，虽然能够兼容常水头渗透试验及变水头渗透试验，但由于此类设备造价较高、操作复杂、对操作人员操作要求较高，因此不利于大范围推广应用。

发明内容

针对目前渗透测试仪器存在的问题，为有效测量泥石流源区砾石土的渗透系数，本发明提供一种常、变水头复合渗透测试装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种常、变水头复合渗透测试装置，包括样品桶、输水管、注水装置、输气管和空压机；所述样品桶的顶部设有排放样品桶内部气体的排气阀，至少三条测压管沿样品桶轴线方向均匀分布在样品桶的侧壁上；所述输水管的一端与样品桶的顶部相连，另一端与靠近注水装置底部的侧壁相连；所述输水管上设有用于控制样品桶注水流量的压力控制阀；所述注水装置的顶部设有用于调整注水装置内部压力的排气阀和检测注水装置内部压力的压力表，侧壁上设有用于观察液面高度的刻度尺；所述输气管的一端与注水装置靠近顶部的侧壁相连，另一端与空压机相连；所述输气管上设有用于控制注水装置内部压力的压力控制阀。

采用本发明的技术方案后：1、本装置可以方便灵活的调整水头大小，根据区域下垫面条件及降雨特征设置相应的水头高度。2、通过调整注水装置内部压力可以克服尺寸效应及水头动态变化对试验过程及试验精度的影响，能够准确测定泥石流源区宽级配砾石土的渗透系数。3、通过调整注水装置中的压力控制阀门及排气阀门，可以使此装置转变为变水头渗透试验装置，用于测定渗透性较小的土体。

进一步的改进，所述样品桶包括由透明有机玻璃制成的用于测试样品的测试管、多孔透水板和密封盖；所述多孔透水板为两块，一块与样品桶底部固定相连；一块设置在测试样品的顶部；所述密封盖的顶部设有用于安装排气阀和输水管的接口；所述密封盖通过密封螺丝固定在测试管的顶部。由于目前市面上的测试仪器主要为金属桶体，无法观测水分下渗过程及土样内部的颗粒运移情况，不能很好的结合试验现象分析土体破坏启动形成泥石流的机理。采用本发明的技术方案后，测试管采用透明的有机玻璃制成，能够方便地观测水分下渗过程及土样内部的颗粒运移情况。

进一步的改进，所述密封盖与测试管连接处设有密封垫。密封垫的采用能够提高样品桶的密封效果，保证测试数据的准确性。

进一步的改进，所述注水装置由透明的有机玻璃制成。在不观察刻度尺的情况下，可以大致判断注水装置内的液面高度。

进一步的改进，所述压力控制阀的量程为0.05-0.4MPA。通过调整压力控制阀的的量程来调节注水装置和样品桶的内部压力，进而控制试验所需水头的大小。

进一步的改进，所述样品桶和注水装置的底部分别设有可分离的支撑底座。可分离支撑底座的采用，使得本测试装置可以在野外使用，扩展了测试装置的使用范围。

本发明结构简单，操作方便，调过调整压力控制阀及排气阀的大小，能够兼容常水头渗透试验及变水头渗透试验。制作成本较低，便于大范围的推广应用。

附图说明

图1是常、变水头复合渗透测试装置的结构示意图。

其中：1、样品桶，2、输水管，3、注水装置，4、输气管，5、空压机，6、排气阀，7、测压管，8、压力控制阀，9、排气阀，10、压力表，11、刻度尺，12、压力控制阀，13、测试管，14、多孔透水板，15、密封盖，16、支撑底座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选的方式做进一步的阐述：

如图1所示，一种常、变水头复合渗透测试装置，包括样品桶1、输水管2、注水装置3、输气管4和空压机5。

所述样品桶1包括由透明有机玻璃制成的用于测试样品的测试管13、多孔透水板14和密封盖15。所述测试管13为内径20cm，长35cm的有机机玻璃管，3根内径为0.8cm的有机玻璃制成的测压管7沿测试管13轴线方向均匀分布固定在测试管13的侧壁上。各个测压管7之间的间距为10cm，最下端的测压管距离样品桶底部的间距为5cm。

多孔透水板14为两个，分别为样品桶底部的多孔透水板及装样后土样顶部的多孔透水板，底部的多孔透水板通过有机玻璃胶与测试管13的底部相连，试验前在测试管底部多孔透水板14上方铺设滤纸，依据土体密度及样品桶内土样体积计算所需土体质量，测试管13内的土样高度为30cm，共分三层成样，层与层之间用毛刷刨毛，装样后在样品顶部铺设滤纸，并放置顶部的多孔透水板14。

所述密封盖15上设有用于安装排气阀和输水管的接口；用于调整样品桶内部压力的排气阀6与排气阀接口固定连接。所述密封盖15通过密封螺丝固定在测试管13的顶部，所述密封盖15与测试管13的连接处还设有密封垫。所述样品桶的底部设有用来支撑样品桶1的可分离的支撑底座16。

所述输水管2为外径5cm的PVC管，通过密封胶一端与密封盖15顶部的输水管接口固定相连，另一端与靠近注水装置3底部的侧壁相连；所述输水管2上设有用于控制样品桶注水流量的压力控制阀8，通过调整压力控制阀，控制试验过程中注水压力，进而控制水头大小，压力控制阀8的量程为0.05-0.4MPA。

所述注水装置3由透明的有机玻璃制成，注水装置3的顶部设有排气阀9和压力表10，其中、排气阀9用于调整注水装置内部气压。压力表10用于检测注水装置内部的压力，通过调整排气阀9的大小从而控制注水装置中的水头大小。为了观察注水装置3的液面高度，在注水装置3的侧壁上设有用于观察液面高度的刻度尺11。

所述输气管4为外径5cm的PVC管，一端通过密封胶靠近注水装置3顶部的侧壁相连，另一端与空压机5通过生胶带及密封套环连接，输气管4上设有用于控制注水装置3内部压力的压力控制阀12，通过调整压力控制阀12，控制试验过程中注水装置内部压力，进而控制水头大小。压力控制阀12的量程为0.05-0.4MPA。所述注水装置3的底部设有用来支撑注水装置的可分离的支撑底座16。在野外试验时，为了保证整个装置的稳定性，将装好土样且密封好的样品桶及装好水的注水装置直接放置于可分离的支撑底座上。

常、变水头复合渗透测试装置工作原理：

依据区域的降雨特点，确定试验过程中所需水头大小，依据水头大小设置输水管及输气管4上的压力控制阀门12的量程。注水装置3中的压力大于输水管2上的压力控制阀8的量程时，输水管2上的压力控制阀8打开，注水装置3通过输水管2给样品桶1注水，渗透试验开始。随着水面高度下降，注水装置3中的液面高度逐渐减小，由于注水装置3内部压力减少，此时连接空压机5的输气管4上的压力控制阀12打开，对注水装置3的内部加气，即给液面施加压力，通过注水装置3顶部的压力表10监测注水装置内部的压力大小，当压力满足试验要求时，打开注水装置3顶部的排气阀9，控制注水装置3中压力室内的压力保持稳定，从而可以确保试验在常水头条件下进行。注水装置3顶部的排气阀9及输水管上的压力控制阀8打开的情况下，整个装置可以演变成变水头渗透测试装置，来测定渗透性较小的土体。

常、变水头复合渗透测试装置的测试方法：

步骤一：试验开始后，通过设置在注水装置侧壁的刻度尺，可以观测各时间段内水面下降的高度并计算时间t内的渗透量Q。

步骤二：由于试样的厚度即渗流长度为30cm，各个测压管之间的高度差为10cm，因此渗流长度L取为10cm，测试的截面积为(A＝πR²)314cm²。

步骤三：试验过程中观测三根测压管的水头高度，取三根测压管的平均水头差作为试验水头差h，用于计算渗透系数。当然测压管的数量还可以采用更多的数量，测压管的数量越多，测出的水头差越趋于真实。

步骤四：在样品桶的出水端用温度计测量水温T，并记录。

步骤五：根据公式(1)及公式(2)计算k_t及20℃时的渗透系数k₂₀，每组土样均配置三组进行平行试验：

$k_t=\frac{\mathrm{QL}}{\mathrm{A\Δht}}---\left(1\right)$

式中：k_t——水温T℃时试样的渗透系数，cm/s；

Q——时间t秒内的渗透水量(Q＝πr²H，r为注水管的内径，r＝7.5cm，H为时间t内注水管中水面下降的高度，cm)；

A——样品筒的截面面积(A＝πR²,R为样品筒的内径,R＝10cm)，cm²；

Δh——测压管水头差，cm；

L——两测压孔中心间的试样高度，10cm；

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

式中：k₂₀——标准温度(20℃)时试样的渗透系数，cm/s；

η_T——T℃时水的动力粘滞系数，kPa·s(10^-6)；

η²⁰——20℃时水的动力粘滞系数，kPa·s(10^-6)。

Claims (6)

1.一种常、变水头复合渗透测试装置，其特征在于：包括样品桶(1)、输水管(2)、注水装置(3)、输气管(4)和空压机(5)；所述样品桶(1)的顶部设有排放样品桶内部气体的排气阀(6)，至少三条测压管(7)沿样品桶(1)轴线方向均匀分布在样品桶(1)的侧壁上；所述输水管(2)的一端与样品桶(1)的顶部相连，另一端与靠近注水装置(3)底部的侧壁相连；所述输水管(2)上设有用于控制样品桶(1)注水流量的压力控制阀(8)；所述注水装置(3)的顶部设有用于调整注水装置内部压力的排气阀(9)和检测注水装置内部压力的压力表(10)，注水装置(3)的侧壁上设有用于观察液面高度的刻度尺(11)；所述输气管(4)的一端与注水装置(3)靠近顶部的侧壁相连，另一端与空压机(5)相连；所述输气管(4)上设有用于控制注水装置内部压力的压力控制阀(12)。

2.根据权利要求1所述的常、变水头复合渗透测试装置，其特征在于：所述样品桶(1)包括由透明有机玻璃制成的用于测试样品的测试管(13)、多孔透水板(14)和密封盖(15)；所述多孔透水板(14)为两块，一块与样品桶底部固定相连；一块设置在测试样品的顶部；所述密封盖(15)的顶部设有用于安装排气阀和输水管的接口；所述密封盖(15)通过密封螺丝固定在测试管(13)的顶部。

3.根据权利要求2所述的常、变水头复合渗透测试装置，其特征在于：所述密封盖(15)与测试管(13)连接处设有密封垫。

4.根据权利要求1所述的常、变水头复合渗透测试装置，其特征在于：所述注水装置(3)由透明的有机玻璃制成。

5.根据权利要求3或4所述的常、变水头复合渗透测试装置，其特征在于：所述压力控制阀(8,12)的量程为0.05-0.4MPA。

6.根据权利要求5所述的常、变水头复合渗透测试装置，其特征在于：所述样品桶(1)和注水装置(3)的底部分别设有可分离的支撑底座(16)。