CN105092450B - 一种低渗透性饱和粘土渗透测定仪及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及关于地质领域实验室内用于粘土低渗透性饱和粘土渗透测定仪及测试方法，特别涉及一种低渗透性饱和粘土渗透测定仪及测试方法。该测定仪包括空压机、供水瓶、渗透装置和集水瓶，所述空压机通过管道分别连通供水瓶和渗透装置，所述供水瓶通过管道连通渗透装置一端，所述渗透装置另一端通过管道连通集水瓶。优点：本装置结构简单，操作方便，制作成本较低，可以准确、迅速地测试获得粘性土的渗透系数，测试效率较高，耗时较少，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及关于地质领域实验室内用于粘土低渗透性饱和粘土渗透测定仪及方法，特别涉及一种低渗透性饱和粘土渗透测定仪及测试方法。
背景技术
粘性土弱透水层孔隙水与含水层关系密切，近年来由于我国经济发展较快，地下水资源的过量开采动用了大量不可恢复的粘性土孔隙水资源，导致局部地区出现大面积地面沉降等地质灾害问题；另一反面，由于粘性土孔隙水渗流缓慢，可能封存了丰富的古气候古环境信息，通过研究粘性土孔隙水的运移，有利于解释一些水文地质及工程地质问题，有利于对古水文地质、古水文地球化学信息的恢复。目前来说，传统的渗透仪器多注重于粗粒土样，对于较细粒的粘土测试仪器较少，个别低渗透装置存在渗透时间较长，受温度和蒸发的影响较为严重，精确度较低，误差较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低渗透性饱和粘土渗透测定仪及测试方法，有效的解决了传统的渗透仪器注重于粗粒土样，对于较细粒的粘土测试仪器较少，个别低渗透装置存在渗透时间较长，受温度和蒸发的影响较为严重，精确度较低，误差较大的缺陷。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种低渗透性饱和粘土渗透测定仪，包括空压机、供水瓶、渗透装置和集水瓶，上述空压机通过管道分别连通供水瓶和渗透装置，上述供水瓶通过管道连通渗透装置一端，上述渗透装置另一端通过管道连通集水瓶。
上述渗透装置包括围压室和渗透机构，上述渗透机构两端固定在围压室两侧内壁上，上述空压机通过管道连通围压室，上述渗透机构两端分别通过管道连通供水瓶和集水瓶。
上述渗透机构包括两个一端开口的耐压钢桶、橡胶套和两个透水石，两个上述耐压钢桶对称安装在围压室内部两端，且开口端相对设置，上述橡胶套套接置于两个耐压钢桶之间，且两端通过O型圈与围压室内壁密封连接，两个上述透水石对称设置在橡胶套的内部两端端口处，两个上述透水石与橡胶套之间形成一个样品室。
上述空压机通过三通管路分别连通供水瓶和渗透装置。
上述三通管路包括主管路、第一分管路和第二分管路，上述主管路一端分别与第一分管路和第二分管路的一端连通，另一端连通空压机，上述第一分管路另一端连通供水瓶，第二分管路另一端连通渗透装置。
上述主管路上由连通空压机的一端到另一端依次设置有第一开关阀和干燥装置，上述第一分管路上由连通主管路的一端到连通供水瓶的一端依次设置有第二开关阀、第一精密调压阀和单向进气阀，上述第二分管路上由连通主管路的一端到连通渗透装置的一端依次设置有第三开关阀和第二精密调压阀。
上述供水瓶上设置有用于监测供水瓶内部气压的压力表。
上述供水瓶与渗透装置连通的管道上设置有止水夹。
一种低渗透性饱和粘土渗透测定仪的测试方法，包括以下几个步骤：
第一步：样品试样制作，具体为，
S1：整平样品试样，将内涂凡士林的试样环刀压入试样少许，再将环刀压下的土样侧面削去一层，使与环刀刃口相接处的土样直径值略大于环刀内径；
S2：重复上述步骤S1，至试样突出环刀上部；
S3：削去环刀两侧余样，反复涂抹试样的表面，避免试样表面孔隙堵塞或试样压缩，存放在干燥环境中备用；
S4：记录试样的长度l，试样直径d，计算得出试样截面面积A。
第二步：将上述第一步中得到的样品试样放入真空机中进行饱水24-72小时，存放备用；将渗透装置中的透水石取出也放入真空机中进行饱水24-72小时，后安装进渗透装置中；
第三步：将第二步中饱水处理的样品试样安放在样品室内，并在透水石表面包覆滤纸；
第四步：打开止水夹，供水瓶内液体对渗透装置进行渗透测试，同步，打开空压机，打开主管路的第一开关阀，打开空压机与供水瓶连通的管路上依次设置有第二开关阀、第一精密调压阀和单向进气阀，打开空压机与渗透装置连通的管路上依次设置有第三开关阀和第二精密调压阀，对围压室和供水瓶持续稳定供压，待集水瓶内有液体流入一段时间后，记录供水瓶的进水量和集水瓶的出水量，待进水量和出水量相等或相近时，实验趋于稳定状态，开始计时，并记录供水瓶内起始水位h0，供水瓶内气压P及初始水头值H0＝h0+P/(ρ液g)；
其中，ρ液为液体密度，g为重力系数；
第六步：多次测量，记录不同时间t相对应的供水瓶的水位h及水头值H＝h+P/(ρ液g)，得到t时段内供水瓶内水头值的变化dH＝H-H0；
第七步：根据供水瓶所提供的水头值随着时间的变化计算出试样渗透率K。
本发明的有益效果是：
本发明的低渗透性饱和粘土渗透测定仪结构简单，操作方便，制作成本较低，可以准确、迅速地测试获得粘性土的渗透系数，测试效率较高，耗时较少，实用性强。
附图说明
图1为本发明的低渗透性饱和粘土渗透测定仪的结构示意图；
图2(a)为本发明的试样样品1测试中供水瓶水头差对数随时间变化的线性分布图；
图2(b)为本发明的试样样品2测试中供水瓶水头差对数随时间变化的线性分布图；
图2(c)为本发明的试样样品3测试中供水瓶水头差对数随时间变化的线性分布图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、空压机，2、供水瓶，3、渗透装置，4、集水瓶，11、第一开关阀，12、干燥装置，21、第二开关阀，22、第一精密调压阀，23、单向进气阀，24、压力表，25、止水夹，31、围压室，32、渗透机构，33、样品室，311、第三开关阀，312、第二精密调压阀，321、耐压钢桶，322、橡胶套，323、透水石。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例：如图1所示，本发明的低渗透性饱和粘土渗透测定仪，包括空压机1、供水瓶2、渗透装置3和集水瓶4，上述空压机1通过管道分别连通供水瓶2和渗透装置3，上述供水瓶2通过管道连通渗透装置3一端，上述渗透装置3另一端通过管道连通集水瓶4。
上述渗透装置3包括围压室31和渗透机构32，上述渗透机构32两端固定在围压室31两侧内壁上，上述空压机1通过管道连通围压室31，上述渗透机构32两端分别通过管道连通供水瓶2和集水瓶4。
上述渗透机构32包括两个一端开口的耐压钢桶321、橡胶套322和两个透水石323，两个上述耐压钢桶321对称安装在围压室31内部两端，且开口端相对设置，上述橡胶套322套接置于两个耐压钢桶321之间，且两端通过O型圈与围压室31内壁密封连接，两个上述透水石323对称设置在橡胶套322的内部两端端口处，两个上述透水石323与橡胶套322之间形成一个样品室33。
上述空压机1通过三通管路分别连通供水瓶2和渗透装置3。
上述三通管路包括主管路、第一分管路和第二分管路，上述主管路一端分别与第一分管路和第二分管路的一端连通，另一端连通空压机1，上述第一分管路另一端连通供水瓶2，第二分管路另一端连通渗透装置3。
上述主管路上由连通空压机1的一端到另一端依次设置有第一开关阀11和干燥装置12，上述第一分管路上由连通主管路的一端到连通供水瓶2的一端依次设置有第二开关阀21、第一精密调压阀22和单向进气阀23，上述第二分管路上由连通主管路的一端到连通渗透装置3的一端依次设置有第三开关阀311和第二精密调压阀312。
上述供水瓶2上设置有用于监测供水瓶2内部气压的压力表24。
上述供水瓶2与渗透装置3连通的管道上设置有止水夹25。
低渗透性饱和粘土渗透测定仪的工作原理：打开空压机1，打开主管路的第一开关阀11，打开第二开关阀21、第一精密调压阀22和单向进气阀23，打开第三开关阀311和第二精密调压阀312，空压机1压缩空气产生高压空气经干燥装置12充分干燥去除多余水分，通过管道导入渗透装置3的围压室31和供水瓶2内，对围压室31和供水瓶2持续稳定供压，同时，打开供水瓶2与渗透装置3连通的管道上的止水夹24，供水瓶2从底部出水对渗透装置的样品室33供水进行试样渗透，具体为，供水瓶2内的水经渗透装置3一端的透水石323渗透进试样，经试样渗透后，经渗透机构32另一端的透水石323渗出，由管道导入集水瓶4内。
一种使用低渗透性饱和粘土渗透测定仪测试低渗透性饱和粘土渗透性的测试方法，包括以下几个步骤：
第一步：样品试样制作，具体为，
S1：整平样品试样，将内涂凡士林的试样环刀压入试样，再将环刀压下的土样侧面削去一层，使与环刀刃口相接处的土样直径大于环刀内径；
S2：重复上述步骤S1，至试样突出环刀上部；
S3：削去环刀两侧余样，反复涂抹试样的表面，避免试样表面孔隙堵塞或试样压缩，存放在干燥环境中备用；
S4：记录试样的长度l，试样直径d，计算得出试样截面面积A。
第二步：将上述第一步中得到的样品试样放入真空机中进行饱水24-72小时，存放备用；将渗透装置3中的透水石323取出也放入真空机中进行饱水24-72小时，后安装进渗透装置3中；
第三步：将第二步中饱水处理的样品试样安放在样品室33内，并在透水石323表面包覆滤纸；
第四步：打开止水夹25，供水瓶2内液体对渗透装置3进行渗透测试，同步，打开空压机1，打开主管路的第一开关阀11，打开空压机1与供水瓶2连通的管路上依次设置有第二开关阀21、第一精密调压阀22和单向进气阀23，打开空压机1与渗透装置3连通的管路上依次设置有第三开关阀31和第二精密调压阀32，对围压室31和供水瓶2持续稳定供压，待集水瓶4内有液体流入后，记录供水瓶2的进水量和集水瓶4的出水量，待进水量和出水量相等或相近时，实验趋于稳定状态，开始计时，并记录供水瓶2内起始水位h0，供水瓶2内气压P及初始水头值H0＝h0+P/(ρ液g)；
其中，ρ液为液体密度，g为重力系数；
第六步：多次测量，记录不同时间t相对应的供水瓶2的水位h及水头值H＝h+P/(ρ液g)，得到t时段内供水瓶2内水头值的变化dH＝H-H0；
第七步：根据供水瓶2所提供起始水头值，以及水头值随着时间的变化关系，计算出试样渗透率K。
实验过程中，水力梯度约为2500P(m/m),0<P<0.8Mpa，最小分度值为0.01MPa，结合以往国内外研究的起始水力梯度，将实验过程中压力的范围调整为0.04-0.55MPa，使流速与水力梯度之间满足达西定律本仪器适用于渗透系数<10-5m/s的粘性土样，满足气压范围0.04-0.55Mpa的条件下使用，避免非线性达西流对数据产生的影响。
实验选取三种试样样品进行测试，实验过程中，三种样品测试各项数据如下表：
实验过程中，t时间内，流经试样横断面的体积为：dV＝-AdH；
同时，根据水均衡原理，得到通过试样断面的体积为
结合达西定律以及dV＝-AdH， 推导得出供水瓶2内水头值随时间的线性变化关系：
上述样品测试数据表得出供水瓶内水头值对数随时间变化的线性关系的线性分布图如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示。
根据该线性变化关系的斜率计算出试样渗透率K，渗透率K满足
其中，渗透系数如下表：
本发明的低渗透性饱和粘土渗透测定仪结构简单，操作方便，制作成本较低，可以准确、迅速地测试获得粘性土的渗透系数，测试效率较高，耗时较少，实用性强。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种测试低渗透性饱和粘土渗透性的测试方法，其特征在于，包括以低渗透性饱和粘土渗透测定仪进行以下几个步骤测试：
所述低渗透性饱和粘土渗透测定仪包括空压机(1)、供水瓶(2)、渗透装置(3)和集水瓶(4)，所述空压机(1)通过管道分别连通供水瓶(2)和渗透装置(3)，所述供水瓶(2)通过管道连通渗透装置(3)一端，所述渗透装置(3)另一端通过管道连通集水瓶(4)；
所述渗透装置(3)包括围压室(31)和渗透机构(32)，所述渗透机构(32)两端固定在围压室(31)两侧内壁上，所述空压机(1)通过管道连通围压室(31)，所述渗透机构(32)两端分别通过管道连通供水瓶(2)和集水瓶(4)；
所述渗透机构(32)包括两个一端开口的耐压钢桶(321)、橡胶套(322)和两个透水石(323)，两个所述耐压钢桶(321)对称安装在围压室(31)内部两端，且开口端相对设置，所述橡胶套(322)套接置于两个耐压钢桶(321)之间，且两端通过O型圈与围压室(31)内壁密封连接，两个所述透水石(323)对称设置在橡胶套(322)的内部两端端口处，两个所述透水石(323)与橡胶套(322)之间形成一个样品室(33)；
所述空压机(1)通过三通管路分别连通供水瓶(2)和渗透装置(3)；
所述三通管路包括主管路、第一分管路和第二分管路，所述主管路一端分别与第一分管路和第二分管路的一端连通，另一端连通空压机(1)，所述第一分管路另一端连通供水瓶(2)，第二分管路另一端连通渗透装置(3)；
所述主管路上由连通空压机(1)的一端到另一端依次设置有第一开关阀(11)和干燥装置(12)，所述第一分管路上由连通主管路的一端到连通供水瓶(2)的一端依次设置有第二开关阀(21)、第一精密调压阀(22) 和单向进气阀(23)，所述第二分管路上由连通主管路的一端到连通渗透装置(3)的一端依次设置有第三开关阀(311)和第二精密调压阀(312)；
第一步：样品试样制作，具体为，
S1：整平样品试样，将内涂凡士林的试样环刀压入试样，再将环刀压下的土样侧面削去一层，使与环刀刃口相接处的土样直径大于环刀内径；
S2：重复上述步骤S1，至试样突出环刀上部；
S3：削去环刀两侧余样，反复涂抹试样的表面，避免试样表面孔隙堵塞或试样压缩，存放在干燥环境中备用；
S4：记录试样的长度l，试样直径d，计算得出试样截面面积A;
第二步：将上述第一步中得到的样品试样放入真空机中进行饱水24-72小时，存放备用；将渗透装置(3)中的透水石(323)取出也放入真空机中进行饱水24-72小时，后安装进渗透装置(3)中；
第三步：将第二步中饱水处理的样品试样安放在样品室(33)内，并在透水石(323)表面包覆滤纸；
第四步：打开止水夹(25)，供水瓶(2)内液体对渗透装置(3)进行渗透测试，同步，打开空压机(1)，打开主管路的第一开关阀(11)，打开空压机(1)与供水瓶(2)连通的管路上依次设置有第二开关阀(21)、第一精密调压阀(22)和单向进气阀(23)，打开空压机(1)与渗透装置(3)连通的管路上依次设置有第三开关阀(311)和第二精密调压阀(312)，对围压室(31)和供水瓶(2)持续稳定供压，待集水瓶(4)内有液体流入后，记录供水瓶(2)的进水量和集水瓶(4)的出水量，待进水量和出水量相等或相近时，实验趋于稳定状态，开始计时，并记录供水瓶(2)内起始水位h0，供水瓶(2)内气压P及初始水头值H0＝h0+P/(ρ液g)；
其中，ρ液为液体密度，g为重力系数；
第六步：多次测量，记录不同时间t相对应的供水瓶(2)的水位h及水头值H＝h+P/(ρ液g)，得到t时段内供水瓶(2)内水头值的变化dH＝H-H0；第七步：根据供水瓶(2)所提供起始水头值，以及水头值随着时间的变化关系，计算出试样渗透率K。
2.根据权利要求1所述的一种测试低渗透性饱和粘土渗透性的测试方法，其特征在于：所述供水瓶(2)上设置有用于监测供水瓶(2)内部气压的压力表(24)。
3.根据权利要求1或2所述的一种测试低渗透性饱和粘土渗透性的测试方法，其特征在于：所述供水瓶(2)与渗透装置(3)连通的管道上设置有止水夹(25)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180105 Termination date: 20180807 |