CN105547955B - 一种土的常流速渗透堵塞试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种土的常流速渗透堵塞试验方法。建立一个土的常流速渗透堵塞装置，由圆柱形渗透柱、压差传感器、恒流泵、磁力搅拌器、激光粒度仪、进水储存容器、阀门、耐压软管、出水收集容器等组成；进水储水箱中投放堵塞颗粒，并通过磁力搅拌器搅拌均匀，使堵塞试样悬浮在入渗液中；使用恒流泵保持渗流流量恒定进行连续供水，同时采用压差传感器替代传统的测压管测量多个不同渗流断面处渗流压力，自动连续采集试验数据；直观反映堵塞颗粒粒径大小、数量及渗流时间对渗流压力、试样渗透性改变的规律；能改变堵塞试样的粒径及其在入渗液中的含量，并能对试验土样进行连续、不同流速的渗透堵塞试验，研究颗粒运移对土体渗透性能的影响。
Description
技术领域
本发明涉及在常流速情况下土的渗透堵塞试验方法，具体涉及一种模拟在渗透过程中土颗粒运移与堵塞效应对土体渗透性影响的试验方法。
背景技术
近年来，滑坡、泥石流等斜坡地质灾害频发，研究斜坡土体的渗透性能对斜坡的稳定性分析及斜坡灾害机理的研究都具有重要意义。斜坡土体渗透系数是反映斜坡土体渗透能力的一个重要指标，一般可通过现场和室内试验测得。现行试验大都以纯水为渗流介质测得土体渗透系数，在实际过程中，水流会携带细土颗粒，在渗流过程中对土体的渗透性能产生影响，特别是对分散性较强或抗冲蚀能力较差的斜坡土体，其中水流中的含有的细粒物质浓度较高，与目前实验室采用纯水测得的土体渗透系数误差较大，从而会影响边坡渗流分析及其稳定性分析的结果。
目前常用的室内测定土体渗透系数的仪器的内径较小，适用土体的粒径范围较小，且不能模拟和定量化评价土体孔隙被水流携带细粒堵塞的情况，难以反映实际情况。
目前室内测定土的渗透性的仪器通常采用常水头试验或变水头试验，水在土体中的渗流流速一般通过计算得到，但当水流中含有细粒物质时会堵塞土体孔隙会降低渗流流速。
发明内容
本发明的目的是克服上述方面的不足，提供一种土的常流速渗透堵塞试验方法。
具体步骤为：
一、建立一个土的常流速渗透堵塞试验装置，包括进水储水箱、磁力搅拌仪、第一进水耐压软管、恒流泵、第一阀门、第二进水耐压软管、进水顶盖、第一透水板、第一法兰、缓冲层、第一渗透筒、第二法兰、第二渗透筒、滤网、第二透水板、出水底盖、第三法兰、出水集水箱、第二阀门、第一出水耐压软管、第一三通、第二出水耐压软管、第三阀门、激光粒度仪、第三进水耐压软管、第四阀门、第二三通、差压传感器和数据采集仪。
磁力搅拌仪置于进水储水箱中，进水储水箱通过第一进水耐压软管和第二三通与恒流泵相连，恒流泵另一端连接第一阀门，第一阀门通过第二进水耐压软管与进水顶盖相连，进水顶盖通过第一法兰与第一渗透筒相连，第一渗透筒顶部设置第一透水板，第一透水板下方设置缓冲层，第一渗透筒和第二渗透筒通过第二法兰相连，第一渗透筒和第二渗透筒同一侧设置一排差压传感器，差压传感器设置于与渗透筒轴心线平行的同一直线上，差压传感器均分别与数据采集仪相连，第二渗透筒底部设置第二透水板，第二透水板上方设置滤网，第二渗透筒通过第三法兰与出水底盖相连，出水底盖通过第一出水耐压软管和第一三通与出水集水箱相连，在第一出水耐压软管上设置第二阀门，第一三通的剩余一端通过第二出水耐压软管与激光粒度仪相连，在第二出水耐压软管上设置第三阀门，第二三通的剩余一端通过第三进水耐压软管与激光粒度仪相连，在第三进水耐压软管设置第四阀门；在第一渗透筒和第二渗透筒一侧渗流压力监测孔安装差压传感器，将差压传感器的两只引压管路分别安装到相邻两个孔中，同时密封好差压传感器与筒身孔连接处的缝隙，并使用螺栓进行固定；并将差压传感器另一端连接数据采集仪，数据采集仪连接计算机。
所述的第一渗透筒和第二渗透筒全长均为30-40cm、内径均为18-25cm，第一透水板和第二透水板都是直径为18-25cm、厚度为3-5mm的带孔的圆形板，孔径为4-6mm，缓冲层为2-3cm厚的砾石层。
二、试样填装在渗透缓冲层与滤网之间，采用分层装样法，每层土样约10cm，按设计密度捣实，并层间刨毛，完成试样填装。
三、在出水集水箱中装入清水，并控制出水集水箱的位置，确保液面不高于试样底部，初步估计试样的渗透系数，确定提升速率，打开第一阀门和第二阀门并提升出水集水箱，排空管路及试样中的空气或气泡，使试样饱和。
四、在进水储水箱中注入清水，并按预先设计的入渗液的浓度添加堵塞剂的数量，并启动磁力搅拌仪将悬浮液搅拌均匀。
五、设定好恒流泵的流速，关闭第四阀门和第三阀门，开启数据采集仪，开启恒流泵进行渗透堵塞试验。
六、根据达西定律实时计算土样在渗流过程中渗透系数的变化规律，并建立渗透系数随时间的变化关系。
七、根据所需时间间隔使用激光粒度仪测量渗入液和渗出液中颗粒悬浮特征。
八、渗透系数采用达西定律计算，需要将差压传感器读数(单位为kPa)换算成水头差hi(cm)，再将恒流泵的渗透流量Q(cm3/s)、试样长度li(cm)、试样渗流面积A(cm2)代入达西定律表达式中计算渗系数：
式中：Ki-第i土段(同一差压传感器所测量的试样段)的渗透系数，单位：cm/s；
Q-渗透流量，单位：cm3/s；
A-试样渗流面积即土柱体的横截面积，单位：cm2；
li-试样长度即第i段土柱的长度，单位：cm；
hi-水头差即第i段土柱的水头损失值(同一差压传感器所测量的压力差)，单位：cm。
整个试样长度(l)的渗透系数计算公式为：
最终试验得到试样渗透系数随渗透时间的变化规律。
本发明的有益效果是：通过恒流泵控制在试验过程中渗流的流量恒定不变，并能人为地设置所需的流量大小。通过往渗流液中添加堵塞颗粒，研究堵塞颗粒在渗流过程中对试样的堵塞作用。并通过激光粒度仪分析出口处渗流液中流失颗粒大小及颗粒分布特征，能对比流入和流出颗粒的特征。最终得到携带有细粒的渗流介质对土体渗透性影响的定量化评价。
附图说明
图1为本发明土的常流速渗透堵塞试验装置结构示意图。
图中标记：1-进水储水箱，2-磁力搅拌仪，3-第一进水耐压软管，4-恒流泵，5-第一阀门，6-第二进水耐压软管，7.进水顶盖，8-第一透水板，9-第一法兰，10-缓冲层，11.第一渗透筒，12-第二法兰，13-第二渗透筒，14-滤网，15-第二透水板，16-出水底盖，17-第三法兰，18-出水集水箱，19-第二阀门，20-第一出水耐压软管，21-第一三通，22-第二出水耐压软管，23-第三阀门，24-激光粒度仪，25-第三进水耐压软管，26-第四阀门，27-第二三通，28-差压传感器，29-数据采集仪。
图2为本发明土的常流速渗透堵塞试验装置测得的土体归一化渗透系数随渗透时间的关系曲线。
图3为本发明土的常流速渗透堵塞试验装置测得的入渗液中堵塞颗粒和渗流流失颗粒的粒径分布曲线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
实施例：
一、建立一个土的常流速渗透堵塞试验装置，包括进水储水箱1、磁力搅拌仪2、第一进水耐压软管3、恒流泵4、第一阀门5、第二进水耐压软管6、进水顶盖7、第一透水板8、第一法兰9、缓冲层10、第一渗透筒11、第二法兰12、第二渗透筒13、滤网14、第二透水板15、出水底盖16、第三法兰17、出水集水箱18、第二阀门19、第一出水耐压软管20、第一三通21、第二出水耐压软管22、第三阀门23、激光粒度仪24、第三进水耐压软管25、第四阀门26、第二三通27、差压传感器28和数据采集仪29。
磁力搅拌仪2置于进水储水箱1中，进水储水箱1通过第一进水耐压软管3和第二三通27与恒流泵4相连，恒流泵4另一端连接第一阀门5，第一阀门5通过第二进水耐压软管6与进水顶盖7相连，进水顶盖7通过第一法兰9与第一渗透筒11相连，第一渗透筒11顶部设置第一透水板8，第一透水板8下方为缓冲层10，第一渗透筒11和第二渗透筒13通过第二法兰12相连，第一渗透筒11和第二渗透筒13同一侧设置一排差压传感器28，差压传感器28设置于与第一渗透筒11和第二渗透筒13轴心线平行的同一直线上，差压传感器28均分别与数据采集仪29相连，第二渗透筒13的底部设置第二透水板15，在第二透水板15上设置孔径2mm的钢丝滤网14，第二渗透筒13与出水底盖16通过第三法兰17相连，出水底盖16通过第一出水耐压软管20和第一三通21与出水集水箱18相连，在第一出水耐压软管20上设置第二阀门19，第一三通21的剩余一端通过第二出水耐压软管22与激光粒度仪24相连，在第二出水耐压软管22上设置第三阀门23，第二三通27的剩余一端通过第三进水耐压软管25与激光粒度仪24相连，在第三进水耐压软管25设置第四阀门26。
在第一渗透筒11和第二渗透筒13的同一侧设置渗流压力监测孔，将差压传感器28的两只引压管路分别安装到相邻两个监测孔中，同时密封好差压传感器28与筒身监测孔连接处的缝隙，并使用螺栓进行固定；将差压传感器28另一端连接数据采集仪29，数据采集仪29连接计算机。
所述的第一渗透筒11和第二渗透筒13由透明的有机玻璃制作，全长为30cm、内径为19cm，第一透水板8和第二透水板15都是直径为19cm、厚度为3mm的带孔的有机玻璃圆形板，孔径为4mm，缓冲层10为2-3cm厚的砾石层。
二、装填试样，试样填装在渗透缓冲层10与滤网14之间，采用分层装样法，每层土样约10cm，按设计密度捣实，并层间刨毛，完成试样填装。
三、在出水集水箱18中装入清水，控制出水集水箱18的位置，确保液面不高于试样底部；初步估计试样的渗透系数，确定提升速率，打开第一阀门5和第二阀门19，关闭第三阀门23，提升出水集水箱18，排空管路及试样中的空气或气泡，试样饱和后关闭第二阀门19，并将出水集水箱18回归原位。
四、在进水储水箱1中注入清水，并按预先设计的入渗液的浓度1g/L添加堵塞颗粒的数量，启动磁力搅拌仪2持续搅拌，使堵塞颗粒均匀悬浮在入渗液中；
五、设定好恒流泵4的流速，关闭第四阀门26，开启数据采集仪29，同时开启恒流泵4和第二阀门19，进行渗透堵塞试验。
六、根据数据采集仪29采集的所测量的压力差，采用达西定律实时计算渗透系数，需要将单位为kPa的差压传感器28读数换算成单位为cm的水头差hi，恒流泵4的渗透流量Q＝2cm3/s、差压传感器28等距布置4个，li＝6cm，有效试样总长度∑li＝24cm，试样渗流面积A＝283.5cm2代入达西定律表达式中计算渗透系数：
式中：Ki-第i土段即同一差压传感器28所测量的试样段的渗透系数，单位：cm/s；
Q-渗透流量，单位：cm3/s；
A-试样渗流面积即土柱体的横截面积，单位：cm2；
li-试样长度即同一差压传感器所测量的第i段土柱的长度单位：cm；
hi-水头差即第i段土柱的的水头损失值即同一差压传感器所测量的压力差，单位：cm；
总试样长度l的渗透系数计算公式为：
将不同时刻计算得到的渗透系数对土体在纯水渗透下的饱和渗透系数进行归一化处理，最终得到试样归一化渗透系数随渗透时间的变化规律。试验最终得到试样归一化渗透系数随渗透时间的变化规律如图2所示。
七、根据所需时间间隔使用激光粒度仪24测量渗入液和渗出液中颗粒悬浮特征；试验所测的入渗液和第10min时渗流液中流失颗粒粒径分布特征如图3所示。
Claims (1)
1.一种土的常流速渗透堵塞试验方法，其特征在于具体步骤为：
一、建立一个土的常流速渗透堵塞试验装置，包括进水储水箱(1)、磁力搅拌仪(2)、第一进水耐压软管(3)、恒流泵(4)、第一阀门(5)、第二进水耐压软管(6)、进水顶盖(7)、第一透水板(8)、第一法兰(9)、缓冲层(10)、第一渗透筒(11)、第二法兰(12)、第二渗透筒(13)、滤网(14)、第二透水板(15)、出水底盖(16)、第三法兰(17)、出水集水箱(18)、第二阀门(19)、第一出水耐压软管(20)、第一三通(21)、第二出水耐压软管(22)、第三阀门(23)、激光粒度仪(24)、第三进水耐压软管(25)、第四阀门(26)、第二三通(27)、差压传感器(28)和数据采集仪(29)；
磁力搅拌仪(2)置于进水储水箱(1)中，进水储水箱(1)通过第一进水耐压软管(3)和第二三通(27)与恒流泵(4)相连，恒流泵(4)另一端连接第一阀门(5)，第一阀门(5)通过第二进水耐压软管(6)与进水顶盖(7)相连，进水顶盖(7)通过第一法兰(9)与第一渗透筒(11)相连，第一渗透筒(11)顶部设置第一透水板(8)，第一透水板(8)下方为缓冲层(10)，第一渗透筒(11)和第二渗透筒(13)通过第二法兰(12)相连，第一渗透筒(11)和第二渗透筒(13)同一侧设置一排差压传感器(28)，差压传感器(28)设置于与第一渗透筒(11)和第二渗透筒(13)轴心线平行的同一直线上，差压传感器(28)均分别与数据采集仪(29)相连，第二渗透筒(13)的底部设置第二透水板(15)，在第二透水板(15)上设置孔径2mm的钢丝滤网(14)，第二渗透筒(13)与出水底盖(16)通过第三法兰(17)相连，出水底盖(16)通过第一出水耐压软管(20)和第一三通(21)与出水集水箱(18)相连，在第一出水耐压软管(20)上设置第二阀门(19)，第一三通(21)的剩余一端通过第二出水耐压软管(22)与激光粒度仪(24)相连，在第二出水耐压软管(22)上设置第三阀门(23)，第二三通(27)的剩余一端通过第三进水耐压软管(25)与激光粒度仪(24)相连，在第三进水耐压软管(25)设置第四阀门(26)；
在第一渗透筒(11)和第二渗透筒(13)的同一侧设置渗流压力监测孔，将差压传感器(28)的两只引压管路分别安装到相邻两个监测孔中，同时密封好差压传感器(28)与筒身监测孔连接处的缝隙，并使用螺栓进行固定；将差压传感器(28)另一端连接数据采集仪(29)，数据采集仪(29)连接计算机；
所述的第一渗透筒(11)和第二渗透筒(13)全长均为30-40cm、内径均为18-25cm，第一透水板(8)和第二透水板(15)都是直径为18-25cm、厚度为3-5mm的带孔的圆形板，孔径为4-6mm，缓冲层(10)为2-3cm厚的砾石层；
二、试样填装在渗透缓冲层(10)与滤网(14)之间，采用分层装样法，每层土样10cm，按设计密度捣实，层间刨毛，完成试样填装；
三、在出水集水箱(18)中装入清水，控制出水集水箱(18)的位置，确保液面不高于试样底部；初步估计试样的渗透系数，确定提升速率，打开第一阀门(5)和第二阀门(19)，关闭第三阀门(23)，提升出水集水箱(18)，排空管路及试样中的空气或气泡，试样饱和后关闭第二阀门(19)，并将出水集水箱(18)回归原位；
四、在进水储水箱(1)中注入清水，按预先设计的入渗液的浓度添加堵塞颗粒的数量，启动磁力搅拌仪(2)持续搅拌，使堵塞颗粒均匀悬浮在入渗液中；
五、设定好恒流泵(4)的流速，关闭第四阀门(26)，开启数据采集仪(29)，同时开启恒流泵(4)和第二阀门(19)，进行渗透堵塞试验；
六、根据数据采集仪(29)采集的所测量的压力差，采用达西定律实时计算渗透系数，需要将单位为kPa的差压传感器(28)读数换算成单位为cm的水头差hi，再将单位为cm3/s的恒流泵(4)的渗透流量Q、单位为cm的试样长度li、单位为cm2的试样渗流面积A代入达西定律表达式中计算渗透系数：
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式中：Ki-第i土段即同一差压传感器(28)所测量的试样段的渗透系数，单位：cm/s；
Q-渗透流量，单位：cm3/s；
A-试样渗流面积即土柱体的横截面积，单位：cm2；
li-试样长度即同一差压传感器所测量的第i段土柱的长度，单位：cm；
hi-水头差即第i段土柱的水头损失值即同一差压传感器所测量的压力差，单位：cm；
整个试样长度l的渗透系数计算公式为：
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将不同时刻计算得到的渗透系数对土体在纯水渗透下的饱和渗透系数进行归一化处理，最终得到试样归一化渗透系数随渗透时间的变化规律；
七、根据所需时间间隔使用激光粒度仪(24)测量渗入液和渗出液中颗粒悬浮特征。
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