CN105588796A - 一种精确快速测定土壤渗透系数的装置 - Google Patents

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Abstract

一种精确快速测定土壤渗透系数的装置，属于岩土分析设备技术领域，包括装置机架，还由供水装置、快速饱和装置、土样柱、支座和渗流量测试装置组成；土样柱固定设置在支座上，供水装置和快速饱和装置固定设置在土样柱的上方并与土样柱上端的盖板相接，渗流量测试装置设置在支座的一侧，渗流量测试装置通过测试导水管与土样柱的下端相连接；本发明良好地解决了土壤饱和不充分、渗流量读数误差等问题，提高了装置测定的准确性，还实现了水力梯度的灵活调控，操作方便，精度高，成本投入低，应用范围广泛。

Description

一种精确快速测定土壤渗透系数的装置
技术领域
本发明涉及一种土工试验装置，尤其是涉及一种精确快速测定土壤渗透系数的装置。
背景技术
渗透系数又称为水力传导系数，表示为单位水力梯度下的单位流量，是反映孔隙介质排水能力的一个最有效直接的指标，在计算地表径流系数、农业土壤环境研究等方面有着广泛的应用。因此，如何精确、快速、方便测定土壤渗透系数具有重要意义。
室内测定土壤渗透系数的仪器一般分为常水头渗透仪和变水头渗透仪两种，其工作原理大多基于Darcy定律，不同仪器的差别只是在于形式、测量精度和使用范围上的不同。
常水头试验法就是在整个试验过程中保持水头不变，根据渗透仪侧壁上的两个测压管的水位差为Δh，两个测压管在渗透仪侧壁上的垂直间距为L，得到单位流程的水头损失即水力梯度用量筒测量出渗透装置下部出水口t时间内的渗透水量Q，根据达西定律Q＝K·i·A·t,算出其渗透系数
通过调查发现，目前国内外对于土壤渗透系数的测定装置均不同程度地存在以下问题：
1.土壤饱和过程需要耗费大量时间，且一般很难充分饱和，试验过程中土壤中气泡上升，土壤又逐渐饱和，导致渗流水量体积偏差，影响渗透试验的精度及速度；
2.绝大多数渗透装置用量筒测量装置下部出水口一定时间内渗流水量的体积，由于读数误差、量筒分度值有限等因素致使渗流水量体积测量不准确，影响渗透系数的计算；
3.渗透装置溢流口设置单一，即两个测压管水位差及垂直间距恒定，对水力梯度的控制缺乏灵活性,实际应用范围受限；
4.专门的渗透仪成本高，操作复杂，耗时长。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足作出改进，提供一种精确快速测定土壤渗透系数的装置，该装置既能使得土样快速且充分饱和，又能准确得到在一定时间内渗流水量的体积，亦可以实现水力梯度的灵活控制。
本发明的技术方案是：一种精确快速测定土壤渗透系数的装置，包括装置机架；其特征在于：所述装置还由供水装置、快速饱和装置、土样柱、支座和渗流量测试装置组成；所述土样柱固定设置在所述支座上，所述供水装置和快速饱和装置固定设置在所述土样柱的上方并与土样柱上端的盖板相接，所述渗流量测试装置设置在所述支座的一侧，所述渗流量测试装置通过测试导水管与所述土样柱的下端相连接；
所述土样柱上端设有上法兰片，土样柱的下端设有下法兰片，所述上法兰片与所述盖板连接固定，所述盖板上设有通气孔，所述下法兰片与所述支座连接固定，所述土样柱的外侧壁设有与内部连通的溢流口，溢流口上设有溢流阀门，土样柱的内部从上至下依此设有第一透水石、试验土样、滤纸和第二透水石；
所述供水装置由供水桶、导水管和供水阀门连接构成；所述供水桶通过导水管与所述通气孔连接；
所述快速饱和装置由微型真空泵、管道和真空泵阀门构成，所述微型真空泵通过管道与所述通气孔连接；
所述渗流量测试装置由集水漏斗、测试导水管、设置在测试导水管端部的集水阀门、电子称、置于电子称上的烧杯和设置在烧杯中的温度计构成；所述测试导水管的一端与集水漏斗相连，测试导水管的另一端连接至烧杯中。
所述土样柱是内径为20cm，壁厚为0.5cm的PMMA有机玻璃空心管柱，土样柱外侧壁同一竖线上设有3个等距的溢流口，每个溢流口上均设有溢流阀门。
所述盖板是直径为28cm，厚度为1cm的圆形PMMA有机玻璃板，盖板的边缘均布有8个螺孔，通气孔设置在盖板的中间，通气孔的个数为2个，直径为1cm。
所述上法兰片与盖板通过螺栓连接固定，下法兰片与支座通过螺栓连接固定，在连接固定处均设有密封垫进行密封。
所述供水桶出水口的水平线高于土样柱外侧壁最上端的溢流口的中心线。
所述微型真空泵连接作用在盖板通气孔上形成负压，微型真空泵的工作电压为12V，负载电流<120mA，流量3L/min。
所述渗流量测试装置是通过烧杯、温度计和电子称的组合并采用质量等效的方法获得渗流量，等效公式为
本发明的有益效果为：本发明提供了一种精确快速测定土壤渗透系数的装置，结构新颖，工作原理清晰，既能使得土样快速且充分饱和，又能准确得到在一定时间内渗流水量的体积，亦可以实现水力梯度的灵活控制，与现有技术相比，优点如下：
1.土样通过微型真空泵抽气，上方迅速形成真空负压，加快了土样的饱和速度，提高了土样饱和度，使得测量结果更加精确。
2.渗流量的计算不在采用直接用量筒读取，而是采用质量等效的方法计算出水的精确体积，大大提高了装置的精确性。
3.土样柱外侧壁设有多个与内部相通的溢水口，溢水口上设有阀门，可实现水力梯度的灵活控制，应用范围更加广泛。
4.此装置操作方便，精度高，成本投入低，应用范围广泛。
附图说明
图1为本发明装置整体结构示意图。
图2为本发明中盖板的结构结构示意图。
图3为本发明中土样柱的结构示意图。
图4为本发明中支座的结构示意图。
图5为本发明中渗流量测试装置结构示意图。
图中：供水桶1、导水管2、供水阀门3、微型真空泵4、盖板5、螺栓6、上法兰片7、密封垫8、溢流阀门9、溢流口10、第一透水石11、土样柱12、滤纸13、第二透水石14、下法兰片15、支座16、集水漏斗17、测试导水管18、集水阀门19、温度计20、烧杯21、电子称22、通气孔23、螺孔24。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-5所示，一种精确快速测定土壤渗透系数的装置，包括装置机架；装置还由供水装置、快速饱和装置、土样柱12、支座16和渗流量测试装置组成；土样柱12固定设置在支座16上，供水装置和快速饱和装置固定设置在土样柱12的上方并与土样柱12上端的盖板5相接，渗流量测试装置设置在支座16的一侧，渗流量测试装置通过测试导水管18与土样柱12的下端相连接；
如图1-5所示，一种精确快速测定土壤渗透系数的装置，土样柱12上端设有上法兰片7，土样柱12的下端设有下法兰片15，上法兰片7与盖板5连接固定，盖板5上设有通气孔23，下法兰片15与支座16连接固定，土样柱12的外侧壁设有与内部连通的溢流口10，溢流口10上设有溢流阀门9，土样柱12的内部从上至下依此设有第一透水石11、试验土样、滤纸13和第二透水石14；供水装置由供水桶1、导水管2和供水阀门3连接构成；供水桶1通过导水管2与通气孔23连接；快速饱和装置由微型真空泵4、管道和真空泵阀门构成，微型真空泵4通过管道与通气孔23连接；渗流量测试装置由集水漏斗17、测试导水管18、设置在测试导水管18端部的集水阀门19、电子称22、置于电子称22上的烧杯21和设置在烧杯21中的温度计20构成；测试导水管18的一端与集水漏斗17相连，测试导水管18的另一端连接至烧杯21中。
如图3所示，土样柱12是内径为20cm，壁厚为0.5cm的PMMA有机玻璃空心管柱，土样柱12外侧壁同一竖线上设有3个等距的溢流口10，每个溢流口10上均设有溢流阀门9。
如图2所示，盖板5是直径为28cm，厚度为1cm的圆形PMMA有机玻璃板，盖板5的边缘均布有8个螺孔24，通气孔23设置在盖板5的中间，通气孔23的个数为2个，直径为1cm。
如图1-3所示，上法兰片7与盖板5通过螺栓6连接固定，下法兰片15与支座16通过螺栓6连接固定，在连接固定处均设有密封垫8进行密封；供水桶1出水口的水平线高于土样柱12外侧壁最上端的溢流口10的中心线；微型真空泵4连接作用在盖板通气孔23上形成负压，微型真空泵4的工作电压为12V，负载电流<120mA，流量3L/min；
如图5所示，渗流量测试装置是通过烧杯21、温度计20和电子称22的组合并采用质量等效的方法获得渗流量，等效公式为
如图1所示，一种精确快速测定土壤渗透系数的装置工作原理如下：按照GB/T50123-1999《土工试验方法标准》制备土样，在下法兰片与支座之间放置一个橡胶密封垫，旋紧土样柱与支座之间螺栓，在土样柱内依次放入第二透水石及滤纸，土样分层装入，每层击实后厚度为3-5cm，在土样上方放置第一透水石作为缓冲层，以防止土样受水冲击力扰动，连接圆形盖板，拧紧螺栓，将供水装置及微型真空泵分别连接在盖板的2个通气孔上，打开供水桶阀门，向土样柱注水，直至没过第一透水石，关闭所有阀门，打开微型真空泵阀门，开启微型真空泵，使土样上方形成真空，加快土壤饱和，直至土样上方不再有气泡冒出，关闭真空泵，打开供水桶的阀门，继续向土样柱注水，使水头升高到预定高度，打开对应溢流口的阀门，当出水口有水流出时实验开始，每隔固定时间，读取电子称上读数，最后记录温度计示数。
要获得不同水力梯度下土壤渗透系数或探究水力梯度对渗透系数测定结果的影响，则需要改变水头差Δh，即改变溢流口阀门的开闭组合，对土样柱重复上述操作。
渗透系数按照公式计算
式中：K为土样的渗透系数，cm/s；m为时间t秒内的渗流量，g；L为两测压管中心间距离，cm；ρT为T度下，水的密度，g/cm3；A为土样柱的过水断面面积，cm2；Δh为平均水位差，cm；t为时间，s。
标准温度下的渗透系数按照公式计算
式中：K20为标准温度下试样的渗透系数，cm/s；ηT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。

Claims (7)

1.一种精确快速测定土壤渗透系数的装置，包括装置机架；其特征在于：所述装置还由供水装置、快速饱和装置、土样柱(12)、支座(16)和渗流量测试装置组成；所述土样柱(12)固定设置在所述支座(16)上，所述供水装置和快速饱和装置固定设置在所述土样柱(12)的上方并与土样柱(12)上端的盖板(5)相接，所述渗流量测试装置设置在所述支座(16)的一侧，所述渗流量测试装置通过测试导水管(18)与所述土样柱(12)的下端相连接；
所述土样柱(12)上端设有上法兰片(7)，土样柱(12)的下端设有下法兰片(15)，所述上法兰片(7)与所述盖板(5)连接固定，所述盖板(5)上设有通气孔(23)，所述下法兰片(15)与所述支座(16)连接固定，所述土样柱(12)的外侧壁设有与内部连通的溢流口(10)，溢流口(10)上设有溢流阀门(9)，土样柱(12)的内部从上至下依此设有第一透水石(11)、试验土样、滤纸(13)和第二透水石(14)；
所述供水装置由供水桶(1)、导水管(2)和供水阀门(3)连接构成；所述供水桶(1)通过导水管(2)与所述通气孔(23)连接；
所述快速饱和装置由微型真空泵(4)、管道和真空泵阀门构成，所述微型真空泵(4)通过管道与所述通气孔(23)连接；
所述渗流量测试装置由集水漏斗(17)、测试导水管(18)、设置在测试导水管(18)端部的集水阀门(19)、电子称(22)、置于电子称(22)上的烧杯(21)和设置在烧杯(21)中的温度计(20)构成；所述测试导水管(18)的一端与集水漏斗(17)相连，测试导水管(18)的另一端连接至烧杯(21)中。
2.根据权利要求1所述的一种精确快速测定土壤渗透系数的装置，其特征在于：所述土样柱(12)是内径为20cm，壁厚为0.5cm的PMMA有机玻璃空心管柱，土样柱(12)外侧壁同一竖线上设有3个等距的溢流口(10)，每个溢流口(10)上均设有溢流阀门(9)。
3.根据权利要求1所述的一种精确快速测定土壤渗透系数的装置，其特征在于：所述盖板(5)是直径为28cm，厚度为1cm的圆形PMMA有机玻璃板，盖板(5)的边缘均布有8个螺孔(24)，通气孔(23)设置在盖板(5)的中间，通气孔(23)的个数为2个，直径为1cm。
4.根据权利要求1所述的一种精确快速测定土壤渗透系数的装置，其特征在于：所述上法兰片(7)与盖板(5)通过螺栓(6)连接固定，下法兰片(15)与支座(16)通过螺栓(6)连接固定，在连接固定处均设有密封垫(8)进行密封。
5.根据权利要求1所述的一种精确快速测定土壤渗透系数的装置，其特征在于：所述供水桶(1)出水口的水平线高于土样柱(12)外侧壁最上端的溢流口(10)的中心线。
6.根据权利要求1所述的一种精确快速测定土壤渗透系数的装置，其特征在于：所述微型真空泵(4)连接作用在盖板通气孔(23)上形成负压，微型真空泵(4)的工作电压为12V，负载电流<120mA，流量3L/min。
7.根据权利要求1所述的一种精确快速测定土壤渗透系数的装置，其特征在于：所述渗流量测试装置是通过烧杯(21)、温度计(20)和电子称(22)的组合并采用质量等效的方法获得渗流量，等效公式为
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