CN105651677A - 一种可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪 - Google Patents

Abstract

本发明本提供了一种可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪，包括防蒸发及拍气装置、实验段、水位观测装置、可控水头供水装置、可控水头排水装置和水头调节固定装置。本发明结构简单，使用方便，可同时准确测定岩土的渗透系数与给水度，具有广泛的应用前景。如可以广泛用水文地质研究中，作为教学仪器有助于学生更好理解给水度与渗透性的测定原理；而在生产中可以在地下水资源平衡计算、潜水动态预测、浅层地下水可开采量计算、农田排水沟、暗管沟深、间距计算、农田灌溉与排水计算、灌溉入渗补给系数、降雨入渗补给系数等水文地质参数计算,以及与地下水有关的各类研究中。

Description

一种可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪

技术领域

本发明涉及一种可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪，属于岩土参数性质测定领域。

背景技术

在地下水资源平衡计算、潜水动态预测、浅层地下水可开采量计算、农田排水沟、暗管沟深、间距计算、农田灌溉与排水计算、灌溉入渗补给系数、降雨入渗补给系数等水文地质参数计算，以及与地下水有关的各类研究中，给水度与渗透系数不仅直接影响到计算与研究成果的可靠性，而且参数还具有易于进行地区综合和移用的特点。随着水资源的日益紧张和地下水资源的大规模开发利用，人们开始致力于研究给水度与渗透系数测定的方法及其装置。

岩土给水度是指开采地下水使地下水位下降，原先饱水带岩土空隙中水，将在重力作用下释出，具体定义为：地下水下降单位体积时，释出水的体积和疏干体积的比值，用μ表示。当前实际生产应用中，给水度通常采用给水度仪进行测定，但是当前的给水度仪存在以下几点缺点：

(1)在进行给水度实验前，必须标定透水石的负压值。而透水石负压值的标定过程繁琐，学生不易理解透水石负压值标定的原因，且所测定的给水度与透水石负压值的大小有关；

(2)有的给水度实验仪在测定松散岩石试样给水度的过程中，不能直观地显示出水位的变化与退水量的关系；

(3)给水度的大小与初始地下水水位的埋深有关。当初始地下水水位埋深小于松散土体试样的最大毛细水上升高度时，地下水水位下降后，重力水将转化为支持毛细水而保留于地下水水面之上，从而使给水度偏小。现有的给水度实验仪所测定的给水度是一个定值，其实验过程不能反映出给水度大小随初始地下水水位埋深的变化而发生的变化规律。

岩土的渗透性是指岩体传输水或其他流体的性能。无论是开发地下水或油气，还是防止地下水的危害(如矿坑涌水、水库渗漏)，岩土渗透能力都具有重要的意义。表征岩土渗透性的定量指标是渗透系数，用K表示，是重要的水文地质参数。目前的渗透系数装置主要分为常水头和变水头达西实验装置，例如中国专利公布的CN103149143A和CN204027972U，它们分别针对不同的实际工程建设要求，主要适用于野外快速粗略地对岩土体进行渗透系数的测定，但是当模拟污染物运移时需要保证渗透系数的准确性。

综上所述，当前的达西实验装置以及给水度仪，只能单独测定渗透系数以及给水度，并且在测定过程繁琐，因此缺少一种可以同时测量给水度及渗透系数的岩土参数测定仪。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪，可同时准确岩土体给水度以及渗透系数。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪，包括下底面密封、上底面开口的土柱，所述土柱的上底面安装有防蒸发盖，防蒸发盖上设有通气孔，抽真空泵与通气孔连通；土柱内部下方横置有表面铺设纱网的带孔有机玻璃板，所述带孔有机玻璃板与土柱下底面之间的腔体形成稳水室；带孔有机玻璃板与土柱上底面之间的腔体由竖直放置的带孔有机玻璃隔板隔为2个腔体，分别为水位观测管和样品室，水位观测管的下底密封，带孔有机玻璃隔板位于水位观测管的表面标有刻度，位于样品室的表面铺设有纱网；土柱的下底面开设有供水孔和排水孔，供水孔通过安装有供水阀的供水管与可控水头供水装置连接，排水孔通过安装有排水阀的排水管与可控水头排水装置连接；所述可控水头供水装置包括缺顶面的盒体A，盒体A内设有将其内腔分隔为2个腔体的挡板A，挡板A高度不高于盒体A的高度，其中一个腔体底部设有与供水管连通的供水装置出水孔以及与供水装置进水管连通的供水装置进水孔，另一个腔体底部设有供水装置溢流孔；所述可控水头排水装置包括缺顶面的盒体B，盒体B内设有将其内腔分隔为2个腔体的挡板B，挡板B高度不高于盒体B的高度，其中一个腔体底部设有与排水管连接的排水装置进水孔，另一个腔体底部设有排水装置溢流孔；所述盒体A和盒体B均通过分别设于盒体A和盒体B的盒壁的滑动装置与竖直轨道滑动连接；所述供水装置溢流孔与供水装置溢流管连通；所述排水装置溢流孔通过排水装置溢流管与量筒连通。

所述土柱的上沿设有一圈防蒸发盖固定板，防蒸发盖通过螺丝与防蒸发盖固定板连接。

带孔有机玻璃隔板与带孔有机玻璃板之间通过硅胶圈连接。

所述滑动装置包括设置于盒体A或盒体B的盒壁外侧的后壁，后壁开凿有用于竖直轨道穿过的竖直通孔，后壁上安装有用于将盒体A或盒体B与竖直轨道固定的内旋螺丝。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明包括防蒸发及拍气装置、实验段、水位观测装置、可控水头供水装置、可控水头排水装置和水头调节固定装置，防蒸发及排气装置包括防蒸发盖、防蒸发盖固定板、通气孔、抽真空泵，实验段包括土柱、纱网、带孔有机玻璃板，水位观测装置包括纱网、有机玻璃板、水位观测管和实心有机玻璃板，水头调节固定装置包括竖直轨道，利用上述装置综合实验，能够反映出初始地下水水位埋深对给水度的影响，具有显示水位变化直观、不需透水石标定、操作简单的优点；

(2)利用本发明的可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪同时测定渗透系数与给水度；

(3)在水位下降至试样以下时，可快速直观观测水位变化。

附图说明

图1是本发明的可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪的结构示意图。

图2是防蒸发盖固定板结构示意图。

图3是土柱横截面结构示意图。

图4是可控水头供水装置结构示意图。

图5是土柱横截面结构示意图。

图中：1-土柱，2-试样，3-纱网，4-带孔有机玻璃板，5-稳水室，6-防蒸发盖，7-通气孔，8-防蒸发盖固定板，9-螺丝，10-水位观测管，11-刻度，12-带孔有机玻璃隔板，13-供水阀，14-排水阀，15-可控水头供水装置，16-供水装置溢流管，17-供水装置进水管，18-供水管，19-可控水头排水装置，20-挡板B，21-排水装置溢流管，22-竖直轨道，23-排水管，24-竖直通孔，25-实心有机玻璃管，26-支架，27-排水孔，28-供水孔，29-螺孔，30-挡板A，31-后壁，32-内旋螺丝，33-供水装置溢流孔，34-供水装置进水孔，35-供水装置出水孔，36-量筒，37-抽真空泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪，参照图1、图2和图4，包括下底面密封、上底面开口的土柱1，所述土柱的上底面安装有防蒸发盖6，防蒸发盖上设有通气孔7，抽真空泵37与通气孔连通；土柱内部下方横置有表面铺设纱网3的带孔有机玻璃板4，纱网以及带孔有机玻璃管对试样的渗透影响可忽略不计；所述带孔有机玻璃板与土柱下底面之间的腔体形成稳水室5；带孔有机玻璃板与土柱上底面之间的腔体由竖直放置的带孔有机玻璃隔板12隔为2个腔体，分别为水位观测管10和用于装试样2的样品室，水位观测管的下底密封，带孔有机玻璃隔板位于水位观测管的表面标有刻度11，位于样品室的表面铺设有纱网；土柱的下底面开设有供水孔28和排水孔27，供水孔通过安装有供水阀13的供水管18与可控水头供水装置15连接，排水孔27通过安装有排水阀14的排水管23与可控水头排水装置19连接；所述可控水头供水装置包括缺顶面的盒体A，盒体A内设有将其内腔分隔为2个腔体的挡板A30，挡板A高度不高于盒体A的高度，其中一个腔体底部设有与供水管17连通的供水装置出水孔35以及与供水装置进水管17连通的供水装置进水孔34，另一个腔体底部设有供水装置溢流孔33；所述可控水头排水装置19包括缺顶面的盒体B，盒体B内设有将其内腔分隔为2个腔体的挡板B20，挡板B高度不高于盒体B的高度，其中一个腔体底部设有与排水管23连接的排水装置进水孔，另一个腔体底部设有排水装置溢流孔；所述盒体A和盒体B均通过分别设于盒体A和盒体B的盒壁的滑动装置与竖直轨道22滑动连接。所述供水装置溢流孔与供水装置溢流管16连通。所述排水装置溢流孔通过排水装置溢流管21与量筒36连通。

所述土柱的上沿设有一圈防蒸发盖固定板8，防蒸发盖固定板上开有螺孔29，防蒸发盖通过与螺孔匹配的螺丝9与防蒸发盖固定板连接。

带孔有机玻璃隔板与带孔有机玻璃板之间通过硅胶圈连接。

所述滑动装置包括设置于盒体A或盒体B的盒壁外侧的后壁31，后壁开凿有用于竖直轨道穿过的竖直通孔24，后壁上安装有用于将盒体A或盒体B与竖直轨道固定的内旋螺丝32。

土柱底部还可以设置有支架26。

土柱的形状不限，只要其横截面相等均可。土柱可以是内边长20cm、壁厚1cm、长150cm方形有机玻璃方形柱，带孔有机玻璃板4距离下底10cm，水位观测管10可以是图3所示，也可以如图5所示，只要水位观测管与样品室之间通过带孔有机玻璃隔板12隔开即可。水位观测管底部需密封，可以使用实心有机玻璃管25粘贴在水位观测管的底部。

本实施例中，竖直轨道可以由水头调节固定装置支架和铁棍组成。水头调节固定装置支架由角钢做成，在支架上设有4根铁棍。防蒸发盖的顶部为边长为26cm的方形有机玻璃板，下部粘有两块可分别对应扣紧边长20cm方形土柱以及边长为1cm的方形水位观测管的硅胶圈；防蒸发盖固定板内边长为20cm、外边长为26cm的同心方行有机玻璃板，且在一条边的中心处有4cm长的缺口，防蒸发盖固定板用氯仿固定在方形土柱上；在防蒸发盖和防蒸发盖固定板有机玻璃板上设有相对应的8个0.5cm的螺孔，将防蒸发盖盖在方形土柱上，硅胶圈刚好扣入土柱与水位观测管内，通过固定螺丝可保证土柱的密封；在防蒸发盖上设有排气孔，以防止在饱水过程中排气不充分，排气结束后，排气孔可平衡实验段内外气压。方形土柱为内边长20cm、壁厚1cm、长150cm方形有机玻璃柱，且其中一侧面纵向方向上分布有小孔，小孔的横向范围为2cm，与水位观测装置相连；在距土柱底部10cm处、全长140cm范围内设有带孔有机玻璃板，有机玻璃板上下均粘有纱网；所选纱网以及带孔有机玻璃管对试样的渗透影响可忽略不计；试样分层装在方形土柱内；土柱支架为四根高10cm的有机玻璃板，通过氯仿与土柱底部连接。带孔有机玻璃板宽2cm、长140cm，通过在方形土柱1的一侧边上从顶部向下140cm、横向中心2cm的范围内钻直径0.2cm的小孔实现；水位观测管由壁厚1cm、长140cm的3根有机玻璃板粘在方形土柱分布着小孔位置，从而形成内边长为1cm的水位观测管；在水位观测管的内壁上可有精度为1cm的刻度，共140个刻度11；实心有机玻璃管粘贴在水位观测管的底部，防止出现通过水位观测管而直接下渗的现象。该水位观测管可在实验段内的水位位于试样上或试样下时，均可顺利实现实时观测水位变化。盒体A何盒体B均为高10cm的缺顶面的长方体盒，挡板A和挡板B均高8cm。

本发明的可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪工作原理如下：

根据达西定律，有：

$Q\left(t\right)=K\frac{H\left(t\right)}{H\left(t\right)}A$

式中：H(t)—随时间变化的水头差，同时也是渗流途径，cm；

A-过水断面面积，cm2；

Q(t)-随时间变化的流量，cm3/s；

K-渗透系数，cm/s。

在dt时段内，通过圆柱断面的水体积为：

$dV=K\frac{H\left(t\right)}{H\left(t\right)}Adt$

按照水均衡原理，通过圆柱断面的水体积为：

dV＝-μAdH

式中负号表示随着通过圆柱断面体积(V)的增加，水头(H)值在减小。

由上两式得：

$K\frac{H\left(t\right)}{H\left(t\right)}Adt=-\mathrm{\μ}AdH$

则得：

Kdt＝+μdH

积分：

$K{\∫}_0^{t}dt=-\mathrm{\μ}{\∫}_{H_0}^{H}dH$

得：

Kt＝μ(H₀-H)

记录水位位于H时的t＝t1，及其排出水的体积V，则有:

$\mathrm{\μ}=\frac{V}{A(H_0-H)}$

$K=\frac{V}{{\mathrm{At}}_1}$

本发明的可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪的工作步骤如下：

1、采集试样：

采集实验所需试样，备用；同时，利用环刀取原状试样，利用烘干-称重法测定其干密度ρ′d。

2、制备试样：

把试样风干、捣碎及过筛(孔径为2mm孔径)，备用。

3、湿润试样：

在拌土容器中铺一层过筛风干后的试样，用喷壶均匀洒水；然后，再铺一层试样，再洒一层水，以此方法将试样全部湿润，之后加盖闷一夜，外层再套一塑料袋防止蒸发并使水分在试样中重分布。

4、测试样初始质量含水率：

将湿润好的试样充分混匀，在不同的位置取少量土样装入已知质量的小铝盒中，做5个平行。用天平称重后放入烘箱中105℃烘干12h至恒重，待冷却后称质量，计算质量含水率θm。

5、装填土柱：

根据方形土柱的的边长D、长度L以及干密度ρ′d、初始含水率θm，按公式m装填＝D2·ρ′d·(1+θm)计算出装填质量，分段(每层5cm)等质量装填土柱，层间打毛，防止层间流失的形成。

6、饱和土柱：

将可控水头供水装置与可控水头排水装置分别与供水孔与排水孔连接，关闭供水阀与排水阀，盖上防蒸发盖后，旋紧螺丝，在确保密封的情况下，将通气孔与抽真空泵连接，在抽真空泵工作的情况下。首先将可控水头供水装置调节至于试样底部平行的位置，后打开供水阀，逐渐升高可控水头供水装置，直到到达试样顶部，关掉抽真空泵，并断开抽真空泵与通气孔，使通气孔连接大气，最后关闭供水阀。以确保在饱水过程中试样内排气完全，使土柱孔隙充分饱水。

7、测试过程：

选取试验底部为零基准面，垂直向上为正，则：

(1)将可控水头排水装置调节至与试样底部平行的位置；

(2)打开排水阀，当水位观测孔的水位与试样顶部的距离大于试样的毛细上升高度hc时，记录此时的时间为t＝0，水位高度为H0，并将量筒放在可控水头排水装置的溢流孔位置处，开始接水。

(3)过一段时间后，水位下降至H处，记录此时的时间t＝t1，及t1时间段内排出的水的体积V。

上述步骤结束后，进行数据整理：

1、计算岩土的给水度：

$\mathrm{\μ}=\frac{V}{A(H_0-H)}$

2、计算岩土的渗透系数：

$K=\frac{V}{{\mathrm{At}}_1}$

本发明的一种可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪结构简单，使用方便，可同时准确测定岩土的渗透系数与给水度，具有广泛的应用前景。如可以广泛用水文地质研究中，作为教学仪器有助于学生更好理解给水度与渗透性的测定原理；而在生产中可以在地下水资源平衡计算、潜水动态预测、浅层地下水可开采量计算、农田排水沟、暗管沟深、间距计算、农田灌溉与排水计算、灌溉入渗补给系数、降雨入渗补给系数等水文地质参数计算,以及与地下水有关的各类研究中。

Claims (4)

1.一种可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪，包括下底面密封、上底面开口的土柱，其特征在于：所述土柱的上底面安装有防蒸发盖，防蒸发盖上设有通气孔，抽真空泵与通气孔连通；土柱内部下方横置有表面铺设纱网的带孔有机玻璃板，所述带孔有机玻璃板与土柱下底面之间的腔体形成稳水室；带孔有机玻璃板与土柱上底面之间的腔体由竖直放置的带孔有机玻璃隔板隔为2个腔体，分别为水位观测管和样品室，水位观测管的下底密封，带孔有机玻璃隔板位于水位观测管的表面标有刻度，位于样品室的表面铺设有纱网；土柱的下底面开设有供水孔和排水孔，供水孔通过安装有供水阀的供水管与可控水头供水装置连接，排水孔通过安装有排水阀的排水管与可控水头排水装置连接；所述可控水头供水装置包括缺顶面的盒体A，盒体A内设有将其内腔分隔为2个腔体的挡板A，挡板A高度不高于盒体A的高度，其中一个腔体底部设有与供水管连通的供水装置出水孔以及与供水装置进水管连通的供水装置进水孔，另一个腔体底部设有供水装置溢流孔；所述可控水头排水装置包括缺顶面的盒体B，盒体B内设有将其内腔分隔为2个腔体的挡板B，挡板B高度不高于盒体B的高度，其中一个腔体底部设有与排水管连接的排水装置进水孔，另一个腔体底部设有排水装置溢流孔；所述盒体A和盒体B均通过分别设于盒体A和盒体B的盒壁的滑动装置与竖直轨道滑动连接；所述供水装置溢流孔与供水装置溢流管连通；所述排水装置溢流孔通过排水装置溢流管与量筒连通。

2.根据权利要求1所述的可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪，其特征在于：所述土柱的上沿设有一圈防蒸发盖固定板，防蒸发盖通过螺丝与防蒸发盖固定板连接。

3.根据权利要求1所述的可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪，其特征在于：带孔有机玻璃隔板与带孔有机玻璃板之间通过硅胶圈连接。

4.根据权利要求1所述的可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪，其特征在于：所述滑动装置包括设置于盒体A或盒体B的盒壁外侧的后壁，后壁开凿有用于竖直轨道穿过的竖直通孔，后壁上安装有用于将盒体A或盒体B与竖直轨道固定的内旋螺丝。