CN106053317A - 非饱和垃圾土双向气体渗透系数测定仪 - Google Patents
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Abstract
本发明属岩土工程技术领域，具体涉及一种通过常气压渗透试验方法测定垃圾土水平和竖直方向气体渗透系数的非饱和垃圾土双向气体渗透系数测定仪。由仪器底座、加压系统、仪器箱、导气系统和测量系统组成，仪器底座是整个测量仪的底部支承系统，仪器箱用于装填试样，加压系统用于分层压实试样，导气系统提供一定气压的稳定气流，测量系统用于测定气压和流量，并通过达西定律得到试样的气体渗透系数。本装置可根据需要密封仪器箱上下(或左右)的多孔板，从而测定同一试样的水平(或竖直)向渗透系数，进而得到试样渗透系数的各向异性系数。本装置的测量对象既可以是了垃圾土，也可以是普通土样、污染土等。
Description
技术领域
本发明属岩土工程技术领域，具体涉及一种通过常气压渗透试验方法测定垃圾土水平和竖直方向气体渗透系数的非饱和垃圾土双向气体渗透系数测定仪。
背景技术
近年来我国经济的迅速发展，城市生活垃圾总量呈指数型增长，如何绿色、环保、高效地处理垃圾已经成为一项热门课题。填埋法以其低成本的优势为大多数城市所采用，但在垃圾填埋场中有一些问题亟待解决：我国城市垃圾有机质含量和含水量均较高，填埋体渗滤液导排量为发达国家的5～10倍，国内填埋场渗滤液水位往往高于填埋体厚度50%，严重抑制生化降解并降低填埋场的稳定性；渗滤液其中含有多种有毒有害污染物，这些污染物如果通过渗滤液渗漏到地下水，会对周边环境造成严重危害；垃圾有机质降解的同时会产生大量的气体，主要包括易然易爆气体甲烷，当空气中甲烷含量为5％～15％时，容易发生火灾和爆炸；当填埋气体导排不通畅，垃圾体内气压力会升高，进而导致有效应力降低，最终影响填埋体的稳定性。此外，甲烷又是一种可利用的清洁能源，将其回收利用再发电，是保护环境、变废为宝的最佳选择，从而实现了环境效益、社会效益和经济效益的有机统一。城市生活垃圾是一种固、液、气三相介质，多数情况下处于非饱和状态。目前国内外已有的垃圾土气体渗透系数测试仪器仍有一些不足，主要包括：渗透系数测试仪的尺寸大多较小，需要对试样进行破碎处理，有较大扰动，存在较大误差；只能测定水平向或竖直向的渗透系数，而垃圾土有着明显的各向异性。在室内利用常气压测试方法测定垃圾土气体渗透系数，研究垃圾土的非饱和渗透特性，进而可以实现对填埋场渗滤液以及填埋气运移分析以及收集与控制系统设计，然而目前缺乏这类非饱和垃圾土样非饱和渗透系数的室内测定仪器。因此，亟需研制一种结构设计合理，可实现双向同时测定气体渗透系数的城市生活垃圾气体渗透系数试验装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非饱和垃圾土双向气体渗透系数测定仪。
本发明提出的一种非饱和垃圾土双向气体渗透系数测定仪，由仪器底座1、加压系统、仪器箱12、导气系统和测量系统组成，其中：
仪器底座1作为整个测定仪的底部支承系统，仪器箱12固定于仪器底座1上方，加压系统位于仪器箱12顶部，导气系统和测量系统独立而不依附于仪器底座1；
加压系统由反力架2、千斤顶3和传力杆4组成，反力架2的立柱底部与仪器底座1顶部焊接，千斤顶3通过螺栓固定于反力架2横梁底部，传力杆4顶部固定有调节螺栓，传力杆4顶部的调节螺栓对准千斤顶3底部；
仪器箱12为两相交的矩形筒体构成的“十”字型空腔，由上、下、左和右四块第二面板8和四块L型板7交替连接组成外部框架，“十”字型空腔分为五个小腔体，其中部为正方体空腔，所述正方体空腔为试样箱；正方体空腔的四周布置有四个长方体空腔，所述四个长方体空腔分别为上部空腔、下部空腔、左侧空腔和右侧空腔；“十”字型空腔的前、后两侧设有第一面板6，第一面板6与L型板7一端通过螺丝连接；正方体空腔与上部空腔、下部空腔、左侧空腔和右侧空腔相交的四个面布置多孔板14，相邻的多孔板14相交处固定于L型板7上，多孔板14的两端固定于第一面板6上，盖板16位于多孔板14外侧，边长略小于多孔板14，盖板16的四边通过螺丝连接多孔板14，用于密封多孔板14；位于顶部空腔的第二面板8上设有顶板密封装置5，传力杆4另一端通过位于顶部空腔上方的顶板密封装置5穿过顶部的第二面板8，对于正方体空腔与上部空腔相交处使用的多孔板14，当需要压实试验时，将其更换为多孔压板15，所述多孔压板15连接传力杆4另一端，在传力杆4的上下作用下，多孔压板15能随着传力杆4作上下运动；当完成压实工作后，取下多孔压板15，重新更换为多孔板14即可；底部空腔的第二面板8上设有进气口11 、排水口18和三个水平测压口13，顶部空腔的第二面板8上设有排气口9和进水口17，顶部空腔和底部空腔右侧L型板7上各设有一个竖直测压口10，右侧空腔的第二面板8上设有进气口11和三个竖直测压口10，左侧空腔的第二面板8上设有排气口9；一个第一面板6两侧设有水平测压口13，所述两个水平测压口13分别连接左侧空腔和右侧空腔；
导气系统由空气压缩机、导气管、减压阀和阀门依次连接组成，所述阀门通过管道连接右侧空腔或下部空腔的进气口11，当进行试验时，由空气压缩机提供稳定气源，先由导气管通过减压阀，再通过阀门，最后连接右侧空腔或下部空腔的进气口11；
测量系统由测量平台和测量设备组成，测量平台为一钢材焊接而成的平板立架，测量设备包括气压计、流量计和过滤器，测量设备分别通过螺丝固定于测量平台的平板上，同时减压阀也固定于测量平台的平板上，空气压缩机依次连接减压阀、过滤器和流量计，所述流量计连接右侧空腔或下部侧空腔的进气口11，五个竖直测压口或五个水平测压口分别连接气压计；使用时，气体由空气压缩机先经过减压阀，再经过过滤器和流量计，最后连接至相应的进气口。
本发明中，根据测量需要，当要求实现试样箱左右或上下方向通气时，位于上下或左右方向的多孔板(14)用贴有一层橡胶和密封条的盖板(16)进行密封，实现水平或竖直方向的渗透系数测定。
本发明中，所述多孔压板15的尺寸略小于多孔板14，在加压时，使多孔压板15可沿竖直方向上下滑动，从而实现对试样的压实。
本发明中，可以通过给完全饱和的试样加气压令其排水来改变试样饱和度；将水泵与位于顶部空腔的进水口(17)连接，打开底部空腔的排水口(18)，加水使试样完全饱和；然后用导气管一端连接空气压缩机、减压阀、过滤器和流量计，另一端连至右侧空腔的进气口(11)，关闭其他不需使用的进气口、排气口、测压口，给已饱和的试样加气压令其排水，收集从排水口排出的水，通过排出水的质量控制试样达到不同饱和度。
本发明的工作过程：
下面简述垃圾土样竖直方向气体渗透系数测定的工作过程、垃圾土样水平方向气体渗透系数测定的工作过程。
第一步：安装仪器。垃圾土样竖直方向气体渗透系数测定的工作过程如下：打开仪器左右两侧的第二面板8，分别在左右两侧多孔板14上安装盖板16，使用螺丝密封连接，盖板16与多孔板14相接触的一面上贴有橡胶和密封条保证气密性。盖板16安装完成后将用螺丝将左右两侧的第二面板8装回仪器箱12。
第二步：装填并压实试样。打开仪器的上部的第二面板8，分离千斤顶3与传力杆4。取出传力杆4、上部的第二面板8和多孔压板15，分层填入称好质量的垃圾土样并使其均匀分布。试样填充完毕后，重新安装加压装置，将上部的第二面板8和多孔压板15覆盖在试样表面，连接传力杆4至千斤顶3和反力架2。使用千斤顶3沿竖向推动传力杆4和多孔压板15向下运行至标定位置。压实完成后，分离千斤顶3与传力杆4，取出传力杆4、上部的第二面板8和多孔压板15，将多孔板14固定于由上部的L型板7伸出的台阶上，使试样箱重新成为闭合的空腔，并且也可以用盖板16来密封。
第三步：改变试样饱和度。将水泵与进水口17连接，打开排水口18的阀门，加水使试样完全饱和。然后用导气管一端连接空气压缩机、减压阀、过滤器和流量计，另一端连至右进气口11，关闭其他不需使用的进气口、排气口、测压口阀门，给已饱和的试样加气压排水，收集从排水口排出的水，通过排出水的质量控制试样达到不同饱和度。
第四步：测定竖直方向气体渗透系数。排水完成后，使用导气管一端连接空气压缩机、减压阀、过滤器和流量计，另一端连至下部空腔上的进气口11。连接五个气压计至竖直测压口10，对气压计进行调零操作。启动空气压缩机，打开下部空腔上的进气口11和上部空腔上的排气口9的阀门。关闭其余进气（水）口、排气（水）口和测压口的阀门。通气一段时间至气流稳定后，读取流量计与各气压计的读数并记录，以备后续数据分析。
第五步：测定水平方向气体渗透系数。垃圾土样水平方向气体渗透系数测定的工作过程如下：打开仪器的左右两侧的第二面板8，取下左右两侧多孔板14上的盖板16，打开上下部的第二面板8，在上下多孔板14上安装盖板16，使用螺丝密封连接。将导气管另一端与右进气口11连接，连接五个气压计至水平测压口13，对气压计进行调零操作。启动空气压缩机，打开右侧空腔上的进气口11和左侧空腔上的排气口9的阀门。关闭其余进气（水）口、排气（水）口和测压口的阀门。通气一段时间至气流稳定后，读取流量计与各气压计的读数并记录，以备后续数据分析。
第六步：完成当前饱和度下试样竖直向和水平向气体渗透系数的测定之后，重复第三步的排水控制饱和操作，然后进行第四、五步的渗透系数测定，得到另一个饱和度试样的气体渗透系数。测完所有饱和度的渗透系数后，将导气系统和测量系统与仪器分离，拆开仪器，取出试样。
本发明的有益效果：
本发明装置的最大优点是实现了针对同一垃圾土试样，通过室内常气压渗透试验方法实现了竖直和水平双向非饱和气体渗透系数的测定，解决了现有垃圾土气体渗透系数测试仪器对土样扰动大以及无法同时双向测定气体渗透系数的不足，填补了目前对垃圾土气体渗透系数各向异性系数测定的研究空白。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为本发明的前视图。
图3为本发明的右视图。
图4为本发明的俯视图。
图5为本发明的仰视图。
图6为本发明的多孔板和盖板示意图。
图7为本发明的仪器箱的示意图。
图中标号：1为仪器底座，2为反力架，3为千斤顶，4为传力杆，5为顶板密封装置，6为第一面板，7为L型板，8为第二面板，9为排气口，10为竖直测压口，11为进气口，12为仪器箱，13为水平测压口，14为多孔板，15为多孔压板，16为盖板，17为进水口，18为排水口。
具体实施方式
本发明为非饱和垃圾土双向气体渗透系数测定仪，下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例1
如图所示，装置由仪器底座1、反力架2、千斤顶3、传力杆4、顶板密封装置5、第一面板6、L型板7、第二面板8、排气口9、竖直测压口10、进气口11、仪器箱12、水平测压口13、多孔板14、多孔压板15、盖板16、进水口17、排水口18、空气压缩机、减压阀、导气管、阀门、测量平台、五个气压计、流量计和过滤器组成。
其中仪器底座1作为整个测定仪器的底部支承系统，仪器箱12位于仪器底座上方，加压系统位于仪器箱顶部，固定于反力架2，导气系统和测量系统独立而不依附于仪器底座1。反力架2、千斤顶3、传力杆4、顶板密封装置5、多孔压板15组成加压系统，反力架2与仪器底座1焊接，千斤顶3通过螺栓固定于反力架2，调节螺栓与传力杆4顶部固定，传力杆4下部通过螺栓与多孔压板15相连。第一面板6、第二面板8、多孔板14、盖板16和L型板7组成仪器箱12。第一面板6与L型板7螺丝连接，每侧16个，构成一个“十”字型空腔；四块多孔板14位于相交正方形四周，固定于L型板7和第一面板6上；盖板16位于多孔板14外侧，边长略小于多孔板14，四边用螺丝与多孔板14连接在一起，可密封多孔板14使内部形成密闭空腔；第二面板8分别由螺丝连接于仪器箱12四端，其中顶部的第二面板8上有顶板密封装置5，传力杆4通过顶板密封装置5穿过顶部的第二面板8，多孔压板15可在空腔内上下移动来压实试样；下部的第二面板8上有下进气口11、排水口17、三个水平测压口13，上部的第二面板8上有排气口9，右侧的第二面板8上有右进气口11、三个竖直测压口10，左侧的第二面板8上有排气口9；前面的第一面板6有两个水平测压口13，右侧的L型板7上有两个竖直测压口10。空气压缩机、减压阀、导气管、阀门组成导气系统，试验时由空气压缩机提供稳定气源，由导气管通过减压阀，再通过阀门，最后连接下进气口11，无需使用的水平测压口13和右进气口11等用阀门密闭；或连接右进气口11，并密封另一个方向上的竖直测压口10和下进气口11。测量平台、测量设备组成测量系统，测量平台为一钢材焊接而成的平板立架，测量设备包括五个气压计、一个流量计和一个过滤器，并由螺丝固定测量平台的平板上，同时减压阀也固定于平板上，使用时气体由空气压缩机先经过减压阀，再经过过滤器和流量计，最后连接至进气口，当测定竖直向渗透系数时，五个气压计分别由导气管连接至竖直测压口10，另一个方向上的右进气口11、左排气口9和水平测压口13用阀门密闭；当测定水平向渗透系数时，五个气压计由导气管连接至水平测压口10，另一个方向上的下进气口11、上排气口9和竖直测压口10用阀门密闭。
首先安装好仪器。打开仪器左右两侧的第二面板8，分别在左右两侧多孔板14上安装盖板16，使用螺丝密封连接，盖板16与多孔板14相接触的一面上贴有橡胶和密封条保证气密性。盖板16安装完成后将用螺丝将左右两侧的第二面板8装回仪器箱12。
然后装填并压实试样。打开仪器的上部的第二面板8，分离千斤顶3与传力杆4。取出传力杆4、上部的第二面板8和多孔压板15，分层填入称好质量的垃圾土样并使其均匀分布。试样填充完毕后，重新安装加压装置，将上部的第二面板8和多孔压板15覆盖在试样表面，连接传力杆4至千斤顶3和反力架2。使用千斤顶3沿竖向推动传力杆4和多孔压板15向下运行至标定位置。压实完成后，分离千斤顶3与传力杆4，取出传力杆4、上部的第二面板8和多孔压板15，将多孔板14固定于由上部的L型板7伸出的台阶上，使试样箱重新成为闭合的空腔，并且也可由盖板16予以密封。
接着通过加气压排水控制试样达到不同饱和度。将水泵与进水口17连接，打开排水口18的阀门，加水使试样完全饱和。然后用导气管一端连接空气压缩机、减压阀、过滤器和流量计，另一端连至右侧空腔上的进气口11，关闭其他不需使用的进气口、排气口、测压口阀门，给已饱和的试样加气压排水，收集从排水口排出的水，通过排出水的质量控制试样达到不同饱和度。
得到一定饱和度的试样后，先测定竖直方向气体渗透系数。排水完成后，使用导气管一端连接空气压缩机、减压阀、过滤器和流量计，另一端连至下部空腔上的进气口11。连接五个气压计至竖直测压口10，对气压计进行调零操作。启动空气压缩机，打开下部空腔上的进气口11和上部空腔上的排气口9的阀门。关闭其余进气（水）口、排气（水）口和测压口的阀门。通气一段时间至气流稳定后，读取流量计与各气压计的读数并记录，以备后续数据分析。
测好竖直方向气体渗透系数后，不用取出试样就能继续测定水平方向气体渗透系数。打开仪器的左右两侧的第二面板8，取下左右两侧多孔板14上的盖板16，打开上下部的第二面板8，在上下多孔板14上安装盖板16，使用螺丝密封连接。将导气管另一端与右进气口11连接，连接五个气压计至水平测压口13，对气压计进行调零操作。启动空气压缩机，打开右侧空腔上的进气口11和左侧空腔上的排气口9的阀门。关闭其余进气（水）口、排气（水）口和测压口的阀门。通气一段时间至气流稳定后，读取流量计与各气压计的读数并记录，以备后续数据分析。
完成当前饱和度下试样竖直向和水平向气体渗透系数的测定之后，重复第三步的排水控制饱和操作，然后进行第四、五步的渗透系数测定，得到另一个饱和度试样的气体渗透系数。测完所有饱和度的渗透系数后，将导气系统和测量系统与仪器分离，拆开仪器，取出试样。
Claims (4)
1.一种非饱和垃圾土双向气体渗透系数测定仪，由仪器底座(1)、加压系统、仪器箱(12)、导气系统和测量系统组成，其特征在于：
仪器底座(1)作为整个测定仪的底部支承系统，仪器箱(12)固定于仪器底座(1)上方，加压系统位于仪器箱(12)顶部，导气系统和测量系统独立而不依附于仪器底座(1)；
加压系统由反力架(2)、千斤顶(3)和传力杆(4)组成，反力架(2)的立柱底部与仪器底座(1)顶部焊接，千斤顶(3)通过螺栓固定于反力架(2)横梁底部，传力杆(4)顶部固定有调节螺栓，传力杆(4)顶部的调节螺栓对准千斤顶(3)底部；
仪器箱(12)为两相交的矩形筒体构成的“十”字型空腔，由上、下、左和右四块第二面板(8)和四块L型板(7)交替连接组成外部框架，“十”字型空腔分为五个小腔体，其中部为正方体空腔，所述正方体空腔为试样箱；正方体空腔的四周布置有四个长方体空腔，所述四个长方体空腔分别为上部空腔、下部空腔、左侧空腔和右侧空腔；“十”字型空腔的前、后两侧设有第一面板(6)，第一面板(6)与L型板(7)一端通过螺丝连接；正方体空腔与上部空腔、下部空腔、左侧空腔和右侧空腔相交的四个面布置多孔板(14)，相邻的多孔板(14)相交处固定于L型板(7)上，多孔板(14)的两端固定于第一面板(6)上，盖板(16)位于多孔板(14)外侧，边长略小于多孔板(14)，盖板(16)的四边通过螺丝连接多孔板(14)，用于密封多孔板(14)；位于顶部空腔的第二面板(8)上设有顶板密封装置(5)，传力杆(4)一端通过位于顶部空腔上方的顶板密封装置(5)穿过顶部的第二面板(8)，对于正方体空腔与上部空腔相交处使用的多孔板(14)，当需要压实试样时，将其更换为多孔压板(15)，所述多孔压板(15)连接传力杆(4)另一端，在传力杆(4)的上下作用下，多孔压板(15)能随着传力杆(4)作上下运动；当完成压实工作后，取下多孔压板(15)，重新更换为多孔板(14)即可；底部空腔的第二面板(8)上设有进气口(11) 、排水口(18)和三个水平测压口(13)，顶部空腔的第二面板(8)上设有排气口(9)和进水口(17)，顶部空腔和底部空腔右侧L型板(7)上各设有一个竖直测压口(10)，右侧空腔的第二面板(8)上设有进气口(11)和三个竖直测压口(10)，左侧空腔的第二面板(8)上设有排气口(9)；一个第一面板(6)两侧设有水平测压口(13)，所述两个水平测压口(13)分别位于左侧空腔和右侧空腔；
导气系统由空气压缩机、导气管、减压阀和阀门依次连接组成，所述阀门通过管道连接右侧空腔或下部空腔的进气口(11)，当进行试验时，由空气压缩机提供稳定气源，先由导气管通过减压阀，再通过阀门，最后连接右侧空腔或下部空腔的进气口(11)；
测量系统由测量平台和测量设备组成，测量平台为一钢材焊接而成的平板立架，测量设备包括气压计、流量计和过滤器，测量设备分别通过螺丝固定于测量平台的平板上，同时减压阀也固定于测量平台的平板上，空气压缩机依次连接减压阀、过滤器和流量计，所述流量计连接右侧空腔或下部侧空腔的进气口(11)，五个竖直测压口或五个水平测压口分别连接气压计；使用时，气体由空气压缩机先经过减压阀，再经过过滤器和流量计，最后连接至相应的进气口。
2.根据权利要求1所述的非饱和垃圾土双向气体渗透系数测定仪，其特征在于：根据测量需要，当要求实现试样箱左右或上下方向通气时，位于上下或左右方向的多孔板(14)用贴有一层橡胶和密封条的盖板(16)进行密封，实现水平或竖直方向的渗透系数测定。
3.根据权利要求1所述的非饱和垃圾土双向气体渗透系数测定仪，其特征在于：所述多孔压板(15)的尺寸略小于多孔板(14)，在加压时，使多孔压板(15)可沿竖直方向上下滑动，从而实现对试样的压实。
4.根据权利要求1所述的非饱和垃圾土双向气体渗透系数测定仪，其特征在于：可以通过给完全饱和的试样加气压令其排水来改变试样饱和度；将水泵与位于顶部空腔的进水口(17)连接，打开底部空腔的排水口(18)，加水使试样完全饱和；然后用导气管一端连接空气压缩机、减压阀、过滤器和流量计，另一端连至右侧空腔的进气口(11)，关闭其他不需使用的进气口、排气口、测压口，给已饱和的试样加气压令其排水，收集从排水口排出的水，通过排出水的质量控制试样达到不同饱和度。
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