CN106918536A - 一种饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置及方法 - Google Patents

一种饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置及方法，该装置包括测定装置主体箱，所述的测定装置主体箱内由下而上依次为水槽、试验土样区和溶液区，所述的水槽内填充石英砂，所述的试验土样区填充试验土样，所述的试验土样区均匀设有取样管，所述的取样管垂直穿过测定装置主体箱并伸入至试验土样中；进行测定试验时，首先，在测定装置主体箱中依次填充石英砂和试验土样，密封取样管，向溶液区加入自来水直至土样饱和，然后，将溶液区自来水置换为相同液位高度的溶液，最后，打开取样管获取滤液并分析确定饱和土层中溶质垂直有效扩散系数。与现有技术相比，本发明结构简单、测量结果准确可靠。

Description

一种饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置及方法
技术领域
本发明涉及一种垂直扩散系数的测定装置及方法，尤其是涉及一种饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置及方法。
背景技术
目前大多数国家对固体废弃物的处置仍以填埋为主，废弃物的简单填埋是地下水资源的污染源。污染源随着雨水冲刷，产生的污染物在饱和土层中通过垂直扩散，迁移至深层土层，进而污染了地下水资源。因此掌握饱和土层中污染物的垂直扩散规律有助于对污染物的隔离。
此外，随着社会的发展，越来越多的地下建筑投入使用，而工业、农业、生活废弃物的排放，都会使溶质在饱和土层中扩散到地下结构，导致地下结构混凝土腐蚀等多种病害产生，严重影响地下结构的使用性能，使地下结构未达设计基准期即需大修，既浪费了大量资金，又影响地下结构的正常使用，缩短了维护周期和使用寿命。因此在设计和施工新建地下结构时，如能掌握饱和土层中污染源的扩散规律，则能采取相应的防范措施，可减少此类病害的发生，提高结构安全性，减少维修费用。因此针对饱和土层中溶质垂直扩散规律研究迫在眉睫。
模型试验是解决复杂工程问题和研究科学理论问题必不可少的手段，通过对饱和土层中溶质垂直扩散规律进行研究，为实际工程饱和土层中溶质垂直扩散运移规律提供参考依据。饱和土层中溶质垂直扩散系数的测定是研究饱和土层中溶质垂直扩散规律的最有效方法之一。传统的饱和土层中溶质垂直扩散装置单一，通过提取试验土样、加酸萃取等复杂工序得到溶质浓度，提取试验土样过程易出差错，由此产生的误差较大；另外，传统方法试验开始前难以确保试样土样饱和，导致试验过程中存在溶液渗流现象，从而加速了溶质迁移造成试验误差；其次，试验过程中溶液水分易挥发，导致溶液浓度上升，从而对试验造成误差；同时传统的饱和土层中溶质垂直扩散装置侧壁与土样孔隙较大，侧壁处溶质浓度上升，溶质从侧壁扩散，造成试验误差甚至试验失败。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置，该装置包括测定装置主体箱，所述的测定装置主体箱内由下而上依次为水槽、试验土样区和溶液区，所述的水槽内填充石英砂，所述的试验土样区填充试验土样，所述的试验土样区均匀设有取样管，所述的取样管垂直穿过测定装置主体箱并伸入至试验土样中；
进行测定试验时，首先，在测定装置主体箱中依次填充石英砂和试验土样，密封取样管，向溶液区加入自来水直至土样饱和，然后，将溶液区自来水置换为相同液位高度的溶液，最后，打开取样管获取滤液并分析确定饱和土层中溶质垂直有效扩散系数。
该装置还包括用于确定土样饱和的测水压管，所述的测水压管沿垂直方向设置，测水压管下端连通至所述的水槽，所述的测水压管上设有止回阀；
向溶液区加入自来水，测水压管中的自来水与溶液区的自来水齐平后确定土样饱和。
所述的试验土样区上部设有挡水凸缘，所述的挡水凸缘固定于测定装置主体箱内侧壁并向箱体中心位置凸出。
所述的取样管为注射器状，取样管伸入试验土样的一端设有滤网，取样管活动设置活塞。
所述的测定装置主体箱为圆柱形箱体，测定装置主体箱上下端分别设有用于密封的密封顶盖和密封底盖。
所述的石英砂和试验土样之间设有用于将两者分隔的土工织物。
在进行测定试验时，溶液上方还设置一层油层。
一种采用上述饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置的测定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)在取样管前端放置滤网，密封取样管；
(2)在水槽内填满石英砂，在石英砂上铺设土工织物；
(3)将试验土样分层填入测定装置主体箱中的土工织物上方，并在试验土样上方放入一定高度的自来水；
(4)自来水经渗流填满水槽，确认试验土样饱和后将试验土样上方自来水置换为相同液位高度的溶液，并在溶液上方覆盖油层；
(5)封闭测定装置主体箱，待试验土样浸泡至预定时间后，打开取样管收集滤液，对滤液进行分析得到饱和土层中溶质垂直有效扩散系数。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明通过设置取样管，直接从饱和土层中收集滤液，减少了提取试验土样、加酸萃取等复杂工序，且避免了由此产生的误差，试验简单、快捷，误差较小；
(2)本发明在水槽底部连接测水压管，通过观测水槽底部水压，从而保证了试验土样饱和，并通过设置止回阀避免水回流，确保溶液与测水压管内水压一致，避免产生水头差、引起渗流，试验土样内只存在溶质分子扩散；
(3)本发明设置挡水凸缘，可以避免溶液渗透到装置侧壁，进而渗透到试验土样，从而影响对饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定，消除了侧壁短流现象对测定结果的影响，测量结果准确可靠；
(4)本发明在溶液上覆盖一层油层，消除了试验过程中由于水分挥发，导致溶液浓度上升，从而对试验造成误差的问题；
(5)本发明测定装置结构简单，测定方法简单，便于操作。
附图说明
图1为本发明饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置的结构示意图；
图2为本发明测定装置主体箱水平方向剖视图；
图3为实施例中氯离子扩散曲线。
图中，1为密封顶盖，2为油层，3为测定装置主体箱，4为溶液，5为挡水凸缘，6为试验土样，7为取样管，8为活塞，9为滤网，10为土工织物，11为水槽，12为石英砂，13为密封底盖，14为测水压管，15为止回阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1、图2所示，一种饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置，该装置包括测定装置主体箱3，测定装置主体箱3内由下而上依次为水槽11、试验土样区和溶液区，水槽11内填充石英砂12，试验土样区填充试验土样6，试验土样区均匀设有取样管7，取样管7垂直穿过测定装置主体箱3并伸入至试验土样6中；进行测定试验时，首先，在测定装置主体箱3中依次填充石英砂12和试验土样6，密封取样管7，向溶液区加入自来水直至土样饱和，然后，将溶液区自来水置换为相同液位高度的溶液4，最后，打开取样管7获取滤液并分析确定饱和土层中溶质垂直有效扩散系数，在进行测定试验时，溶液4上方还设置一层油层2。
测定装置主体箱3为圆柱形箱体，测定装置主体箱3上下端分别设有用于密封的密封顶盖1和密封底盖13。水槽11位于测定装置主体箱3下方，水槽11填满石英砂12，试验土样6设置在石英砂12上方并通过土工织物10将石英砂12和试验土样6分隔。该装置还包括用于确定土样饱和的测水压管14，测水压管14沿垂直方向设置，测水压管14下端连通至水槽11，测水压管14上设有止回阀15；向溶液区加入自来水，测水压管14中的自来水与溶液区的自来水齐平后确定土样饱和。
试验土样区上部设有挡水凸缘5，挡水凸缘5固定于测定装置主体箱3内侧壁并向箱体中心位置凸出。取样管7为注射器状，取样管7伸入试验土样6的一端设有滤网9，取样管7活动设置活塞8。
为了减小取样管7对溶质扩散的影响，取样管7管径不宜过大，不宜伸进试验土样6过长；挡水凸缘5不宜伸进试验土样6过长，以免干扰溶质的垂直扩散，从而对试验结果造成影响；同时在实际试验过程中，为了避免取样过多，加速溶质迁移，从而造成试验结果偏大，因此在每个取样管7所取滤液不宜过多；另外，止回阀15应设置在自来水液面高度的下方，确保测水压管14内的液面高于止回阀15。
测定装置主体箱3和测水压管14采用高强度有机玻璃制作，在试验中可以清晰地观察试验状态。
一种采用上述饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置的测定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)在取样管7前端放置滤网9，将活塞8推到取样管7顶部，从而密封取样管7；
(2)在水槽11内填满石英砂12，在石英砂12上铺设土工织物10；
(3)将试验土样6分层填入测定装置主体箱3中的土工织物10上方，并在试验土样6上方放入一定高度的自来水；
(4)自来水经渗流填满水槽11，确认试验土样6饱和后将试验土样6上方自来水置换成相同液位高度的溶液4，并在溶液4上方覆盖油层2，其中确认试验土样6饱和具体通过如下方式：观察测水压管14中水位，当测水压管14中水位与自来水与试验土样6上方自来水平齐，试验土样6饱和；
(5)盖上密封顶盖1，封闭测定装置主体箱3，待试验土样6浸泡至预定时间后，打开取样管7收集滤液，对滤液进行分析得到饱和土层中溶质垂直有效扩散系数。
步骤(5)中通过ICS-1000型离子色谱仪对滤液进行水质化验，测出水样中溶质浓度，利用实验数据，通过对溶质扩散曲线进行拟合，得到溶质垂直有效扩散系数。Fick第二定律见下式：
式中：Cs为所取滤液溶质浓度，Cs单位为％；Ds为饱和土层中溶质有效扩散系数，Ds单位为cm2/s；Cs0为溶液溶质浓度；Csi为饱和土层中溶质初始浓度，t为时间，x为扩散深度，x单位为cm，erf为高斯误差函数。
测试土样为上海松江区③层淤泥质粉质粘土，干密度为1.86g/cm3，孔隙率为0.512。在取样管7前端放置滤网9，随后将活塞8推到取样管7顶部，在测定装置主体箱3底部的水槽11内填满石英砂12，在石英砂12上铺设土工织物10，将试验土样6分层填入测定装置主体箱3中的土工织物10上方，试验土样6尺寸为Φ30cm×18cm，每隔2cm布置一个取样管7，共布置8个取样管7，取样管7直径3mm，取样管7沿测定装置主体箱3四周均匀布置，并在试验土样6上方放入一定高度自来水，自来水经渗流填满水槽11，待测水压管14中的自来水与试验土样6上方自来水平齐，将试验土样6上方自来水置换成配置好的相同液位高度溶液4，并在溶液4上方覆盖油层2，盖上密封顶盖1，待试验土样6浸泡至预定时间后，拔出活塞8，在取样管7收集滤液，对滤液进行分析得到饱和土层中溶质垂直有效扩散系数，通过ICS-1000型离子色谱仪对滤液进行水质化验，测出水样中氯离子浓度，利用实验数据，通过对氯离子扩散曲线进行拟合得到氯离子垂直有效扩散系数，氯离子扩散曲线如图3所示，采用ORIGIN软件拟合得到上海松江区③层泥质粘土的氯离子垂直有效扩散系数为2.64×10-6cm2/s。

Claims (8)

1.一种饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置，该装置包括测定装置主体箱(3)，其特征在于，所述的测定装置主体箱(3)内由下而上依次为水槽(11)、试验土样区和溶液区，所述的水槽(11)内填充石英砂(12)，所述的试验土样区填充试验土样(6)，所述的试验土样区均匀设有取样管(7)，所述的取样管(7)垂直穿过测定装置主体箱(3)并伸入至试验土样(6)中；
进行测定试验时，首先，在测定装置主体箱(3)中依次填充石英砂(12)和试验土样(6)，密封取样管(7)，向溶液区加入自来水直至土样饱和，然后，将溶液区自来水置换为相同液位高度的溶液(4)，最后，打开取样管(7)获取滤液并分析确定饱和土层中溶质垂直有效扩散系数。
2.根据权利要求1所述的一种饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置，其特征在于，该装置还包括用于确定土样饱和的测水压管(14)，所述的测水压管(14)沿垂直方向设置，测水压管(14)下端连通至所述的水槽(11)，所述的测水压管(14)上设有止回阀(15)；
向溶液区加入自来水，测水压管(14)中的自来水与溶液区的自来水齐平后确定土样饱和。
3.根据权利要求1所述的一种饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置，其特征在于，所述的试验土样区上部设有挡水凸缘(5)，所述的挡水凸缘(5)固定于测定装置主体箱(3)内侧壁并向箱体中心位置凸出。
4.根据权利要求1所述的一种饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置，其特征在于，所述的取样管(7)为注射器状，取样管(7)伸入试验土样(6)的一端设有滤网(9)，取样管(7)活动设置活塞(8)。
5.根据权利要求1所述的一种饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置，其特征在于，所述的测定装置主体箱(3)为圆柱形箱体，测定装置主体箱(3)上下端分别设有用于密封的密封顶盖(1)和密封底盖(13)。
6.根据权利要求1所述的一种饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置，其特征在于，所述的石英砂(12)和试验土样(6)之间设有用于将两者分隔的土工织物(10)。
7.根据权利要求1所述的一种饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置，其特征在于，在进行测定试验时，溶液(4)上方还设置一层油层(2)。
8.一种采用如权利要求1～7任一项所述的饱和土层中溶质垂直有效扩散系数的测定装置的测定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)在取样管(7)前端放置滤网(9)，密封取样管(7)；
(2)在水槽(11)内填满石英砂(12)，在石英砂(12)上铺设土工织物(10)；
(3)将试验土样(6)分层填入测定装置主体箱(3)中的土工织物(10)上方，并在试验土样(6)上方放入一定高度的自来水；
(4)自来水经渗流填满水槽(11)，确认试验土样(6)饱和后将试验土样(6)上方自来水置换成相同液位高度的溶液(4)，并在溶液(4)上方覆盖油层(2)；
(5)封闭测定装置主体箱(3)，待试验土样(6)浸泡至预定时间后，打开取样管(7)收集滤液，对滤液进行分析得到饱和土层中溶质垂直有效扩散系数。
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