CN107063972B - 一种常-变水头一体化渗透系数测定装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种常‑变水头一体化渗透系数测定装置及其试验方法，包括常‑变水头管路、介质存储套筒、水源补充及动力装置、其他附属装置；常‑变水头管路分为常水头管路和变水头管路，由透明玻璃缸、支撑架、相关管路阀门及连接件组成；介质存储套筒由有机玻璃透明套筒、透水石、橡胶垫等组成；水源补充及动力装置由水箱、进水管路、阀门、连接件及小型抽水泵组成；其他附属装置包括存储介质顶部套筒、底部套筒、集水量筒、泄水管路及单轴试验压缩机等组成。与现有的装置相比，该装置成功实现了常‑变水头一体化试验操作及ε‑k关系的精确化测定，对相关研究的开展及实际工程勘探具有极大的实用性。

Description

一种常-变水头一体化渗透系数测定装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种常-变水头一体化渗透系数测定装置，具体涉及一种常-变水头一体化渗透系数测定装置及其试验方法。

背景技术

渗透系数又称水力传导系数。在各向同性介质中，定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度。渗透系数的测定在地下工程的研究中具有重要意义，是工程地质勘探中所必需要进行的一项工作。如何方便有效的测定渗透系数，对开展科学研究与实际工程具有重大意义。如今各种测试渗透系数的试验仪器种类繁多，但是能够直接研究ε-k关系的试验仪器还未有涉及。并且相关渗透仪成本高、操作复杂、耗时较长。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有渗透系数测定试验仪器的不足，提供一种操作方便，适用范围更广，可有效建立ε-k关系的试验仪器及试验方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种常-变水头一体化渗透系数测定装置，包括储存介质套筒，在所述的储存介质套筒的顶部安装一个与其相连的顶部套筒，底部安装一个底部套筒，且顶部套筒与储存介质套筒之间、底部套筒与储存介质套筒之间安装有透水石；所述的顶部套筒与供水装置相连，为其内部供水；底部套筒连接一个三通，储存介质套筒、底部连接套通过支撑架放置在一个缸体内；三通的第一口连接底部套筒、第二口连接变水头水位管，在所述的变水头水位管上安装变水头水位管阀门；第三口连接常水头出水口阀门；所述的缸体的一侧连接流入玻璃缸注水管，所述的变水头水位管通过流入水位管注水管注水。

进一步的，所述的缸体还通过收集管与收集量筒连通。

进一步的，所述的供水装置包括水箱、流入介质注水管以及抽水泵，所述的水箱通过水泵连接流入介质注水管，所述的流入介质注水管上安装有阀门。

进一步的，所述的抽水泵连接一个四通，四通的第一口与抽水泵相连，第二口与流入玻璃缸注水管相连，第三口与流入介质注水管相连，第四口与流入水位管注水管相连。

进一步的，所述的顶部套筒还通过泄水管与水箱连通。

进一步的，放置在顶部套筒与储存介质套筒之间的透水石的直径与储存介质套筒的内径相等。

进一步的，放置在底部套筒与储存介质套筒之间的透水石的直径与储存介质套筒的底座的直径相等。

一种常-变水头一体化渗透系数测定装置的试验方法，包括以下步骤：

(1)将存储介质套筒与已预留螺栓孔的底部透水石及底部套筒采用高强螺栓连接，透水石两侧铺设橡胶垫。采用特制环刀取原状介质或取试验室配置介质置于存储介质套筒中，待介质转移完毕后，将存储介质套筒与上部透水石及顶部套筒连接。然后放置于预先准备好的支撑架上，支撑架已放置于缸体中；

(2)进行相关管路的连接，包括变水头水位管、流入介质注水管、流入玻璃缸注水管、流入水位管注水管、收集管和泄水管；并将所有管路阀门关闭；

(3)对渗透性较大的被测介质可选用常水头试验测定；具体步骤如下：

3.1首先打开相关抽水阀门，打开抽水泵对缸体进行供水，待水位达到收集管管口位置处时停止供水；

3.2然后打开底部套筒的抽水管阀门，并打开抽水泵及上部套筒进水管阀门进行供水，此时水可实现自上而下流经被测介质，并从收集管口处排出；待水位达到泄水管管口时，打开泄水管管口阀门进行泄水；

3.3待水头差Δh和收集管管口流出流量Q稳定后，将集水量筒置于收集管管口处，量测一定时间内集水量筒所收集到的水量；通过相关公式的计算，便可得出被测介质的渗透系数；

(4)对渗透系数较小的被注介质可采用变水头试验测定；

4.1首先打开水箱连接管路阀门以及流入水位管注水管上的阀门；

4.2然后打开抽水泵对带有刻度的变水头水位管进行供水，将变水头水位管充水至需要高度后，打开变水头水位管上的阀门；

4.3于此同时开动秒表计时，测记起始水头差Δh₁，经过时间t后，再测记终了水头差Δh₂，通过相关公式的计算，便可得到被测介质渗透系数。

(5)如若需要建立ε-k的关系，可先将存储介质套筒通过钢垫板放置于单轴压缩试验机上进行压缩。单轴压缩试验机测试系统可进行压应变ε和压应力_p之间曲线的绘制及压缩量的计量。然后将存储介质套筒及被压介质一同取出，按照上述步骤进行渗透系数的测定。本存储介质套筒为透明有机玻璃，表面标有刻度线。另外，本装置在单轴压缩试验机的上的工作原理同固结试验。在此不再赘述。

(6)试验结束后，可进行装置的拆除与清洗，并放置于指定位置，以便后续使用。

本发明研究了一种常-变水头一体化渗透系数测定装置及其试验方法，实现了常-变水头一体化及压应变ε和渗透系数k之间关系的有效建立。与当前现有装置相比，该装置实现了常-变水头一体化测定渗透系数及压应变ε和渗透系数k之间关系的有效建立，对相关研究的开展及地下工程前期勘探具有重大意义。

本发明实现了一种常-变水头一体化渗透系数测定装置及其试验方法，具有以下优点：

1、实现了常-变水头一体化渗透系数的测定，操作方便，实用性较大。

2、合理联系单轴压缩试验机，建立了压应变ε和渗透系数k的本构关系。

3、供水、泄水一体化相结合，实现了水资源的合理利用。

4、相关装置都为透明材料，实现了试验过程的可视化。

5、整个装置采用模块化的组装方式，方便安装、拆卸及清理。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为试验装置整体连接示意图；

图2为压缩试验示意图；

图3、图4为顶部套筒主视图及俯视图；

图5、图6为底部套筒俯视图及主视图；

图7为水箱俯视图；

图8为玻璃缸俯视图；

图9、图10为支撑架主视图及俯视图；

图中：1——顶部套筒；2——高强螺栓；3——橡胶垫；4——透水石；5——储存介质套筒；6——被测介质；7——底部套筒；8——泄水管路；9——泄水管阀门；10——变水头水位管；11——变水头水位管阀门A；12——变水头水位管阀门B；13——常水头出水口阀门；14——三通；15——连接件；16——四通；17——流入介质注水管；18——流入介质注水管阀门A；19——流入介质注水管阀门B；20——流入玻璃缸注水管阀门；21——流入水位管阀门B；22——流入玻璃缸注水管；23——流入水位管注水管；24——流入水位管阀门A；25——玻璃缸；26——支撑架；27——收集管管路阀门；28——收集管；29——收集量筒；30——抽水泵；31——抽水管；32——水箱连接管路阀门；33——水箱；34——钢垫板；35——单轴压缩试验机；36——顶部套筒预留螺栓孔；37——底部套筒预留螺栓孔；38——支撑架预留孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在如何方便有效的测定渗透系数，对开展科学研究与实际工程具有重大意义。如今各种测试渗透系数的试验仪器种类繁多，但是能够直接研究ε-k关系的试验仪器还未有涉及。并且相关渗透仪成本高、操作复杂、耗时较长。为了解决如上的技术问题，本发明在渗透系数测定的基本原理上研究了常-变水头一体化试验装置并且可准确测定ε-k之间关系。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

包括常-变水头管路、介质存储套筒、水源补充及动力装置、其他附属装置。

常-变水头管路分为常水头管路和变水头管路，由透明玻璃缸、支撑架、相关管路、阀门及连接件组成。其中透明玻璃缸材质为有机玻璃，玻璃缸侧壁标有刻度线；支撑架为不锈钢材质，为固定装置所用。

介质存储套筒由有机玻璃透明套筒、透水石、橡胶垫组成。其中有机玻璃透明套筒表面标有刻度线，在进行压缩试验时，下部与透水石采用高强螺栓连接，下部透水石大小与套筒底座相等，上部放置大小与套筒内径相等的透水石即可。若进行渗透系数的测定，则需要将顶部连接套筒、底部连接套筒与介质存储套筒采用高强螺栓连接，中间加置橡胶垫。

水源补充及动力装置由水箱、进水管路、泄水管路、阀门、连接件及小型抽水泵组成。其中水箱及小型抽水泵为现有设备不再赘述；泄水管路与水箱连接，实现水的合理利用。

其他附属装置由顶部连接套筒、底部连接套筒、集水量筒、单轴压缩试验机等组成。其中顶部连接套筒、底部连接套筒都为透明有机玻璃材质。集水量筒及单轴压缩试验机为现有设备，不再赘述。

上述部件之间的连接关系如下：

储存介质套筒5的顶部通过高强螺栓2安装一个与其相连的顶部套筒1，具体结构如图3、图4所示，上面预留有顶部套筒预留螺栓孔36；且在储存介质套筒5与顶部套筒1之间设有橡胶垫3；主要用于密封；

储存介质套筒5底部安装一个底部套筒7，具体结构如图5、图6所示，上面预留有底部套筒预留螺栓孔37，且在储存介质套筒5与底部套筒7之间设有橡胶垫3；主要用于密封；

顶部套筒1与储存介质套筒5之间、底部套筒7与储存介质套筒5之间安装有透水石4；放置在顶部套筒与储存介质套筒之间的透水石的直径与储存介质套筒的内径相等。放置在底部套筒与储存介质套筒之间的透水石的直径与储存介质套筒的底座的直径相等。

顶部套筒顶部设有流入介质注水管为其内部供水；

底部套筒连接一个三通14，储存介质套筒、底部连接套通过支撑架26放置在一个玻璃缸体25内，支撑架的结构如图所示，上面预留有支撑架预留孔38；三通14的第一口连接底部套筒、第二口连接变水头水位管10，在所述的变水头水位管10上安装变水头水位管阀门12；第三口连接常水头出水口阀门13；

所述的缸体的一侧连接流入玻璃缸注水管22，所述的流入玻璃缸注水管22注水管路为变水头水位管注水。

进一步的，所述的缸体还通过收集管28与收集量筒29连通，在收集管上安装收集管管路阀门27.

进一步的，所述的供水装置包括水箱33、流入介质注水管以及抽水泵，所述的水箱通过抽水管31、水泵30连接一个四通16，四通16的第一口与抽水泵相连，第二口与流入玻璃缸注水管22相连，在此处安装流入玻璃缸注水管阀门20；第三口与流入介质注水管23相连，在此处安装流入介质注水管阀门B19，在流入介质注水管23的出口安装流入介质注水管阀门A18；第四口与流入水位管注水管23相连；在此处安装流入水位管阀门B21，出口安装流入水位管阀门A24。

进一步的，所述的顶部套筒还通过泄水管8与水箱连通，在泄水管上安装泄水管阀门9。

1)将存储介质套筒5与已预留螺栓孔的底部透水石4及底部套筒7采用高强螺栓2连接，透水石两侧铺设橡胶垫3。采用特制环刀取原状介质或试验室配置介质6置于存储介质套筒5中，待介质转移完毕后，将存储介质套筒5与上部透水石4及顶部套筒1连接。放置于预先准备好的支撑架26上，支撑架26已放置于透明玻璃缸25中。

(2)进行相关管路的连接，包括变水头水位管10、抽水管17、22、23、31、泄水管8、收集管28等，并将所有管路阀门关闭。

(3)对渗透性较大的被测介质可选用常水头试验测定。本实施例采用含粘性土砂层。具体步骤如下：

3.1首先打开水箱连接管路阀门32和流入玻璃缸注水阀门20。然后打开小型抽水泵30对玻璃缸25进行供水，待水位达到收集管28管口位置处时关闭小型抽水泵30，关闭相关管路阀门20。并打开底部套筒常水头出水管阀门13、流入介质注水管阀门A18和流入介质注水管阀门B19。

3.2打开小型抽水泵30进行供水，此时水可实现自上而下流经被测介质，并从收集管28管口处排出。待水位达到泄水管8管口时，打开泄水管管口阀门9进行泄水。

3.3待水头差Δh和收集管28管口流出流量Q稳定后，将收集量筒29置于收集管28管口处，量测一定时间内量筒29所收集到的水量。通过相关公式的计算，便可得出被测介质的渗透系数。

(4)对渗透系数较小的被注介质可采用变水头试验测定。实施例采用粘性土，具体步骤如下：

4.1首先打开水箱连接管路阀门32、流入水位管阀门B21及流入水位管阀门A24。

4.2然后打开小型抽水泵30对带有刻度的变水头水位管10进行供水，将变水头水位管10充水至需要高度后，打开变水头水位管阀门B及变水头水位管阀门A。

4.3同时开动秒表计时，测记起始水头差Δh₁，经过时间t后，再测记终了水头差Δh₂，通过相关公式的计算，便可得到被测介质渗透系数。

(5)如若需要建立ε-k的关系，可先将存储介质套筒5通过钢垫板34放置于单轴压缩试验机35上进行压缩。单轴压缩试验机测试系统可进行压应变ε和压应力_p之间曲线的绘制及压缩量的计量。然后将存储介质套筒及被压介质一同取出，按照上述步骤进行渗透系数的测定。本存储介质套筒5为透明有机玻璃，表面标有刻度线。另外，本装置在单轴压缩试验机的上的工作原理同固结试验。在此不再赘述。

(6)试验结束后，可进行装置的拆除与清洗，并放置于指定位置，以便后续使用。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种常-变水头一体化渗透系数测定装置，其特征在于，包括储存介质套筒，在所述的储存介质套筒的顶部安装一个与其相连的顶部套筒，底部安装一个底部套筒，且顶部套筒与储存介质套筒之间、底部套筒与储存介质套筒之间安装有透水石；所述的顶部套筒与供水装置相连，为其内部供水；底部套筒连接一个三通，储存介质套筒、底部套筒通过支撑架放置在一个缸体内；三通的第一口连接底部套筒、第二口连接变水头水位管，在所述的变水头水位管上安装变水头水位管阀门；第三口连接常水头出水口阀门；所述的缸体的一侧连接流入玻璃缸注水管，所述的变水头水位管通过流入水位管注水管注水；

所述的供水装置包括水箱、流入介质注水管以及抽水泵，所述的水箱通过出水管与水泵连接，水泵连接流入介质注水管，所述的流入介质注水管上安装有阀门；

所述的抽水泵连接一个四通，四通的第一口与抽水泵相连，第二口与流入玻璃缸注水管相连，第三口与流入介质注水管相连，第四口与流入水位管注水管相连。

2.如权利要求1所述的常-变水头一体化渗透系数测定装置，其特征在于，所述的缸体还通过收集管与收集量筒连通。

3.如权利要求1所述的常-变水头一体化渗透系数测定装置，其特征在于，在所述的四通的第二口、第三口和第四口位置均安装有控制阀门。

4.如权利要求1所述的常-变水头一体化渗透系数测定装置，其特征在于，所述的顶部套筒还通过泄水管与水箱连通。

5.如权利要求1所述的常-变水头一体化渗透系数测定装置，其特征在于，放置在顶部套筒与储存介质套筒之间的透水石的直径与储存介质套筒的内径相等。

6.如权利要求1所述的常-变水头一体化渗透系数测定装置，其特征在于，放置在底部套筒与储存介质套筒之间的透水石的直径与储存介质套筒的底座的直径相等。

7.利用权利要求3所述的常-变水头一体化渗透系数测定装置进行试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将存储介质套筒与已预留螺栓孔的底部透水石及底部套筒采用高强螺栓连接，透水石两侧铺设橡胶垫，采用特制环刀取原状介质或取试验室配置介质置于存储介质套筒中，待介质转移完毕后，将存储介质套筒与上部透水石及顶部套筒连接，然后放置于预先准备好的支撑架上，支撑架已放置于缸体中；

(2)进行相关管路的连接，包括变水头水位管、流入介质注水管、流入玻璃缸注水管、流入水位管注水管、收集管和泄水管；并将所有管路阀门关闭；

(3)对渗透性较大的被测介质可选用常水头试验测定；具体步骤如下：

3.1首先打开相关抽水阀门，打开抽水泵对缸体进行供水，待水位达到收集管管口位置处时停止供水；

3.2然后打开底部套筒的抽水管阀门，并打开抽水泵及上部套筒进水管阀门进行供水，此时水可实现自上而下流经被测介质，并从收集管口处排出；待水位达到泄水管管口时，打开泄水管管口阀门进行泄水；

3.3待水头差Δh和收集管管口流出流量Q稳定后，将集水量筒置于收集管管口处，量测一定时间内集水量筒所收集到的水量；通过相关公式的计算，便可得出被测介质的渗透系数；

(4)对渗透系数较小的被注介质可采用变水头试验测定；具体步骤如下：

4.1首先打开水箱连接管路阀门以及流入水位管注水管上的阀门；

4.2然后打开抽水泵对带有刻度的变水头水位管进行供水，将变水头水位管充水至需要高度后，打开变水头水位管上的阀门；

4.3于此同时开动秒表计时，测记起始水头差Δh₁，经过时间t后，再测记终了水头差Δh₂，通过相关公式的计算，便可得到被测介质渗透系数。

8.如权利要求7所述的常-变水头一体化渗透系数测定装置进行试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

如若需要建立ε-k的关系，可先将存储介质套筒放置于单轴压缩试验机上进行压缩；单轴压缩试验机测试系统可进行压应变ε和压应力p之间曲线的绘制及压缩量的计量；然后存储介质套筒及被压介质一同取出按照上述步骤进行渗透系数的测定。