CN108226008B - 自循环变水头达西渗透实验仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的变水头达西渗透实验仪包括底座,底座上依次设置有支撑座、盛沙容器和背板,背板竖直设置在底座上,支撑座用螺栓固定在底座上,支撑座上设置有量筒,盛沙容器上端设置有一矩形帽、侧壁上还开设有两个及以上间距一致的通孔,每个通孔上连接有引导到竖直方向上的测压管,背板下端固定有测压排,测压管固定在测压排上,背板上端固定有稳水箱,还固定有一与稳水箱高度一致的变水位管,背板远离变水位管一侧设置有储水箱,本发明的变水头达西渗透实验仪可以测量黏性较小的粉土,也可以测量沙样的水头损失和渗透流量、计算水力坡降和渗透系数,仪器在设计中采用有机玻璃材料,透明直观,体积小、制造容易、精度高、操作方便。
Description
技术领域
本发明属于流体力学技术领域,涉及一种自循环变水头达西渗透实验仪。
背景技术
达西渗透实验是流体力学(水力学)教学中必须的实验之一,达西渗透实验仪是进行渗流实验的专门仪器。目前市场上的达西渗流实验仪均为定水头,即在实验时保持水头不变。这些仪器主要有应用于水头较高的测量土壤渗透系数的TST-55型渗透实验仪,用于测量沙质土及含沙量砾石的无凝聚性土的TST-70型渗透系数。对于实验教学使用的达西渗透实验仪,各高校和科研单位都是根据自己的需求自行研制,但这些实验仪均为定水头达西渗透实验仪。
对于黏性较小的粉土或黏土,由于渗透系数很小,渗流土样的总水量很小,或测定总水量的时间需要很长,受蒸发和温度变化影响的实验误差会逐渐变大,所以需采用变水头实验。
发明内容
本发明的目的是提供一种自循环变水头达西渗透实验仪,解决了现有技术存在的结构复杂,精度低的问题。
本发明采用的第一种技术方案是,一种自循环变水头达西渗透实验仪,包括底座,底座上依次设置有支撑座、盛沙容器和背板,背板竖直设置在底座上,
支撑座固定在底座上,支撑座上半部分为空心圆筒,空心圆筒上方设置有底部开口、外壁设有测尺的量筒,
盛沙容器高度大于量筒高度,上端设置有一矩形帽,矩形帽一端伸出到量筒的上方,并在位于量筒正上方位置处开设有一出水孔,
背板上还竖直固定有一外壁有水位测尺的变水位管,变水位管下端连接有调节阀门,
底座上还设有储水箱,储水箱位于背板的远离变水位管的一侧,
背板上端固定有稳水箱,稳水箱内竖直设置有一溢流板,溢流板将稳水箱分隔为两部分,溢流板高度低于稳水箱的高度,
稳水箱的同一侧壁上开设有进水孔和溢流孔,进水孔和溢流孔分别位于溢流板的两侧,进水孔上连接有进水管,溢流孔上连接有溢流管,溢流管通入到储水箱中,
稳水箱下端连接有一出水管,出水管下端连接有出水阀门,出水阀门和变水位管下端的调节阀门之间还连接有一个三通接头,三通接头下端口连接有进水阀门,进水阀门下端连接有软管,软管另一端连通到盛沙容器的底部。
本发明的特点还在于,
盛沙容器的内部下端处设有一层滤网、侧壁上还开设有两个及两个以上间距一致的通孔,每个通孔上连接有引导到竖直向上的测压管,相邻测压管之间水平间距相同。
背板下端固定有测压排,测压管固定在测压排上,测压管的外壁上竖直设置有刻度。
变水位管、量筒和测压管均为有机玻璃材料制成。
储水箱侧面底部设置有放空阀门,储水箱内装有水泵,水泵与进水管相连接。
储水箱的侧面中部依次连接有放水管和控制阀门,空心圆筒靠近底部侧壁处开设有一放水口,放水口外依次连接有活接和弯头,弯头与控制阀门的另一端连通。
底座的侧面中心处还设置有一手孔。
本发明采用的第二种技术方案是,一种自循环变水头达西渗透实验仪的实验方法,具体步骤如下:
步骤1,记录包括盛沙容器的断面面积A、盛沙容器内沙样的高度L、沙样的粒径d、变水位管的断面面积a和量筒的断面面积A0的已知数据;
步骤2,在盛沙容器中装入实验沙,装实验沙时边装边用温水浸泡;
步骤3,打开水泵,使稳水箱盛满水,并保持溢流状态;
步骤4,打开控制阀门;
步骤5,打开出水阀门和调节阀门,关闭进水阀门,使水流进入变水位管,保持变水位管中有一定的水位;
步骤6,关闭出水阀门,打开进水阀门,使水流通过软管进入盛沙容器中,并经过矩形帽下面的出水孔流入量筒中;
步骤7,关闭控制阀门,观测量筒和变水位管中的水位变化,当量筒下面空心圆筒中的水流刚好到达量筒底部或量筒某一部位时,设此时为t1时刻,同时记录量筒中水面的初始测尺读数h3和变水位管测尺的初始读数h1,一段时间后,设此时为t2时刻,同时记录量筒中测尺的读数h4和变水位管测尺的读数h2,保证测量同时开始,同时结束;
步骤8,打开控制阀门,使水流通过放水管全部流入储水箱,将所有阀门复位,根据步骤3至步骤7重复实验5~6次;
步骤9,实验结束将仪器恢复原状;
步骤10,对实验数据进行分析计算
①计算渗透系数
设盛沙容器的断面面积为A,变水位管的断面面积为a,在某一时刻t作用于沙样上的水头为h,经过dt时段后,变水位管中的水头降落dh,则在dt时段内流经沙样的水量为
dQ=-adh (1)
式中:dh为dt时段内变水位管中水面下降的高度,a为变水位管的断面面积,负号表示水量Q随水头的降低而增加,
同一时段内,作用于沙样上的水力坡度为J=h/L,根据达西定律,其水量应为
式中:k为渗透系数,A为盛沙容器的断面面积,h为任一时刻t时作用于沙样上的水头,J为水力坡度,L为沙样高度,
由式1和式2得
同理,则在t1到t2时间段内,通过积分得到
式中:h1为t1时刻变水位管的水面高度,h2为t2时刻变水位管的水面高度,
则渗透系数为
②计算沙洋的流量
在t1到t2时间段内,
量筒中水的体积V=A0×(h4-h3),其中A0为量筒的断面面积,
则通过沙样的流量为Q=V/(t2-t1)。
本发明的一种自循环变水头达西渗透实验仪,可以测量黏性较小的粉土或黏土,也可以测量沙样的水头损失和渗透流量、计算水力坡降和渗透系数,仪器在设计中采用有机玻璃材料,透明直观,体积小、结构简单,制造容易,精度高,操作方便。
附图说明
图1是本发明的自循环变水头达西渗透实验仪结构示意图;
图2是本发明的自循环变水头达西渗透实验仪的侧视图;
图3是本发明的自循环变水头达西渗透实验仪的俯视图。
图中,1.底座,2.手孔,3.支撑座,4.活接,5.弯头,6.控制阀门,7.放水管,8.量筒,9.测尺,10.出水孔,11.矩形帽,12.盛沙容器,13.滤网,14.测压管,15.测压排,16.稳水箱,17.背板,18.斜支撑,19.溢流板,20.溢流孔,21.进水孔,22.出水管,23.出水阀门,24.三通接头,25.进水阀门,26.软管,27.调节阀门,28.变水位管,29.水位测尺,30.储水箱,31.放空阀门,32.水泵,33.进水管,34.溢流管。
具体实施方式
本发明提供的自循环变水头达西渗透实验仪结构如图1所示,自循环变水头达西渗透实验仪,包括底座1,底座上依次设置有支撑座3、盛沙容器12和背板17,背板17竖直设置在底座1上,
支撑座3固定在底座1上,支撑座3上半部分为空心圆筒,空心圆筒上方设置有底部开口、外壁设有测尺9的量筒8,
盛沙容器12高度大于量筒8高度,上端设置有一矩形帽11,矩形帽11一端伸出到量筒8的上方,并在位于量筒8正上方位置处开设有一出水孔10,
背板17上还竖直固定有一外壁有水位测尺29的变水位管28,变水位管28下端连接有调节阀门27,
底座1上还设有储水箱30,储水箱30位于背板17的远离变水位管28的一侧,
背板17上端固定有稳水箱16,稳水箱16内竖直设置有一溢流板19,溢流板19将稳水箱16分隔为两部分,溢流板19高度低于稳水箱16的高度,
稳水箱16的同一侧壁上开设有进水孔21和溢流孔20,进水孔21和溢流孔20分别位于溢流板19的两侧,进水孔21上连接有进水管33(如图2所示),溢流孔20上连接有溢流管34,溢流管34通入到储水箱30中,
稳水箱16下端连接有一出水管22,出水管22下端连接有出水阀门23,出水阀门23和变水位管28下端的调节阀门27之间还连接有一个三通接头24,三通接头24下端口连接有进水阀门25,进水阀门25下端连接有软管26,软管26另一端连通到盛沙容器12的底部。
盛沙容器12的内部下端处设有一层滤网13、侧壁上还开设有两个及两个以上间距一致的通孔,每个通孔上连接有引导到竖直向上的测压管14,相邻测压管14之间水平间距相同。
背板17下端固定有测压排15,测压管14固定在测压排15上,测压管14的外壁上竖直设置有刻度。
变水位管28、量筒8和测压管14均为有机玻璃材料制成。
储水箱30侧面底部设置有放空阀门31,储水箱30内装有水泵32,水泵32与进水管33相连接。
如图3所示,储水箱30的侧面中部依次连接有放水管7和控制阀门6,空心圆筒靠近底部侧壁处开设有一放水口,放水口外依次连接有活接4和弯头5,弯头5与控制阀门6的另一端连通。
底座1的侧面中心处还设置有一手孔2。
背板17利用斜支撑18固定。
自循环变水头达西渗透实验仪的实验方法,具体实施步骤如下:
步骤1,记录包括盛沙容器12的断面面积A、盛沙容器12内沙样的高度L、沙样的粒径d、变水位管28的断面面积a和量筒8的断面面积A0的已知数据;
步骤2,在盛沙容器12中装入实验沙,装实验沙时边装边用温水浸泡;
步骤3,打开水泵32,使稳水箱16盛满水,并保持溢流状态;
步骤4,打开控制阀门6;
步骤5,打开出水阀门23和调节阀门27,关闭进水阀门25,使水流进入变水位管28,保持变水位管28中有一定的水位;
步骤6,关闭出水阀门23,打开进水阀门25,使水流通过软管26进入盛沙容器12中,并经过矩形帽12下面的出水孔10流入量筒8中;
步骤7,关闭控制阀门6,观测量筒8和变水位管28中的水位变化,当量筒8下面空心圆筒中的水流刚好到达量筒8底部或量筒8某一部位时,设此时为t1时刻,同时记录量筒8中水面的初始测尺读数h3和变水位管28测尺的初始读数h1,一段时间后,设此时为t2时刻,同时记录量筒8中测尺的读数h4和变水位管28测尺的读数h2,保证测量同时开始,同时结束;
步骤8,打开控制阀门6,使水流通过放水管7全部流入储水箱30,将所有阀门复位,根据步骤3至步骤7重复实验5~6次;
步骤9,实验结束将仪器恢复原状;
步骤10,对实验数据进行分析计算,
①计算渗透系数
设盛沙容器的断面面积为A,变水位管的断面面积为a,在某一时刻t作用于沙样上的水头为h,经过dt时段后,变水位管中的水头降落dh,则在dt时段内流经沙样的水量为
dQ=-adh (1)
式中:dh为dt时段内变水位管中水面下降的高度,a为变水位管的断面面积,负号表示水量Q随水头的降低而增加,
同一时段内,作用于沙样上的水力坡度为J=h/L,根据达西定律,其水量应为
式中:k为渗透系数,A为盛沙容器的断面面积,h为任一时刻t时作用于沙样上的水头,J为水力坡度,L为沙样高度,
由式1和式2得
同理,则在t1到t2时间段内,通过积分得到
式中:h1为t1时刻变水位管的水面高度,h2为t2时刻变水位管的水面高度,
则渗透系数为
渗透系数k是反映土壤透水性的一个综合指标,其大小主要取决于土壤颗粒的形状、大小、均匀程度以及地质构造等孔隙介质的特性,同时也和流体的物性如黏滞性和重度等有关,因此k值将随孔隙介质的不同而不同;对于同一介质,也因流体的不同而有差别;即使同一流体,当温度变化时重度和黏滞系数也有所变化,因而k值也有所变化,变水头达西渗透实验的目的就是确定渗透系数k。
②计算沙洋的流量
在t1到t2时间段内,
量筒中水的体积V=A0×(h4-h3),其中A0为量筒的断面面积,
则通过沙样的流量为Q=V/(t2-t1)。
Claims (6)
1.自循环变水头达西渗透实验仪,其特征在于,包括底座(1),所述底座上依次设置有支撑座(3)、盛沙容器(12)和背板(17),所述背板(17)竖直设置在底座(1)上,
所述支撑座(3)固定在底座(1)上,所述支撑座(3)上半部分为空心圆筒,所述空心圆筒上方设置有底部开口、外壁设有测尺(9)的量筒(8),
所述盛沙容器(12)高度大于量筒(8)高度,上端设置有一矩形帽(11),所述矩形帽(11)一端伸出到量筒(8)的上方,并在位于量筒(8)正上方位置处开设有一出水孔(10),
所述背板(17)上还竖直固定有一外壁有水位测尺(29)的变水位管(28),所述变水位管(28)下端连接有调节阀门(27),
所述底座(1)上还设有储水箱(30),所述储水箱(30)位于背板(17)的远离变水位管(28)的一侧,
所述背板(17)上端固定有稳水箱(16),所述稳水箱(16)内竖直设置有一溢流板(19),所述溢流板(19)将稳水箱(16)分隔为两部分,所述溢流板(19)高度低于稳水箱(16)的高度,
所述稳水箱(16)的同一侧壁上开设有进水孔(21)和溢流孔(20),所述进水孔(21)和溢流孔(20)分别位于溢流板(19)的两侧,所述进水孔(21)上连接有进水管(33),所述溢流孔(20)上连接有溢流管(34),所述溢流管(34)通入到储水箱(30)中,
所述稳水箱(16)下端连接有一出水管(22),所述出水管(22)下端连接有出水阀门(23),所述出水阀门(23)和变水位管(28)下端的调节阀门(27)之间还连接有一个三通接头(24),所述三通接头(24)下端口连接有进水阀门(25),所述进水阀门(25)下端连接有软管(26),所述软管(26)另一端连通到盛沙容器(12)的底部;
所述盛沙容器(12)的内部下端处设有一层滤网(13)、侧壁上还开设有两个及两个以上间距一致的通孔,每个所述通孔上连接有引导到竖直向上的测压管(14),相邻所述测压管(14)之间水平间距相同;
所述背板(17)下端固定有测压排(15),所述测压管(14)固定在测压排(15)上,所述测压管(14)的外壁上竖直设置有刻度。
2.根据权利要求1所述的自循环变水头达西渗透实验仪,其特征在于,所述变水位管(28)、量筒(8)和测压管(14)均为有机玻璃材料制成。
3.根据权利要求1所述的自循环变水头达西渗透实验仪,其特征在于,所述储水箱(30)侧面底部设置有放空阀门(31),所述储水箱(30)内装有水泵(32),所述水泵(32)与进水管(33)相连接。
4.根据权利要求1所述的自循环变水头达西渗透实验仪,其特征在于,所述储水箱(30)的侧面中部依次连接有放水管(7)和控制阀门(6),所述空心圆筒靠近底部侧壁处开设有一放水口,所述放水口外依次连接有活接(4)和弯头(5),所述弯头(5)与控制阀门(6)的另一端连通。
5.根据权利要求1所述的自循环变水头达西渗透实验仪,其特征在于,所述底座(1)的侧面中心处还设置有一手孔(2)。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的自循环变水头达西渗透实验仪的实验方法,其特征在于,具体实施步骤如下:
步骤1,记录包括盛沙容器(12)的断面面积A、盛沙容器(12)内沙样的高度L、沙样的粒径d、变水位管(28)的断面面积a和量筒(8)的断面面积A0的已知数据;
步骤2,在盛沙容器(12)中装入实验沙,装实验沙时边装边用温水浸泡;
步骤3,打开水泵(32),使稳水箱(16)盛满水,并保持溢流状态;
步骤4,打开控制阀门(6);
步骤5,打开出水阀门(23)和调节阀门(27),关闭进水阀门(25),使水流进入变水位管(28),保持变水位管(28)中有一定的水位;
步骤6,关闭出水阀门(23),打开进水阀门(25),使水流通过软管(26)进入盛沙容器(12)中,并经过矩形帽(12)下面的出水孔(10)流入量筒(8)中;
步骤7,关闭控制阀门(6),观测量筒(8)和变水位管(28)中的水位变化,当量筒(8)下面空心圆筒中的水流刚好到达量筒(8)底部或量筒(8)某一部位时,设此时为t1时刻,同时记录量筒(8)中水面的初始测尺读数h3和变水位管(28)测尺的初始读数h1,一段时间后,设此时为t2时刻,同时记录量筒(8)中测尺的读数h4和变水位管(28)测尺的读数h2,保证测量同时开始,同时结束;
步骤8,打开控制阀门(6),使水流通过放水管(7)全部流入储水箱(30),将所有阀门复位,根据步骤3至步骤7重复实验5~6次;
步骤9,实验结束将仪器恢复原状;
步骤10,对实验数据进行分析计算,
①计算渗透系数
设盛沙容器的断面面积为A,变水位管的断面面积为a,在某一时刻t作用于沙样上的水头为h,经过dt时段后,变水位管中的水头降落dh,则在dt时段内流经沙样的水量为
dQ=-adh (1)
式中:dh为dt时段内变水位管中水面下降的高度,a为变水位管的断面面积,负号表示水量Q随水头的降低而增加,
同一时段内,作用于沙样上的水力坡度为J=h/L,根据达西定律,其水量应为
式中:k为渗透系数,A为盛沙容器的断面面积,h为任一时刻t时作用于沙样上的水头,J为水力坡度,L为沙样高度,
由式(1)和式(2)得
同理,则在t1到t2时间段内,通过积分得到
式中:h1为t1时刻变水位管的水面高度,h2为t2时刻变水位管的水面高度,
则渗透系数为
②计算沙洋的流量
在t1到t2时间段内,
量筒中水的体积V=A0×(h4-h3),其中A0为量筒的断面面积,则通过沙样的流量为Q=V/(t2-t1)。
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