CN108776095B - 一种海绵城市绿地建设用海绵体入渗率的测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海绵城市绿地建设用海绵体入渗率的测定装置及方法，包括马氏瓶(3)、渗滤柱(9)和乳胶气囊(16)，所述的渗滤柱(9)内部设有放置待测定海绵体的具孔隔板(10)，顶部开口，配有与马氏瓶(3)和乳胶气囊(16)连接的密封塞(8)，底部通过出液管(12)连接量筒(13)。待测定海绵体置于渗滤柱(9)内的具孔隔板(10)上，通过乳胶气囊(16)向渗滤柱(9)充气，然后向渗滤柱(9)内注水，没过待测定海绵体，将渗滤柱(9)与马氏瓶(3)连接，使马氏瓶(3)的进气孔与渗滤柱(9)中水面相平齐，根据测定参数计算入渗率。与现有技术相比，本发明具有装置简单、成本低廉、易于操作等优点。

Description

一种海绵城市绿地建设用海绵体入渗率的测定装置及方法

技术领域

本发明属于海绵城市建设和测试技术领域，具体涉及一种海绵城市绿地建设用海绵体入渗率的测定装置及方法。

背景技术

海绵城市，是新一代城市雨洪管理概念，国际通用术语为“低影响开发雨水系统构建”：指通过加强城市规划建设管理，充分发挥建筑、道路和绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制雨水径流，实现自然积存、自然渗透、自然净化的城市发展方式。

城市绿地对城市水源涵养的重要调节作用已引起国家的重视，城市绿地涵养水源的作用主要通过土壤入渗才能实现，土壤入渗不足引起的城市内涝成为海绵城市建设中需要解决的一个重要问题。随着海绵城市建设技术的开发和30个试点城市建设的推进，提升海绵城市绿地土壤入渗的产品也相继涌现，这些产品和原材料本身的渗透性能直接影响建设或改良后绿地的入渗性能，因此对海绵体入渗性能的科学检测和评价直接关系到绿地雨水蓄积功能发挥和海绵城市建设的成败。

根据测定场所的不同，土壤入渗能力的检测方法分室内测定和野外田间测定两种类型。室内测定通常有定水头法和变水头法；其中最常用的是国家林业标准“森林土壤渗滤率的测定”(LY/T 1218-1999)所用的环刀法，但由于所用环刀较窄小，土柱较短，和实际差异较大。田间测定主要有双环入渗法、模拟降雨法、盘式入渗仪和Guelph渗透仪法；其中Guelph法是利用Guelph渗透仪用于测定原位土壤的渗透系数，由于测量时不破坏原土，测定数据快速、精确，缺点是该仪器主要是进口，成本较高，而且检测结果和国内常用的室内环刀方法有时存在数量级的差异。而且上述的所有关于入渗的检测方法仅适用于土壤结构已经稳定的自然土体，而海绵城市所用的海绵体均为人工合成的土壤，不但土体尚未稳定，而且绝大部分的产品和原材料均为新产品或新材料，如果还是简单沿用自然土壤入渗测定的传统方法，数据差异性很大。利用传统方法对人工配置的海绵体进行测定，发现人为因素对检测结果干扰很大，但到目前为此，国内外均缺少适宜海绵体适用的检测方法和对应的检测装置。另外从海绵城市工程建设需要，一般要在建设初期就能对海绵体或者其原材料的入渗率进行科学评价，若等土地稳定工程也没基本接近尾声，这时候若检测的入渗率达不到要求或不理想，再返工势必造成资源浪费或影响工期。因此发明一种适宜海绵城市建设中绿地用海绵体产品及材料使用的检测方法刻不容缓，也直接关系到我国海绵城市建设的成败。

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通过恒压马氏瓶提供适当、恒定的水流，使渗滤柱中的液面保持一定，以消除因渗滤柱液面高度变化引起的水压差影响渗滤的速度的海绵城市绿地建设用海绵体入渗率的测定装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种海绵城市绿地建设用海绵体入渗率的测定装置，其特征在于，包括马氏瓶、渗滤柱和乳胶气囊，所述的渗滤柱内部设有放置待测定海绵体的具孔隔板，顶部开口，配有与马氏瓶和乳胶气囊连接的密封塞，底部通过出液管连接量筒；

待测定海绵体两侧设置滤纸，置于渗滤柱内的具孔隔板上，通过乳胶气囊向渗滤柱充气，将测定海绵体压实，然后向渗滤柱内注水，没过待测定海绵体，将渗滤柱与马氏瓶连接，使马氏瓶的进气孔与渗滤柱中水面相平齐，根据渗滤柱中渗入量筒的水的体积测量入渗率。

所述的马氏瓶为透明玻璃瓶，其顶部瓶口设有带玻璃管的橡胶塞，玻璃管插入马氏瓶底部，玻璃管的底部出口即为马氏瓶的进气孔。

所述的渗滤柱顶部的密封塞上设有玻璃弯管，该玻璃弯管通过软管连接设置在马氏瓶底部的玻璃导管，且在软管上设有夹子。

所述的渗滤柱通过十字夹和万能夹固定在铁架台上，且渗滤柱底部落入三脚架上，所述的量筒位于三脚架内。

所述的出液管上设有玻璃旋塞。

一种采用所述的装置测定海绵城市绿地建设用海绵体入渗率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：马氏瓶的充水准备

用夹子夹紧马氏瓶出水口软管，拔掉马氏瓶的进气孔玻璃管并插上一个漏斗向马氏瓶内装水，直至马氏瓶内装满水，并确保不漏水，调整马氏瓶位置，使马氏瓶的进气孔与渗滤柱中预设好的水面相平齐；

步骤二：海绵体的装填

将渗滤柱保持垂直，并用十字夹和万能夹固定在铁架台上，调整好高度，刚好落在三脚架上，在具孔隔板上垫一张滤纸，取有代表性的海绵体样品，缓慢送入柱底，逐层填充至设定高度l，将试样表面整理平整，垫一张滤纸，塞上密封塞，并连接乳胶气囊，充气将海绵体样品材料压实，关闭渗滤柱底端玻璃旋塞阀门，缓慢往渗滤柱中注水，至没过海绵体样品材料至设定高度h，浸泡至材料完全吸满水(视材料吸水特性浸泡4h～24h不等，若发现水被吸收完，应重新补水至设定高度h处)；海绵体的填充后要进行充分的浸泡，确保海绵体在进行入渗率测试时不再进行，以防干扰入渗体积的准确测量；装柱之后海绵体上面覆一张滤纸，以防止装水时，水冲刷样品表面。

步骤三：连接实验装置，进行密封性检查

将马氏瓶和渗滤柱通过玻璃弯管、软管、玻璃导管进行连接，并将量筒置于渗滤柱下侧，再次调整马氏瓶的进气孔与渗滤柱中预设好的水面相平齐，以保证零水头供水，以较准确的测出海绵体的入渗水量，打开软管上的夹子和渗滤柱下端玻璃旋塞，检查是否有漏水，确保整个系统密封性能良好；

步骤四：海绵体材料入渗率的测定

等到渗滤柱上端的液面高度不再变化时，清空量筒中的水，记录实验开始时间，开始记录数据，根据入渗的快慢选择读取量筒渗滤水体积的时间间隔，连续5次记录渗滤体积变化不超过10％，关闭所有阀门，停止计时，实验结束。

海绵体样品的渗滤率速度通过以下公式计算：

v＝10×Q/(t×S)，其中，各符号

v表示：渗滤速度，mm/min；

t表示：每次渗滤所间隔的时间，min；

Q表示：稳定渗滤后每次间隔的平均入渗体积，ml；

S表示：渗滤柱的横截面积，cm²。

海绵体样品的渗滤系数通过以下公式计算：

K＝v×l/(h+l)

K表示：渗滤系数，mm/min；

v表示：渗滤速度，mm/min；

l表示：海绵体厚度，cm；

h表示：海绵体上方水层的高度，cm。

步骤二海绵体样品材料浸泡至完全吸满水根据材料吸水特性浸泡4h～24h，渗滤柱(9)中注水的量始终保持在设定值高度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及效果：

1.本发明的供水设备为马氏瓶：瓶加塞塞紧，塞中插入玻璃管，使玻管下口深入到水体的底部，这样水的静水压等于此玻管下口的液面高出渗滤柱液面的高度，因此只要溶液不低于玻璃管下口，玻璃管口以上溶液的增减将不影响静水压，从而自动保持了流速的恒定。能够克服因水位不稳定带来的实验误差。

2.本发明马氏瓶设置的高度为进气口与渗滤柱预设液面齐平，这样渗滤柱液面以上气压与大气压相同，不存在额外的压力或是负压，使海绵体材料在整个入渗过程中处于自然状态，与正常土体稳定状况下的入渗性能相同，测试结果无需进行再次的换算计算。

3.本发明可以通过调整马氏瓶玻璃管进气口高度，来调节入渗水位的高度，可实现不同水位高度下绿地海绵体的入渗率的测定。

4、本发明模拟自然土体稳定状态下的入渗情况，克服室内和野外等人为因素对测定结果的干扰。

附图说明

图1是本发明专利一种海绵城市绿地建设用海绵体入渗率测定方法的装置的结构示意图；

图2是图1中10的俯视放大图；

图中1.玻璃管，2.橡胶塞，3.储水瓶，4.玻璃弯管，5.软管，6.夹子，7.玻璃导管，8.密封塞，9.渗滤柱，10.具孔隔板，11.玻璃旋塞，12.出液管，13量筒，14 三脚架，15铁架台，16乳胶气囊。

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。

如图1～2所示，本发明的一种海绵城市建设绿地用海绵体入渗率的装置，包括：内径0.5cm、外径0.7cm、长度30cm玻璃管1；上直径4.1cm、下直径3.7、厚度 4cm、中心开孔直接0.65cm的橡胶塞2，体积10L、瓶口内径上侧4.0cm、下侧3.7cm、瓶体厚度0.5cm的玻璃储水瓶马氏瓶3；内径0.5cm、外径0.7cm、长度20cm+5cm 的玻璃弯管4；内径0.6cm的弹性软管5，夹子6，内径0.5cm、外径0.7cm、长度 5cm的玻璃导管7，上直径8.2cm、下直径7.8、厚度4cm、中心开孔直接0.65cm 的密封塞8，内径8cm、长度20cm的有机玻璃渗滤柱9，直径7.9cm、厚度0.3cm 的具孔隔板10(孔径0.2cm)，玻璃旋塞11，内径0.7cm的出液管12，200ml的量筒13，三脚架14，铁架台(包括万能夹和十字夹)15，导管内径0.65cm的乳胶气囊16。

所述的马氏瓶3为透明玻璃瓶，其顶部瓶口设有带玻璃管1的橡胶塞2，玻璃管1插入马氏瓶3底部，玻璃管1的底部出口即为马氏瓶3的进气孔。

所述的渗滤柱9顶部的密封塞8上设有玻璃弯管4，该玻璃弯管4通过软管5 连接设置在马氏瓶3底部的玻璃导管7，且在软管5上设有夹子6。玻璃导管7从马氏瓶3底部水平插入，玻璃导管7的水平高度与玻璃管1的底部出口相平。所述的渗滤柱9通过十字夹和万能夹固定在铁架台15上，且渗滤柱9底部落入三脚架 14上，所述的量筒13位于三脚架14内，所述的出液管12上设有玻璃旋塞11。

所述的渗滤柱9内部设有放置待测定海绵体的具孔隔板10，顶部开口，配有与马氏瓶3和乳胶气囊16连接的密封塞8，底部通过出液管12连接量筒13。

采用上述装置，测定海绵体入渗率的具体实施步骤如下：

步骤一：马氏瓶的充水准备

用夹子6夹紧马氏瓶3出水口软管5，拔掉马氏瓶3的进气孔玻璃管1并插上一个漏斗向马氏瓶3内装水，直至马氏瓶3内装满水，在橡胶塞2孔插上玻璃管1，下管口几近瓶底，并且检查是否漏水，确保马氏瓶3不漏水。调整马氏瓶3位置，使马氏瓶3的进气孔与渗滤柱9中预设好的水面相平齐，以保证零水头供水，以较准确的测出海绵体的入渗水量。

步骤二：海绵体的装填

将渗滤柱9保持垂直，并用十字夹和万能夹固定在铁架台15上，调整好高度，刚好落在三脚架14上。在具孔隔板10上垫一张直径7.8cm的滤纸，取有代表性的海绵体，缓慢送入柱底，逐层填充至约8cm高度，用玻璃棒将试样表面整理平整，垫一张直径7.8cm的滤纸(以防止装水时，水冲刷样品表面)，塞上密封塞8，插上玻璃弯管4，并连接乳胶气16，适当充气将材料轻轻压实。关闭渗滤柱9底端阀门11，用漏斗缓慢往渗滤柱9中注水，至没过海绵体2cm，浸泡至材料完全吸满水(视材料吸水特性浸泡4h～24h不等，若发现水被吸收完，应重新补水至2cm 处)。

步骤三：连接实验装置，进行密封性检查

将马氏瓶3和渗滤柱9如图1按照玻璃弯管4、软管5、玻璃导管7的顺序进行连接，并将量筒13置于渗滤柱9下侧。再次调整马氏瓶3的进气孔1与渗滤柱 9中预设好的水面相平齐。打开软管上的夹子6和渗滤柱3下端玻璃旋塞11，检查是否有漏水，确保整个系统密封性能良好。

步骤四：海绵体入渗率的测定

等到渗滤柱9上端的液面高度基本不再变化时，说明入渗已经稳定。清空量筒 13中的水，记录实验开始时间，开始记录数据，根据入渗的快慢选择读取量筒13 渗滤水体积的时间间隔，一般读取间隔宜为量筒13接液量为50～150ml。连续5次记录渗滤体积变化不超过10％，关闭所有阀门，停止计时，实验结束。

渗滤率速度的计算：

v＝10*Q/(t*S)

10------厘米换乘成mm的倍率；

v------渗滤速度，mm/min；

t------每次渗滤所间隔的时间，min；

Q-----稳定渗滤后每次间隔的平均入渗体积，ml；

S------渗滤柱的横截面积，cm²。

渗滤系数的计算：

K＝v*l/(h+l)

K------渗滤系数，mm/min；

l------海绵体厚度，cm；

h------海绵体上方水层的高度，cm。

实施例1：

道路隔离带及透水砖下垫用高渗透海绵体材料配方的入渗率测定

原料一—优质农田表土：选取优质农田表土，其主控指标(pH、EC、有机质、质地)符合《绿化用表土保护技术规范》(LY/T 2445-2015)的要求；为确保原料的均匀和配方材料的均一稳定，将表土适当晾晒，粉碎过2mm筛，剔除杂物、杂质后备用。

原料二—有机基质：选取优质草炭，其控制指标符合符合《绿化用有机基质》 (GB/T 33891-2017)的要求；为确保原料的均匀和配方材料的均一稳定，将草炭适当晾晒，粉碎过5mm筛后备用。

原料三—黄沙：选取盐分和其他有害物质较低的河沙，为确保原料的均匀和配方材料的均一稳定，将黄沙适当晾晒，为确保配方材料既有较高的入渗率又兼顾一定的持水、保水能力，过筛选取0.4mm～2mm粒径部分，其中0.4mm～0.8mm粒径质量比不小于60％。

原料四—石膏：选取工业纯石膏，白色无明显杂质，粒径＜0.15mm。

按照工程配方要求，量取优质农田表土、有机基质、黄沙，按照农田表土、有机基质、黄沙配比为50％:30％:20％(体积百分比)比例，混合得到混合物，然后每立方混合物添加1kg石膏，混合均匀，得到海绵体，注意保存，防止污染。

按照上述具体实施步骤，测试实验数据如下：

渗滤筒：直径D＝8.04cm，面积S＝50.78cm³；

实验海绵体厚度(浸泡后实际渗滤厚度)：l＝7.82cm；

海绵体上方稳定后水层高度：h＝4.21cm；

海绵体入渗率测定记录表

v＝10*Q/(t*S)＝10*52.0/(5*50.78)＝2.05mm/min＝123mm/h

K＝v*l/(h+l)＝2.05*7.82/(7.82+4.21)＝1.33mm/min＝80.0mm/h。

实施例2：

公共绿地、公园等渗透、蓄水兼顾海绵体材料配方的入渗率测定

四种原料的要求和预处理同实例1，按照工程配方方案要求，量取优质农田表土、有机基质、黄沙，按照农田表土、有机基质、黄沙配比为,70％:20％:10％(体积百分比)比例，混合得到混合物，然后每立方混合物添加0.5kg石膏，混合均匀，得到海绵体，注意保存，防止污染。

按照上述具体实施步骤，测试实验数据如下(渗滤筒、海绵体厚度及水层高度同实例1)：

海绵体入渗率测定记录表

v＝10*Q/(t*S)＝10*47.0/(10*50.78)＝0.93mm/min＝55.8mm/h

K＝v*l/(h+l)＝0.93*7.82/(7.82+4.21)＝0.60mm/min＝36.0mm/h。

Claims (5)

1.一种海绵城市绿地建设用海绵体入渗率的测定方法，其特征在于，该方法采用的装置包括马氏瓶（3）、渗滤柱（9）和乳胶气囊（16），所述的渗滤柱（9）内部设有放置待测定海绵体的具孔隔板（10），顶部开口，配有与马氏瓶（3）和乳胶气囊（16）连接的密封塞（8），底部通过出液管（12）连接量筒（13）；

待测定海绵体两侧设置滤纸，置于渗滤柱（9）内的具孔隔板（10）上，通过乳胶气囊（16）向渗滤柱（9）充气，将测定海绵体压实，然后向渗滤柱（9）内注水，没过待测定海绵体，将渗滤柱（9）与马氏瓶（3）连接，使马氏瓶（3）的进气孔与渗滤柱（9）中水面相平齐，根据渗滤柱（9）中渗入量筒（13）的水的体积和时间测量入渗率；

所述的马氏瓶（3）为透明玻璃瓶，其顶部瓶口设有带玻璃管（1）的橡胶塞（2），玻璃管（1）插入马氏瓶（3）底部，玻璃管（1）的底部出口即为马氏瓶（3）的进气孔；

所述的渗滤柱（9）顶部的密封塞（8）上设有玻璃弯管（4），该玻璃弯管（4）通过软管（5）连接设置在马氏瓶（3）底部的玻璃导管（7），且在软管（5）上设有夹子（6）；

所述的渗滤柱（9）通过十字夹和万能夹固定在铁架台（15）上，且渗滤柱（9）底部落入三脚架（14）上，所述的量筒（13）位于三脚架（14）内；

所述的方法包括以下步骤：

步骤一：马氏瓶的充水准备

用夹子（6）夹紧马氏瓶（3）出水口软管（5），拔掉马氏瓶（3）的进气孔玻璃管（1）并插上一个漏斗向马氏瓶（3）内装水，直至马氏瓶（3）内装满水，并确保不漏水，调整马氏瓶（3）位置，使马氏瓶（3）的进气孔与渗滤柱（9）中预设好的水面相平齐；

步骤二：海绵体的装填

将渗滤柱（9）保持垂直，并用十字夹和万能夹固定在铁架台（15）上，调整好高度，刚好落在三脚架（14）上，在具孔隔板（10）上垫一张滤纸，取有代表性的海绵体样品，缓慢送入柱底，逐层填充至设定高度l，将试样表面整理平整，垫一张滤纸，塞上密封塞（8），并连接乳胶气囊（16），充气将海绵体样品材料压实，关闭渗滤柱（9）底端玻璃旋塞（11）阀门，缓慢往渗滤柱（9）中注水，至没过海绵体样品材料至设定高度h，浸泡至材料完全吸满水；

步骤三：连接实验装置，进行密封性检查

将马氏瓶（3）和渗滤柱（9）通过玻璃弯管（4）、软管（5）、玻璃导管（7）进行连接，并将量筒（13）置于渗滤柱（9）下侧，再次调整马氏瓶（3）的进气孔与渗滤柱（9）中预设好的水面相平齐，打开软管（5）上的夹子（6）和渗滤柱（9）下端玻璃旋塞（11），检查是否有漏水，确保整个系统密封性能良好；

步骤四：海绵体材料入渗率的测定

等到渗滤柱（9）上端的液面高度不再变化时，清空量筒（13）中的水，记录实验开始时间，开始记录数据，根据入渗的快慢选择读取量筒（13）渗滤水体积的时间间隔，连续5次记录渗滤体积变化不超过10%，关闭所有阀门，停止计时，实验结束。

2.根据权利要求1所述的一种海绵城市绿地建设用海绵体入渗率的测定方法，其特征在于，所述的出液管（12）上设有玻璃旋塞（11）。

3.根据权利要求1所述的海绵城市绿地建设用海绵体入渗率的测定方法，其特征在于，海绵体样品的渗滤率速度通过以下公式计算：

v =10×Q/(t×S)，其中，各符号

v表示：渗滤速度，mm/min；

t表示：每次渗滤所间隔的时间，min；

Q表示：稳定渗滤后每次间隔的平均入渗体积，ml；

S表示：渗滤柱的横截面积，cm²。

4.根据权利要求1所述的海绵城市绿地建设用海绵体入渗率的测定方法，其特征在于，海绵体样品的渗滤系数通过以下公式计算：

K=v×l/（h+l）

K表示：渗滤系数，mm/min；

v表示：渗滤速度，mm/min；

l表示：海绵体厚度，cm；

h表示：海绵体上方水层的高度，cm。

5.根据权利要求1所述的海绵城市绿地建设用海绵体入渗率的测定方法，其特征在于，步骤二海绵体样品材料浸泡至完全吸满水根据材料吸水特性浸泡4 h~24h，渗滤柱（9）中注水的量始终保持在设定值高度。