CN109060631A - 一种变水头渗透系数测量系统和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变水头渗透系数的测量系统和测量方法，涉及岩石渗流实验技术领域，解决了渗透实验耗时长的技术问题，排除了温度和压力变化对渗透系数测量的影响，该系统包括储液系统、试验系统、控制系统和数据处理系统，储液系统包括储水桶、密封盖和转接盒，密封盖上设置有注水口和进气口；试验系统包括试验台、导水管和试验筒，导水管和试验筒相连；控制系统包括自动控制阀、加热棒、进气管、高压气罐和减压阀，自动控制阀与转接盒相连，高压气罐和进气口相通；数据处理系统包括信号采集仪和计算机，以及通过瞬时达西定律和该系统确定渗透系数的方法。本系统及方法还具有自动化程度高，缩短了试验周期，提高了测量的准确性等有益效果。

Description

一种变水头渗透系数测量系统和测量方法

技术领域

本发明涉及岩石渗透实验技术领域，尤其是一种变水头渗透系数测量的试验装置和利用该装置测量渗透系数的方法。

背景技术

相似材料模拟实验是重要的岩土工程研究技术手段，在实验室内按相似原理制作与工程实际相似的模型，借助测试仪表观测模型的力学参数及应力分布规律，利用在模型上研究的结果推断原型中可能发生的力学现象，以及岩体应力分布的规律，从而解决岩土工程生产中的实际问题。同样，在矿山地质研究过程中，采用相似材料模拟实验对岩土渗透系数进行研究也是重要的研究手段，渗透系数即水力传导系数，是表征岩土渗水性能的指标，其数值的准确计算对岩石渗流值的确定意义重大，现有的相似模拟材料渗透系数的测量工具不能控制试验的温度和压力，以至于试验测量结果不够准确，并且实验过程是通过人工操作，其自动化程度低，受操作误差影响大，并且实验周期长，试验效率低，进一步影响实验的准确性。因此现有的渗透系数测量实验装置及测量方法需要进一步的改进。

发明内容

为解决渗透实验耗时长，实验受温度和压力变化影响导致渗透系数测量精确度不高的技术问题，本发明提供了一种变水头渗透系数测量系统和测量方法，具体技术方案如下。

一种变水头渗透系数测量系统，包括储液系统、试验系统、控制系统和数据处理系统；所述储液系统包括储水桶、密封盖和转接盒；所述密封盖设置在储水桶的上端，密封盖上设置有注水口和进气口；所述转接盒设置在储水桶的底部；所述控制系统包括自动控制阀、加热棒、压力计、进气管、高压气罐和减压阀；所述自动控制阀与转接盒相连；所述加热棒设置在储水桶的内部；所述高压气罐通过进气管和密封盖上的进气口相通；所述试验系统包括试验台、导水管和试验筒；所述导水管连接试验筒和自动控制阀；所述储水桶和试验筒放置在试验台上；所述数据处理系统包括信号采集仪和计算机；所述信号采集仪通过数据线与压力计、加热棒和自动控制阀相连，信号采集仪通过数据线与计算机相连。

优选的是，储水桶的侧壁上设置有刻度标尺，储水桶与密封盖和转接盒通过螺纹连接；所述注水口通过橡皮塞密封，进气口通过紧固箍扎进密封。

优选的是，高压气罐出口处设置有减压阀，减压阀与进气管相连；所述进气口伸入储水桶的长度大于注水口伸入储水桶的长度。

优选的是，导水管为牛筋管，导水管端部通过牛筋接头连接；所述导水管上设置有压力计。

优选的是，试验筒包括试验腔、密封帽、密封托盘和连接管，试验试件放置在试验腔内；所述密封帽设置在试验腔上方，与试验腔通过螺纹连接；所述密封托盘与试验腔底部通过螺纹连接；所述试验筒的侧壁开设有溢流孔，溢流孔设置在密封帽与试验腔的交线的位置；所述连接管设置在密封托盘的底部。

进一步优选的是，试验腔底部设置有支撑架，支撑架上放置有相似材料模拟试验试件；相似材料模拟试验试件的长度等于试验腔内腔的长度，相似材料模拟试验试件的直径等于试验腔的内径；所述导水管通过连接管和试验筒相连。

变水头渗透系数的测量方法，包括以下步骤：

(1)将相似材料模拟试验试件表面均匀涂抹凡士林，在所述试验腔内表面均匀涂抹凡士林，将相似材料模拟试验试件放置在试验腔内；

(2)组合安装连接变水头渗透系数测量系统的储液系统、试验系统、控制系统和数据处理系统；

(3)通过注水口向储水桶内注水，通过计算机控制加热棒工作，控制储水桶内的水温；

(4)使用橡皮塞密封注水口，打开高压气罐开关，打开自动控制阀，储水桶内的水通过导水管和连接管进入试验腔，根据压力计读数反馈信号调节减压阀，保持压力计读数不变；

(5)记录溢流孔出水时储水桶的水位高度h1，经过时间t后，再次记录储水桶的水位高度h2；

(6)测量导水管的截面面积a，相似材料模拟试验试件的长度L，相似材料模拟试验试件的截面面积A，试验台上表面和溢流孔的高度差h；计算渗透系数K,其中

(7)重复上述步骤3次，取渗透系数计算的平均值作为渗透系数的测量值。

优选的是，水温调控至20℃，所述压力计读数保持在0.2MPa。

本发明的有益效果包括：

(1)通过储液系统、试验系统、控制系统和数据处理系统的配合实现了对渗透系数测量实验过程的自动控制，并通过对储水桶进行密封，使用高压气罐对水进行加压，从而控制水压，通过加热棒控制水的温度。

(2)储水桶上设置刻度标尺，方便实验数据记录；进气口伸入储水桶的长度大于注水口伸入储水桶的长度，方便注水，和密封注水口；导水管上设置有压力计便于控制和记录水压。

(3)试验筒的试验腔的内腔和相似材料模拟试验试件尺寸一致，并开设有溢流孔，溢流孔设置在试验腔上，从而方便记录渗流时间和水位高度。

(4)利用变水头渗透系数测量系统进行测量时，通过涂抹凡士林以试验筒保证侧壁的密封性，通过加热棒对水温进行控制，自动控制阀实现了导水管出水的自动控制，通过压力计的反馈数据调节减压阀从而保证压力的稳定，记录三次实验数据取平均值保证了测量结果的准确性。

另外本发明的测量系统和测量方法还具有结构简单，操作方便，试验周期短，自动化程度高，提高了测量效率和测量准确性等优点。

附图说明

图1是一种变水头渗透系数测量系统的结构示意图；

图2为密封盖的俯视图；

图3为储水桶结构示意图；

图4为转接盒的内部结构示意图；

图5为橡皮塞的结构示意图；

图6为试验筒的结构示意图；

图7为试验腔外部结构示意图；

图8为试验腔内部结构示意图；

图9为密封托盘剖面结构示意图；

图中：1-储液系统；11-储水桶；12-密封盖；121-注水口；122-进气口；13-转接盒；2-试验系统；21-试验台；22-导水管；23-试验筒；231-试验腔；232-密封帽；233-密封托盘；234-连接管；235-溢流孔；236-支撑架；3-控制系统；31-自动控制阀；32-加热棒；33-压力计；34-进气管；35-高压气罐；36-减压阀；4-数据处理系统；41-信号采集仪；42-计算机。

具体实施方式

结合图1至图9所述，本发明提供的一种变水头渗透系数测量系统和测量方法的具体实施方式如下。

一种变水头渗透系数测量系统具体包括储液系统、试验系统、控制系统和数据处理系统。通过储液系统1、试验系统2、控制系统3和数据处理系统4的配合实现了对渗透系数测量实验过程的自动控制，从而提高试验效率和测量的准确性。

其中，储液系统1包括储水桶11、密封盖12和转接盒13，密封盖12设置在储水桶11的上端，密封盖12上设置有注水口121和进气口122，转接盒13设置在储水桶11的底部。储水桶11与密封盖12和转接盒13通过螺纹连接，储水桶11的侧壁上设置有刻度标尺，方便实验数据记录，其中储水桶11是由玻璃材料制成。注水口121通过橡皮塞密封，进气口122通过紧固箍扎进密封，实现对储水桶11的密封，从而保证压力稳定。进气口122伸入储水桶的长度大于注水口伸入储水桶的长度，从而方便注水和密封注水口121。

控制系统3包括自动控制阀31、加热棒32、压力计33、进气管34、高压气罐35和减压阀36。自动控制阀31与转接盒相连，转接盒13和自动控制阀31通过螺纹连接，自动控制阀31控制渗流实验用水的注入，压力计33设置在靠近转接盒的导水管22上，用于反馈和记录水压。加热棒32设置在储水桶11的内部，可以设置在储水桶11的侧壁或者底部，并且加热棒32还设置有温度检测模块，将水温及加热棒32的工作状态反馈至信号采集仪41。高压气罐35通过进气管34和密封盖12上的进气口122相通，在高压气罐35出口处设置有减压阀36，减压阀36与进气管34相连，减压阀36根据压力计33的反馈情况进行调节，从而对储水桶11的出水水压进行调节。

试验系统2包括试验台21、导水管22和试验筒23，导水管22连接试验筒23和自动控制阀31，在导水管22上设置有压力计33，储水桶11和试验筒23放置在试验台21上。导水管22为牛筋管，导水管22端部通过牛筋接头连接。试验筒23包括试验腔231、密封帽232、密封托盘233和连接管234，试验试件放置在试验腔231内。密封帽232设置在试验腔231上方，与试验腔231通过螺纹连接，密封托盘233与试验腔231底部通过螺纹连接。试验筒23的侧壁开设有溢流孔235，溢流孔235设置在密封帽232与试验腔231的交线的位置，其中密封帽232是由金属材料制作而成。连接管234设置在密封托盘233的底部。试验腔231底部设置有支撑架236，支撑架236上放置有相似材料模拟试验试件，相似材料模拟试验试件的长度等于试验腔内腔的长度，相似材料模拟试验试件的直径等于试验腔的内径。导水管22通过连接管234和试验筒23相连，导水管22向试验腔231内充水。

数据处理系统4包括信号采集仪41和计算机42，信号采集仪41通过数据线与压力计33、加热棒32和自动控制阀31相连，信号采集仪41通过数据线与计算机相连。压力计33、加热棒32分别将压力和温度反馈至信号采集仪41，通过计算机实现对加热棒32和自动控制阀31的控制。

利用上述变水头渗透系数测量系统进行变水头渗透系数测量的方法，包括以下步骤：

步骤(1)，将相似材料模拟试验试件表面均匀涂抹凡士林，在试验腔231内表面均匀涂抹凡士林，将相似材料模拟试验试件放置在试验腔内，从而保证试验装置的密封性。

步骤(2)，组合安装连接变水头渗透系数测量系统的储液系统1、试验系统2、控制系统3和数据处理系统4。

步骤(3)，通过注水口121向储水桶11内注水，通过计算机42控制加热棒32工作，控制储水桶11内的水温，设定不同的水温，从而进行不同温度条件下的测量实验。优选的水温调控至20℃，进行实验。

步骤(4)，使用橡皮塞密封注水口121，打开高压气罐35开关，打开自动控制阀31，储水桶11内的水通过导水管22和连接管234进入试验腔231，根据压力计33读数反馈信号调节减压阀36，保持压力计33读数不变。通过设定不同的压力，完成不同压力条件下的测量实验。优选的压力计读数保持在0.2MPa进行实验。

步骤(5)，记录溢流孔235出水时储水桶11的水位高度h1，经过时间t后，再次记录储水桶11的水位高度h2。

步骤(6)，测量导水管22的截面面积a，相似材料模拟试验试件的长度L，相似材料模拟试验试件的截面面积A，试验台21上表面和溢流孔235的高度差h。根据上述已知参数，建立瞬时达西定律方程，计算渗透系数K,其中渗透系数的计算公式为：

步骤(7)，重复上述步骤3次，取渗透系数计算的平均值作为渗透系数的测量值。

通过加热棒32对水温进行控制，自动控制阀31实现了导水管出水的自动控制，通过压力计33的反馈数据调节减压阀从而保证压力的稳定，记录三次实验数据取平均值保证了测量结果的准确性。本发明公开的变水头渗透系数测量系统和测量方法还具有结构简单，操作方便，试验周期短，自动化程度高，提高了测量效率和测量准确性等优点。

尽管本文使用了“储水桶、密封盖、转接盒、导水管、试验筒、自动控制阀、加热棒、进气管、高压气罐、减压阀”等术语，但并不排除使用其他术语的可能性；使用这些术语仅仅是为了更方便的解释和描述本发明，并不能据此限制本发明保护范围。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种变水头渗透系数测量系统，其特征在于，包括储液系统、试验系统、控制系统和数据处理系统；

所述储液系统包括储水桶、密封盖和转接盒；所述密封盖设置在储水桶的上端，密封盖上设置有注水口和进气口；所述转接盒设置在储水桶的底部；

所述控制系统包括自动控制阀、加热棒、压力计、进气管、高压气罐和减压阀；所述自动控制阀与转接盒相连；所述加热棒设置在储水桶的内部；所述高压气罐通过进气管和密封盖上的进气口相通；

所述试验系统包括试验台、导水管和试验筒；所述导水管连接试验筒和自动控制阀；所述储水桶和试验筒放置在试验台上；

所述数据处理系统包括信号采集仪和计算机；所述信号采集仪通过数据线与压力计、加热棒和自动控制阀相连，信号采集仪通过数据线与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的一种变水头渗透系数测量系统，其特征在于，所述储水桶的侧壁上设置有刻度标尺，储水桶与密封盖和转接盒通过螺纹连接；所述注水口通过橡皮塞密封，进气口通过紧固箍扎进密封。

3.根据权利要求1所述的一种变水头渗透系数测量系统，其特征在于，所述高压气罐出口处设置有减压阀，减压阀与进气管相连；所述进气口伸入储水桶的长度大于注水口伸入储水桶的长度。

4.根据权利要求1所述的一种变水头渗透系数测量系统，其特征在于，所述导水管为牛筋管，导水管端部通过牛筋接头连接；所述导水管上设置有压力计。

5.根据权利要求1所述的一种变水头渗透系数测量系统，其特征在于，所述试验筒包括试验腔、密封帽、密封托盘和连接管，试验试件放置在试验腔内；所述密封帽设置在试验腔上方，与试验腔通过螺纹连接；所述密封托盘与试验腔底部通过螺纹连接；所述试验筒的侧壁开设有溢流孔，溢流孔设置在密封帽与试验腔的交线的位置；所述连接管设置在密封托盘的底部。

6.根据权利要求5所述的一种变水头渗透系数测量系统，其特征在于，所述试验腔底部设置有支撑架，支撑架上放置有相似材料模拟试验试件；相似材料模拟试验试件的长度等于试验腔内腔的长度，相似材料模拟试验试件的直径等于试验腔的内径；所述导水管通过连接管和试验筒相连。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种变水头渗透系数测量系统的测量方法，其特征在于，变水头渗透系数的测量方法，包括以下步骤：

(1)将相似材料模拟试验试件表面均匀涂抹凡士林，在所述试验腔内表面均匀涂抹凡士林，将相似材料模拟试验试件放置在试验腔内；

(2)组合安装连接变水头渗透系数测量系统的储液系统、试验系统、控制系统和数据处理系统；

(3)通过注水口向储水桶内注水，通过计算机控制加热棒工作，控制储水桶内的水温；

(4)使用橡皮塞密封注水口，打开高压气罐开关，打开自动控制阀，储水桶内的水通过导水管和连接管进入试验腔，根据压力计读数反馈信号调节减压阀，保持压力计读数不变；

(5)记录溢流孔出水时储水桶的水位高度h1，经过时间t后，再次记录储水桶的水位高度h2；

(6)测量导水管的截面面积a，相似材料模拟试验试件的长度L，相似材料模拟试验试件的截面面积A，试验台上表面和溢流孔的高度差h；计算渗透系数K,其中

(7)重复上述步骤3次，取渗透系数计算的平均值作为渗透系数的测量值。

8.根据权利要求7所述的变水头渗透系数的测量方法，其特征在于，所述水温调控至20℃，所述压力计读数保持在0.2MPa。