CN109164244A - 研究钙质土一维水动力弥散特性的试验装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种研究钙质土一维水动力弥散特性的试验装置及其方法,涉及岩土介质领域的一维水动力弥散技术。本实验装置包括研究对象——土钙质土(00);设置有供水单元(10)、弥散单元(20)和采集单元(30);供水单元(10)和弥散单元(20)连接;弥散单元(20)和采集单元(30)连接。本发明可以在室内完成一维水动力弥散实验,可重复试验,可设置土级配、土密度、弥散水头和咸水浓度等变量条件;操作简单,不需要太多繁琐步骤;制造成本低,可以同时进行多组试验,效率高。
Description
技术领域
本发明涉及岩土介质领域的一维水动力弥散技术,尤其涉及一种研究钙质土一维水动力弥散特性的试验装置及其方法。
背景技术
岛礁吹填后,地下水体的变化直接影响到岛礁植被的生存状况,若能形成稳定淡水体,则对岛礁运行有重要作用,其中弥散是形成淡水体的一大影响因素。作为吹填岛的主体介质,钙质土是一种不同于陆源土的特属土,钙质土亦可称作碳酸盐类土,通常是指包括海洋生物(珊瑚、海藻和贝壳等)的富含碳酸钙或其它碳酸盐类物质的特殊岩土介质。钙质土长期在碳酸盐溶液中,经物理、生物化学作用,其中包括有机碎屑及岩屑的破碎和胶结过程,经过一定的压力、温度和溶解的变化过程,而形成的一种碳酸盐沉积物。由于其与陆源土存在的较大差异,已有的土壤弥散特征不适用于钙质土,而由于吹填岛礁的地下水动力条件复杂,很难实现现场弥散试验,因此设计一种室内的弥散模拟装置有着重要的意义。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的问题,提供一种钙质土一维水动力弥散特性的试验装置及其方法,以进行室内的弥散试验来弄清钙质土的弥散特征。
一、研究钙质土一维水动力弥散特性的试验装置(简称装置):
本装置包括研究对象——钙质土;
设置有供水单元、弥散单元和采集单元;
钙质土置于弥散单元中,供水单元和弥散单元连接,弥散单元和采集单元连接;
供水单元由淡水水位箱、咸水水位箱、淡水桶和咸水桶组成;
弥散单元由弥散土柱和测压管组成;
采集单元由土壤三参数传感器、数据采集器和电脑组成;
其位置和连接关系是:
弥散土柱放置在水平地面上;
测压管连接在弥散土柱底部的测压管出水口上;
淡水水位箱和咸水水位箱放置在弥散土柱正上方同一高度,底部淡水出水口和咸水出水口通过乳胶管与分别于弥散土柱顶部的淡水进水口和咸水进水口连接;
淡水桶和咸水桶放置在水平地面,分别为淡水水位箱和咸水水位箱供水;
土壤三参数传感器插在弥散土柱21底部传感器插口,与数据采集器和电脑依次连接。
二、研究钙质土一维水动力弥散特性的试验方法(简称方法)
本方法包括下列步骤:
①将土柱与底部盖板连接,放置在水平地面上;
②关闭土柱的出水口,在土柱底部先铺设一层砾石缓冲层,然后向土柱内分层填入钙质土,装样完毕再在土柱顶部铺设一层砾石缓冲层;
③将顶部盖板安装在土柱顶部;
④用乳胶管将淡水水位箱的淡水出水口和咸水水位箱的咸水出水口分别与弥散土柱顶部的淡水进水口和咸水进水口连接,并暂时关闭淡水出水口和咸水出水口;
⑤淡水桶和咸水桶分别向淡水水位箱和咸水水位箱供水并保持一定水位;
⑥打开淡水出水口和土柱出水口,使土柱淡水饱和;
⑦将土壤三参数传感器与数据采集器和电脑连接调试完毕后,由传感器插口插入;
⑧关闭淡水出水口,打开咸水出水口开始试验;
⑨根据土壤三参数传感器记录的数据,绘制相对浓度-时间曲线,当水质参数稳定在咸水水平时,结束试验;
⑩计算弥散系数:
式中,DL-弥散系数,cm2/s,
x-弥散长度,cm,
u-平均流速,cm/s,
t0.1857,t0.8413——相对浓度为0.1857和0.8413时的时间,s;
-相对浓度,为实时浓度和咸水浓度比值。
本发明具有下列的优点和积极效果:
①可以在室内完成一维水动力弥散实验,可重复试验,可设置土级配、土密度、弥散水头和咸水浓度等变量条件;
②操作简单,不需要太多繁琐步骤;
③制造成本低,可以同时进行多组试验,效率高。
附图说明
图1是本装置的结构方框图;
图2是本装置的结构示意图;
图3是供水单元10的结构示意图;
图4是弥散单元20的结构示意图;
图5是弥散土柱21的结构示意图;
图6是采集单元30的结构示意图。
图中:
00-钙质土;
10-供水单元,
11-淡水水位箱,
111-淡水出水口,112-淡水水位口;
12-咸水水位箱,
121-咸水出水口,122-咸水水位口;
13-淡水桶;
14-咸水桶;
20-弥散单元
21-弥散土柱,
211-淡水进水口,212-咸水进水口,213-顶部盖板,
214-土柱,214-1-顶部法兰,214-2—底部法兰,
215-测压管出水口,216—土柱出水口,217—土柱出水管,
218—传感器插口,219—底部盖板;
22—测压管;
30—采集单元
31—土壤三参数传感器;
32—数据采集器;
33—电脑。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明:
一、装置
1、总体
如图1、2,本装置包括研究对象——钙质土00;
设置有供水单元10、弥散单元20和采集单元30;
钙质土00置于弥散单元20中,供水单元10和弥散单元20连接,弥散单元20和采集单元30连接;
供水单元10由淡水水位箱11、咸水水位箱12、淡水桶13和咸水桶14组成;
弥散单元20由弥散土柱21和测压管22组成;
采集单元30由土壤三参数传感器31、数据采集器32和电脑33组成;
其位置和连接关系是:
弥散土柱21放置在水平地面上;
测压管22连接在弥散土柱21底部的测压管出水口215上;
淡水水位箱11和咸水水位箱12放置在弥散土柱正上方同一高度,底部淡水出水口111和咸水出水口121通过乳胶管与分别于弥散土柱21顶部的淡水进水口211和咸水进水口212连接;
淡水桶13和咸水桶14放置在水平地面,分别为淡水水位箱11和咸水水位箱12供水;
土壤三参数传感器31插在弥散土柱21底部传感器插口218,与数据采集器32和电脑33依次连接。
工作机理:
溶质在水流作用下扩散叫做机械扩散,当水流速度为零时,溶质的扩散叫分子扩散,二者共同叫做水动力弥散,根据出水位置采集的浓度值,绘制相对浓度-时间曲线,从曲线获取参数,通过公式即可计算对应弥散路径的弥散系数。
2、功能单元
1)供水单元
如图3,供水单元10由淡水水位箱11、咸水水位箱12、咸水桶13和淡水桶14组成;
其位置和连接关系是:
淡水桶13和咸水桶14内分别装有淡水和咸水,分别为淡水水位箱11和咸水水位箱12供水。
(1)淡水水位箱11
如图3,淡水水位箱11是顶部开口的长方体容器,在左侧面和底面设置有淡水水位口112和淡水出水口111;
其功能是:为弥散土柱21提供定水头的淡水水源。
(2)咸水水位箱12
如图3,咸水水位桶12为五个并排的顶部开口长方体容器,在每个长方体容器的正面和底面分别设置有咸水水位口122和咸水出水口121;
其功能是:为弥散土柱21提供定水头的咸水水源。
(3)淡水桶13
如图3,淡水桶13为顶部开口的圆柱状水桶;
其功能是:为淡水水位箱11提供淡水。
(4)咸水桶14
如图3,咸水桶14为顶部开口圆柱状水桶;
其功能是:为咸水水位箱12提供咸水。
2)弥散单元20
如图4,弥散单元20包括5个弥散土柱21,每个弥散土柱21侧面均设置有一根测压管22,在每个弥散土柱21内装有钙质土00。
(1)弥散土柱21
如图5,弥散土柱21由淡水进水口211、咸水进水口212、顶部盖板213、土柱214、顶部法兰214-1、底部法兰214-2、测压管出水口215、土柱出水口216、土柱出水管217、传感器插口218和底部盖板219组成;
顶部盖板213、顶部法兰214-1、土柱214、底部法兰214-2和底部盖板219依次连接固定构成一个整体;
在顶部盖板213上设置有淡水进水口211和咸水进水口212;
在土柱214的下部分别设置有测压管出水口215、土柱出水口216和传感器插口218:测压管出水口215排出渗出液,与测压管22连接;土柱出水口216和土柱出水管217连接;在传感器插口218内插有土壤三参数传感器31;
所述的土柱214是一种装填钙质土000的圆筒。
其功能是:弥散主体,可瞬间转换咸淡水源。
(2)测压管22
如图5,测压管22与弥散土柱21底部的测压管出水口215连接;
其功能是:测水头。
3)采集单元30
如图6,采集单元30包括土壤三参数传感器31、数据采集器32和电脑33;土壤三参数传感器31经传感器插孔218插入土柱214的钙质土00内;
土壤三参数传感器31、数据采集器32和电脑33依次连接。
其功能是:测量钙质土00内水的实时浓度。
Claims (5)
1.一种研究钙质土一维水动力弥散特性的试验装置,包括研究对象——土钙质土(00);其特征在于:
设置有供水单元(10)、弥散单元(20)和采集单元(30);
钙质土(00)置于弥散单元(20)中,供水单元(10)和弥散单元(20)连接,弥散单元(20)和采集单元(30)连接;
供水单元(10)由淡水水位箱(11)、咸水水位箱(12)、淡水桶(13)和咸水桶(14)组成;
弥散单元(20)由弥散土柱(21)和测压管(22)组成;
采集单元(30)由土壤三参数传感器(31)、数据采集器(32)和电脑(33)组成;
其位置和连接关系是:
弥散土柱(21)放置在水平地面上;
测压管(22)连接在弥散土柱(21)底部的测压管出水口(215)上;
淡水水位箱(11)和咸水水位箱(12)放置在弥散土柱(21)正上方同一高度,底部淡水出水口(111)和咸水出水口(121)通过乳胶管与分别于弥散土柱(21)顶部的淡水进水口(211)和咸水进水口(212)连接;
淡水桶(13)和咸水桶(14)放置在水平地面,分别为淡水水位箱(11)和咸水水位箱(12)供水;
土壤三参数传感器(31)插在弥散土柱(21)底部传感器插口(218),与数据采集器(32)和电脑(33)依次连接。
2.按权利要求1所述的试验装置,其特征在于:
所述的供水单元(10)由淡水水位箱(11)、咸水水位箱(12)、咸水桶(13)和淡水桶(14)组成;
其位置和连接关系是:
淡水桶(13)和咸水桶(14)内分别装有淡水和咸水,分别为淡水水位箱(11)和咸水水位箱(12)供水;
淡水水位箱(11)是顶部开口的长方体容器,在左侧面和底面设置有淡水水位口(112)和淡水出水口(111);
咸水水位桶(12)为5个并排的顶部开口长方体容器,在每个长方体容器的正面和底面分别设置有咸水水位口(122)和咸水出水口(121);
淡水桶(13)为顶部开口的圆柱状水桶;
咸水桶(14)为顶部开口圆柱状水桶。
3.按权利要求1所述的试验装置,其特征在于:
所述弥散单元(20)包括5个弥散土柱(21),每个弥散土柱(21)侧面均设置有一根测压管(22),在每个弥散土柱(21)内装有钙质土(00);
弥散土柱(21)由淡水进水口(211)、咸水进水口(212)、顶部盖板(213)、土柱(214)、顶部法兰(214-1)、底部法兰(214-2)、测压管出水口(215)、土柱出水口(216)、土柱出水管(217)、传感器插口(218)和底部盖板(219)组成;
顶部盖板(213)、顶部法兰(214-1)、土柱(214)、底部法兰(214-2)和底部盖板(219)依次连接固定构成一个整体;
在顶部盖板(213)上设置有淡水进水口(211)和咸水进水口(212);
在土柱(214)的下部分别设置有测压管出水口(215)、土柱出水口(216)和传感器插口(218):测压管出水口(215)排出渗出液,与测压管(22)连接;土柱出水口(216)和土柱出水管(217)连接;在传感器插口(218)内插有土壤三参数传感器(31);
所述的土柱(214)是一种装填钙质土(00)的圆筒;
测压管(22)与弥散土柱(21)底部的测压管出水口(215)连接。
4.按权利要求1所述的试验装置,其特征在于:
所述的采集单元(30)包括土壤三参数传感器(31)、数据采集器(32)和电脑(33);土壤三参数传感器(31)经传感器插孔(218)插入土柱(214)的钙质土(00)内;
土壤三参数传感器(31)、数据采集器(32)和电脑(33)依次连接。
5.基于权利要求1-4所述试验装置的研究钙质土一维水动力弥散特性的试验方法,其特征在于包括下列步骤:
①将土柱(214)与底部盖板(219)连接,放置在水平地面上;
②关闭土柱(214)的出水口,在土柱(214)底部先铺设一层砾石缓冲层,然后向土柱(214)内分层填入钙质土(00),装样完毕再在土柱(214)顶部铺设一层砾石缓冲层;
③将顶部盖板(213)安装在土柱(214)顶部;
④用乳胶管将淡水水位箱(11)的淡水出水口(111)和咸水水位箱(12)的咸水出水口(121)分别与弥散土柱(21)顶部的淡水进水口(211)和咸水进水口(212)连接,并暂时关闭淡水出水口(111)和咸水出水口(121);
⑤淡水桶(13)和咸水桶(14)分别向淡水水位箱(11)和咸水水位箱(12)供水并保持一定水位;
⑥打开淡水出水口(111)和土柱出水口(216),使土柱(214)淡水饱和;
⑦将土壤三参数传感器(31)与数据采集器(32)和电脑(33)连接调试完毕后,由传感器插口(218)插入;
⑧关闭淡水出水口(111),打开咸水出水口(121)开始试验;
⑨根据土壤三参数传感器(31)记录的数据,绘制相对浓度-时间曲线,当水质参数稳定在咸水水平时,结束试验;
⑩计算弥散系数:
式中,DL-弥散系数,cm2/s,
x—弥散长度,cm,
u—平均流速,cm/s,
t0.1857,t0.8413——相对浓度为0.1857和0.8413时的时间,s;
—相对浓度,为实时浓度和咸水浓度比值。
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2018
- 2018-08-10 CN CN201810906555.0A patent/CN109164244A/zh active Pending
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