CN110455673B - 贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置和方法 - Google Patents

贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置和方法。主要由气体供应系统、气体浓度显示记录仪、气体压力显示记录仪、套管、气体浓度传感器、气体压力传感器、多孔透气管和锥形贯入头组成，只需要测取所需测试的非饱和土层的深度(目标点位)处的气体压力值、气体浓度值和对应的气体流量值，并带入气体扩散系数和渗透系数的计算式即得到非饱和土的气体扩散系数和渗透系数。本发明测试过程简单快捷，成本低、操作简单且计算方便，可快速精准地在现场快速测取设计深度处非饱和土层的气体扩散系数和渗透系数，工程应用价值高。

Description

贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置和方法
技术领域
本发明属环境岩土工程技术领域，具体涉及一种原位测试非饱和土层中某处土体的气体扩散系数和渗透系数的装置及方法。
背景技术
气体扩散系数和渗透系数是判断气体在土层中运移特性的重要指标，主要受土体结构及其变化、孔隙曲折度、孔隙尺寸和饱和度等因素的影响。土质覆盖层是我国固体废物填埋场封场覆盖系统的重要组成部分，其气体扩散系数和渗透系数是覆盖层气体运移分析与设计的重要参数，对填埋场温室气体和有害气体减排有重要影响。土质覆盖层分布面积大，由于干湿循环、施工技术和不均匀土质等因素的影响，其气体扩散系数和渗透系数具有空间变异性，这也导致室内试验测得的非饱和土的气体扩散系数和渗透系数与现场测试结果出现差异。因此，发明一种可以在原位精准快速测量非饱和土不同深度处的土体气体扩散系数和渗透系数的装置和方法，对填埋场土质覆盖层工程设计以及其闭气性能评估具有重要意义。
目前的非饱和土层的气体渗透特性测试方法主要是在工程现场取得土样，然后转移到实验室内依据菲克定律和达西定律对试样进行气体扩散系数和渗透系数测试。然而，填埋场土质覆盖层分布范围大，测试所需土样数量多，而且取样送至实验室测试耗时费力的同时还易使土样受到扰动，整个过程比较复杂且干扰因素较多。国内外学者提出了一些原位测试非饱和土气体渗透系数的方法，这些方法中一部分测试成本很高，另一部分需要做复杂的数值分析或者受经验系数的影响，都具有较高的应用门槛，难以在工程中广泛应用。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足，本发明提供了一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置和方法，运移参数是包括了扩散系数和渗透系数，用以满足工程应用的需求。
本发明的技术方案是：
一、一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置：
主要由气体供应系统、气体浓度显示记录仪、气体压力显示记录仪、套管、气体浓度传感器、气体压力传感器、多孔透气管和锥形贯入头组成，多孔透气管顶部与套管底部通过螺纹连接，多孔透气管底部与锥形贯入头通过螺纹连接，多孔透气管内部填充砂粒；气体供应系统包括高纯度惰性气体气瓶、高压空气瓶、小流量调压阀、大流量调压阀、气压表、小量程质量流量控制器、大量程质量流量控制器和输气管，并且组成了两条供气线路，一是高纯度惰性气体气瓶输出端依次经小流量调压阀、气压表、小量程质量流量控制器后连接到输气管的一端，二是高压空气瓶输出端依次经大流量调压阀、气压表、大量程质量流量控制器后也连接到输气管的一端；输气管另一端伸入并穿过套管和套管底部的多孔透气管连通；气体浓度传感器和气体压力传感器安装在多孔透气管内部，气体浓度传感器、气体压力传感器经各自的数据线分别与多孔透气管外部的气体浓度显示记录仪、气体压力显示记录仪连接。
所述的套管、多孔透气管和锥形贯入头构成的刚性体贯插入到非饱和土层中，多孔透气管处于非饱和土层中气体运移参数所需测量深度处。
所述的数据线向上穿出于套管后分别与多孔透气管外部的气体浓度显示记录仪、气体压力显示记录仪连接。
所述的气体浓度传感器和气体压力传感器安装在多孔透气管内壁。
所述的套管下部置于非饱和土层中，上部伸出地面。
所述气瓶包括但不限于高压空气瓶和高纯度惰性气体气瓶，用于产生通入气体所需的气压及用做示踪气体。
所述调压阀和气压表用于控制输气管道气压，使其处于质量流量控制器允许的安全范围内。
所述小量程质量流量控制器和大量程质量流量控制器分别用于提供不同范围的恒定气体通入流量。
所述套管长度可根据设计深度进行调整，包括但不限于使用一根套管，多根套管可通过螺纹连接。
二、一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的测试方法，方法包括以下步骤：
第一步，将气体浓度传感器和气体压力传感器安装在多孔透气管内壁，通过数据线将气体浓度传感器和气体压力传感器分别与气体浓度显示记录仪和气体压力显示记录仪连接，将套管、多孔透气管和锥形贯入头依次连接成刚性一体，在多孔透气管内填充砂粒；
第二步，将多孔透气管贯插入到所需测试的非饱和土层的深度；
第三步，通过输气管将高纯度惰性气体气瓶、高压空气瓶、小流量调压阀、大流量调压阀、气压表、小量程质量流量控制器、大量程质量流量控制器连接组成气体供应系统，气体供应系统的出口端连接套管顶端；
第四步，开启小流量调压阀并关闭大流量调压阀，然后通过气体供应系统向多孔透气管输送惰性气体，开启气体浓度显示记录仪和气体压力显示记录仪并实时测量多孔透气管内惰性气体的浓度和气压值，通过小量程质量流量控制器调控进气的流量至一个恒定流量值，使得气体浓度传感器测得的气体浓度稳定后，气体压力传感器测得的气体压力值与大气压力值相等；
第五步，待气体浓度显示记录仪的读数稳定后，记录此时的多孔透气管内气体浓度传感器所测得的惰性气体浓度值C1和对应的小量程质量流量控制器的第一进气流量值qv1；
第六步，关闭小流量调压阀并开启大流量调压阀，然后通过气体供应系统向多孔透气管输送空气，通过大量程质量流量控制器提高进气流量至一个更高的恒定流量值，使得气体压力传感器测得的气体压力高于大气压力且出现明显差值(如相差100Pa以上)，待气体压力显示记录仪的读数稳定后，记录此时的多孔透气管内气体压力传感器所测得的气体压力值P2和对应的大量程质量流量控制器的第二进气流量值qv2；
第七步，将测得的惰性气体浓度值C1和第一进气流量值qv1带入以下公式得到气体扩散系数值D：
Figure BDA0002189905300000031
式中，D是非饱和土层的气体扩散系数(m2s-1)；C1是气体稳定运移时多孔透气管内的惰性气体浓度值(m3m-3)；C环境是土层中惰性气体背景浓度值(m3m-3)；r0是多孔透气管的半径(m)；Ps和Ts分别是标况下的大气压(101325Pa)和温度(273.15K)；Patm和Tatm分别是环境大气压(Pa)和环境温度(K)；
第八步，将测得的气体压力值P2和第二进气流量qv2带入以下公式得到气体渗透系数ka：
Figure BDA0002189905300000032
式中，ka是非饱和土层的气体渗透系数(m2)；μa是空气的气体粘度(Pa·s)；P2是多孔透气管内的绝对气压值(Pa)。
本发明只需要测取所需测试的非饱和土层的深度(目标点位)处的气体压力值、气体浓度值和对应的气体流量值，并带入所述气体扩散系数和渗透系数的计算式即得到非饱和土的气体扩散系数和渗透系数。
本发明的有益效果是：
本发明的装置和方法可以在多孔透气管腔体内相对气压为零时测量非饱和土层中某点的气体扩散系数，而在腔体内相对气压较高(如100Pa以上)时测量该点的气体渗透系数。通过质量流量计调控进气流量值使其从零开始逐渐增大，待多孔透气管腔体内气体运移稳定后，测量低进气流量下的惰性气体浓度值以及高进气流量下的气压值，可以同时测取该点处非饱和土层的气体扩散系数和渗透系数。
本发明只需要测量气体稳态运移时非饱和土中某点的惰性气体浓度/气压及对应的气体流量，即可通过简易的计算得到该点处非饱和土的精确气体扩散系数/渗透系数，而不是相邻区域间土层的平均气体扩散系数/渗透系数。
本发明测量目标点位的相关参数，避免了常规方法中测量土层两点间气压差/浓度差时侧壁优势流以及测量误差的影响，降低了对测试结果的扰动，可以得到更精准的测量结果。
本发明提出的装置和方法，既避免了取样送至实验室测试的繁琐且耗时的过程，也不需要耗费巨资在现场搭建测试设施。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是贯入土层中测试装置剖面图。
图3是非饱和土层中多孔透气管腔体对应的一维稳态气体运移示意图。
图中：1-高纯度惰性气体气瓶；2-高压空气瓶；3-小流量调压阀；4-大流量调压阀；5-气压表；6-气压表；7-小量程质量流量控制器；8-大量程质量流量控制器；9-输气管；10-气体浓度显示记录仪；11-气体压力显示记录仪；12-数据线；13-套管；14-气体浓度传感器；15-气体压力传感器；16-多孔透气管；17-锥形贯入头。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。应当指出，阐述本实施例旨在对本发明作进一步解释说明，而并不用于限定本发明。
如图1所示，主要由气体供应系统、气体浓度显示记录仪10、气体压力显示记录仪11、套管13、气体浓度传感器14、气体压力传感器15、多孔透气管16和锥形贯入头17组成，如图2所示，多孔透气管16顶部与套管13底部通过螺纹连接，多孔透气管16底部与锥形贯入头17通过螺纹连接，多孔透气管16内部填充沙粒；套管13、多孔透气管16和锥形贯入头17构成的刚性体贯插入到非饱和土层中，多孔透气管16处于非饱和土层中气体运移参数所需测量深度处。套管13下部置于非饱和土层中，上部伸出地面。
如图1所示，气体供应系统包括高纯度惰性气体气瓶1、高压空气瓶2、小流量调压阀3、大流量调压阀4、气压表5、气压表6、小量程质量流量控制器7、大量程质量流量控制器8和输气管9，并且组成了两条供气线路，一是高纯度惰性气体气瓶1输出端依次经小流量调压阀3、气压表5、小量程质量流量控制器7后连接到输气管9的一端，二是高压空气瓶2输出端依次经大流量调压阀4、气压表6、大量程质量流量控制器8后也连接到输气管9的一端；气体供应系统的出口端连接套管13顶端，输气管9另一端伸入并穿过套管13顶端和套管13底部的多孔透气管16连通；气体浓度传感器14和气体压力传感器15安装在多孔透气管16内部的内壁，气体浓度传感器14、气体压力传感器15经各自的数据线12分别与多孔透气管16外部的气体浓度显示记录仪10、气体压力显示记录仪11连接，数据线12向上穿出于套管13后分别与多孔透气管16外部的气体浓度显示记录仪10、气体压力显示记录仪11连接。
高纯度惰性气体气瓶1和高压空气瓶2提供输送到多孔透气管16的气体和气压；小量程质量流量控制器7和大量程质量流量控制器8精确控制进气流量；输气管9起到输送气体的作用；多孔透气管16提供气体运移通道，在多孔透气管中填充砂粒，防止多孔透气管的孔隙被土层堵塞，影响气体运移路径；气体浓度传感器14和气体压力传感器15分别连接到气体浓度显示记录仪10和气体压力显示记录仪11测量设计深度处的气压和气体浓度。
进一步，输气管9采用直径为10mm的耐磨耐压的PU增强管；套管13、多孔透气管16和锥形贯入头17采用刚度大的铸铁材料制作，套管13的外径和内径分别为5.0cm和3.5cm，多孔透气管16的外径和内径分别为3.5cm和2cm，锥形贯入头的外径为5.0cm；高纯度惰性气体气瓶1为高纯度氩气气瓶，气体浓度传感器14为氩气传感器；小量程质量流量控制器7和大量程质量流量控制器8的满量程流量范围分别为5SCCM(标准毫升/分)和5SLM(标准升/分)，控制精确度为±1.5％F.S.；小流量调压阀3、大流量调压阀4、气压表5、气压表6、气体浓度显示显示记录仪10、气体压力显示记录仪11和气体压力传感器15均采用常规参数仪器。
本发明的实施工作过程包括以下步骤：
第一步，将气体浓度传感器14和气体压力传感器15安装在多孔透气管16内壁，通过数据线12将气体浓度传感器14和气体压力传感器15分别与气体浓度显示记录仪10和气体压力显示记录仪11连接，将套管13、多孔透气管16和锥形贯入头17依次连接成刚性一体，在多孔透气管16内填充沙粒；
第二步，将多孔透气管16贯插入到所需测试的非饱和土层的深度，深度为0.6米；
第三步，通过输气管9将高纯度氩气气瓶1、高压空气瓶2、小流量调压阀3、大流量调压阀4、气压表5、气压表6、小量程质量流量控制器7和大量程质量流量控制器8连接组成气体供应系统，气体供应系统的出口端连接套管13顶端；
第四步，开启小流量调压阀3并关闭大流量调压阀4，然后通过气体供应系统向多孔透气管16输送高纯度氩气，开启气体浓度显示记录仪10和气体压力显示记录仪11并实时测量多孔透气管16内氩气的浓度和气压值，通过小量程质量流量控制器7调控进气的流量至一个恒定流量值，使得气体浓度传感器14测得的氩气的气体浓度稳定后，气体压力传感器15测得的多孔透气管16内的气体压力值与大气压力值相等；
第五步，待气体浓度显示记录仪10的读数稳定后，记录此时的多孔透气管16内气体浓度传感器14所测得的氩气浓度值C1(0.124m3m-3)和对应的小量程质量流量控制器6的第一进气流量值qv1(2.0SCCM)；
第六步，关闭小流量调压阀3并开启大流量调压阀4，然后通过气体供应系统向多孔透气管16输送空气，通过大量程质量流量控制器8提高进气流量至一个更高的恒定流量值，使得气体压力传感器15测得的多孔透气管16内的气体压力高于大气压力且出现超过100Pa的相对气压差值，待气体压力显示记录仪11的读数稳定后，记录此时的多孔透气管16内气体压力传感器15所测得的气体压力值P2(94420Pa)和对应的大量程质量流量控制器8的第二进气流量值qv2(1.0SLM)；
第七步，将测得的氩气浓度值C1和第一进气流量值qv1带入以下公式得到气体扩散系数值D：
Figure BDA0002189905300000061
式中，D是非饱和土层的气体扩散系数(m2s-1)；qv1是小量程质量流量控制器7控制的第一进气流量值(m3s-1)；C1是气体稳定运移时多孔透气管16内的氩气浓度值(m3m-3)；C环境是土层中氩气的背景浓度值(空气中氩气浓度取0m3m-3)；r0是多孔透气管16的半径(0.0175m)；Ps和Ts分别是标况下的大气压(101325Pa)和温度(273.15K)；Patm和Tatm分别是环境大气压(94000Pa)和环境温度(298.15K)。
第八步，将测得的气体压力值P2和第二进气流量qv2带入以下公式得到气体渗透系数ka：
Figure BDA0002189905300000071
式中，ka是非饱和土层的气体渗透系数(m2)；qv2是大量程质量流量控制器8控制的第二进气流量值(m3s-1)；μa是空气的气体粘度(此处取1.84×10-5Pa·s)；P2是多孔透气管16内的绝对气压值(Pa)。
由此上述实施可见，本发明测试过程简单快捷，只需要测试设计深度处点位的气压/气体浓度及对应的气体流量即可通过简单的计算得到该位置非饱和土的气体渗透系数/扩散系数；与现有技术相比，成本低、操作简单且计算方便，可以快速精准地在现场快速测取设计深度处非饱和土层的扩散系数和渗透系数，具有极高的工程应用价值。

Claims (6)

1.一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置，其特征在于：
主要由气体供应系统、气体浓度显示记录仪(10)、气体压力显示记录仪(11)、套管(13)、气体浓度传感器(14)、气体压力传感器(15)、多孔透气管(16)和锥形贯入头(17)组成，多孔透气管(16)顶部与套管(13)底部通过螺纹连接，多孔透气管(16)底部与锥形贯入头(17)通过螺纹连接，多孔透气管(16)内部填充砂粒；气体供应系统包括高纯度惰性气体气瓶(1)、高压空气瓶(2)、小流量调压阀(3)、大流量调压阀(4)、小量程气压表(5)、大量程气压表(6)、小量程质量流量控制器(7)、大量程质量流量控制器(8)和输气管(9)，高纯度惰性气体气瓶(1)输出端依次经小流量调压阀(3)、小量程气压表(5)、小量程质量流量控制器(7)后连接到输气管(9)的一端，高压空气瓶(2)输出端依次经大流量调压阀(4)、大量程气压表(6)、大量程质量流量控制器(8)后也连接到输气管(9)的一端，输气管(9)另一端伸入并穿过套管(13)和套管(13)底部的多孔透气管(16)连通；气体浓度传感器(14)和气体压力传感器(15)安装在多孔透气管(16)内部，气体浓度传感器(14)、气体压力传感器(15)经各自的数据线(12)分别与多孔透气管(16)外部的气体浓度显示记录仪(10)、气体压力显示记录仪(11)连接。
2.根据权利要求1所述的一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置，其特征在于：所述的套管(13)、多孔透气管(16)和锥形贯入头(17)构成的刚性体贯插入到非饱和土层中，多孔透气管(16)处于非饱和土层中气体运移参数所需测量深度处。
3.根据权利要求1所述的一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置，其特征在于：所述的数据线(12)向上穿出于套管(13)后分别与多孔透气管(16)外部的气体浓度显示记录仪(10)、气体压力显示记录仪(11)连接。
4.根据权利要求1所述的一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置，其特征在于：所述的气体浓度传感器(14)和气体压力传感器(15)安装在多孔透气管(16)内壁。
5.根据权利要求1所述的一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的装置，其特征在于：所述的套管(13)下部置于非饱和土层中，上部伸出地面。
6.应用于权利要求1-5任一所述装置的一种贯入式原位测量非饱和土层中气体运移参数的测试方法，其特征在于：方法包括以下步骤：
第一步，将气体浓度传感器(14)和气体压力传感器(15)安装在多孔透气管(16)内壁，通过数据线(12)将气体浓度传感器(14)和气体压力传感器(15)分别与气体浓度显示记录仪(10)和气体压力显示记录仪(11)连接，将套管(13)、多孔透气管(16)和锥形贯入头(17)依次连接成刚性一体，在多孔透气管(16)内填充砂粒；
第二步，将多孔透气管(16)贯插入到所需测试的非饱和土层的深度；
第三步，通过输气管(9)将高纯度惰性气体气瓶(1)、高压空气瓶(2)、小流量调压阀(3)、大流量调压阀(4)、小量程气压表(5)、大量程气压表(6)、小量程质量流量控制器(7)、大量程质量流量控制器(8)连接组成气体供应系统，气体供应系统的出口端连接套管(13)顶端；
第四步，开启小流量调压阀(3)并关闭大流量调压阀(4)，然后通过气体供应系统向多孔透气管(16)输送惰性气体，开启气体浓度显示记录仪(10)和气体压力显示记录仪(11)并实时测量多孔透气管(16)内惰性气体的浓度和气压值，通过小量程质量流量控制器(7)调控进气的流量至一个恒定流量值，使得气体浓度传感器(14)测得的气体浓度稳定后，气体压力传感器(15)测得的气体压力值与大气压力值相等；
第五步，待气体浓度显示记录仪(10)的读数稳定后，记录此时的多孔透气管(16)内气体浓度传感器(14)所测得的惰性气体浓度值C1和对应的小量程质量流量控制器(7)的第一进气流量值qv1；
第六步，关闭小流量调压阀(3)并开启大流量调压阀(4)，然后通过气体供应系统向多孔透气管(16)输送空气，通过大量程质量流量控制器(8)提高进气流量至一个更高的恒定流量值，使得气体压力传感器(15)测得的气体压力高于大气压力且出现明显差值，待气体压力显示记录仪(11)的读数稳定后，记录此时的多孔透气管(16)内气体压力传感器(15)所测得的气体压力值P2和对应的大量程质量流量控制器(8)的第二进气流量值qv2；
第七步，将测得的惰性气体浓度值C1和第一进气流量值qv1带入以下公式得到气体扩散系数值D：
Figure FDA0002455940750000021
式中，D是非饱和土层的气体扩散系数；C1是气体稳定运移时多孔透气管(16)内的惰性气体浓度值；C环境是土层中惰性气体背景浓度值；r0是多孔透气管(16)的半径；Ps和Ts分别是标况下的大气压和温度；Patm和Tatm分别是环境大气压和环境温度；
第八步，将测得的气体压力值P2和第二进气流量qv2带入以下公式得到气体渗透系数ka：
Figure FDA0002455940750000031
式中，ka是非饱和土层的气体渗透系数；μa是空气的气体粘度；P2是多孔透气管(16)内的绝对气压值。
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