CN110618081B - 一种土壤渗透系数测试仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤渗透系数测试仪，箱体，在所述箱体的上部设置有水箱，用以向土样中注入水，在所述水箱的下端连通有一土样瓶，其内预先装载有预设重量的土样，土样瓶下方连通有测水瓶，以对从土样排出水的密度及温度进行实时测定，以及控制器，其对水箱出水流速、土样瓶出水流速信息进行获取，并根据测水瓶的不同密度进行调整。本发明土壤渗透系数测试仪，通过土样瓶对土样的压力、水流速对土样的冲击、向所述测水瓶内注入清水、土样温度进行实时调整，以最大化的降低土样特定对试验的影响，提升试验测定渗透系数的精度。
Description
技术领域
本发明涉及土壤渗透系数技术领域，具体领域为一种终端反馈式的土壤渗透系数测试仪。
背景技术
渗透系数又称为水力传导系数，表示为单位水力梯度下的单位流量，是反映孔隙介质排水能力的一个最有效直接的指标，在计算地表径流系数、农业土壤环境研究等方面有着广泛的应用。
渗透系数又称水力传导系数(hydraulic conductivity)。在各向同性介质中，它定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度，表达式为：κ＝kρg/η，式中k为孔隙介质的渗透率，它只与固体骨架的性质有关，κ为渗透系数；η为动力粘滞性系数；ρ为流体密度；g为重力加速度。在各向异性介质中，渗透系数以张量形式表示。渗透系数愈大，岩石透水性愈强。强透水的粗砂砾石层渗透系数>10米/昼夜；弱透水的亚砂土渗透系数为1～0.01米/昼夜。
因此，如何精确、快速、方便测定土壤渗透系数具有重要意义。渗透系数是分析水分迁移的重要的参数。饱和状态下土体的渗透系数可以很容易得出，但现实的岩土工程及岩土环境工程中涉及到的主要都是非饱和土的渗透，例如降雨入渗下的边坡稳定，生活垃圾及地下废弃料的处理，石油开采等。非饱和土因为其含水率和基质吸力的不同及其之间复杂的相互影响关系，使其充满复杂性和多变性，导致非饱和土的渗透研究困难重重。土体在不同的基质吸力下，渗透系数的变化规律并不相同。
发明内容
本发明的目的在于提供一种土壤渗透系数测试仪，以解决现有技术中不能考虑土壤及压力因素影响的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种土壤渗透系数测试仪，包括：
箱体，在所述箱体的上部设置有水箱，用以向土样中注入，在所述水箱的下端连通有一土样瓶，其内预先装载有预设重量的土样，土样瓶下方连通有测水瓶，以对从土样排出水的密度及温度进行实时测定，以及控制器，其对水箱出水流速、土样瓶出水流速信息进行获取，并根据测水瓶的不同密度进行调整；
在所述水箱内设置有第一密度测量仪，其对水龙头的水的密度进行测量，在所述水箱内设置有第一水速传感器，其对水箱内的水速进行实时检测；
所述土样瓶的上端为空腔，在试验开始阶段其内为适当压力的空气，在土样瓶的一侧设置有气体排出阀，用以排出其内的空气；所述土样瓶的上端为空腔，在试验开始阶段其内为适当压力的空气，在土样瓶的一侧设置有气体排出阀，用以排出其内的空气；
所述测水瓶的底部设置温度传感器，实时对测水瓶内的温度T进行测试，相应的，在箱体内还设置有加热器，其通过输热管与所述土样瓶连通，用以对土样瓶进行加热，以便使得土样以及渗水在预设的温度范围；在所述测水瓶内还设置有第二密度测量仪，其对测水瓶内的渗水密度进行检测，并传输至控制器中；
在所述测水瓶一侧设置有清水泵，用以向所述测水瓶内注射清水；
在一定时间段t1内，在土样达到饱和状态后，所述控制器设定标准渗流密度ρ0，在实时检测的渗流密度ρ2小于标准渗流密度ρ0时，则认定土样形态为正常，按照该实时测量的渗流密度及测定时间进行计算；同时，第一密度测量仪测定水箱密度，在测定的实时密度大于等于水密度，同时小于渗流密度ρ2时，则按照该实时测量的水密度及测定时间进行计算。
进一步地，在一定时间段t1内，在实时检测的渗流密度ρ2大于等于标准渗流密度ρ0时，所述控制器首先通过所述气体排出阀按照预设的流速v1排出气体时间t11；在时间t11后，若实时检测的渗流密度ρ2小于标准渗流密度ρ0时，则以此时流量作为计算标准；在时间t12后，所述充气泵按照预设流速v1向土样瓶内排入气体时间t13,以适当恢复至适当压力值的范围。
进一步地，所述气体排出阀按照预设的流速v1排出气体时间t11,若实时检测的渗流密度ρ2大于等于标准渗流密度ρ0时，则所述控制器根据第一水速传感器检测的水流度值V1进行调整，使其水流度值V1小于预设流速值V0，并持续时间t23，同时，以降低水流速对土样的冲击，持续时间t23后，若实时检测的渗流密度ρ2小于标准渗流密度ρ0时，则以此时流量作为计算标准；同时，在时间t22后，所述土样瓶的一侧设置的排水阀按照水流度值V2排出适量水，时间t24。
进一步地，经过水速调整后的渗流密度ρ2大于等于标准渗流密度ρ0时，则所述控制器控制清水泵向所述测水瓶内注入清水，在持续时间t31时间内，按照预设流速v31向测水瓶内注入时间t41，测定此时的渗流密度ρ2，若实时检测的渗流密度ρ2小于标准渗流密度ρ0时，则以此时流量作为计算标准。
进一步地，若渗流密度ρ2大于等于标准渗流密度ρ0，则所述控制器控制加热器，其通过输热管与所述土样瓶连通，以对土样瓶进行加热，本实施例仅对土样进行加热，土样在热胀作用下，间隙增加，使得渗水密度ρ2降低，在预设加热温度下加热时间t51，若实时检测的渗流密度ρ2小于标准渗流密度ρ0时，则以此时流量作为计算标准；若渗流密度ρ2大于等于标准渗流密度ρ0，则以标准渗流密度进行计算。
进一步地，时间t13小于时间t11,以使得渗流密度ρ2小于标准渗流密度ρ0。
进一步地，水流度值V2小于水流度值
时间t24小于持续时间
进一步地，所述土样瓶的土样一段内还设置有土样排水阀，用以在适当压力下，对土样内的水排出。
进一步地，所述土样瓶内设置连续的两段漏斗，其中，第一段漏斗与土样瓶的连接端设置第一过滤网，在第一段漏斗的出水口端设置第二过滤网，在第二段漏斗内设置第三过滤网。
进一步地，所述第一段漏斗为倒锥形，第二段漏斗截面为菱形，在第二段漏斗截面的中间部分设置所述第三过滤网。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种土壤渗透系数测试仪，本发明通过土样瓶对土样的压力、水流速对土样的冲击、向所述测水瓶内注入清水、土样温度进行实时调整，以最大化的降低土样特定对试验的影响，提升试验测定渗透系数的精度。
尤其，本发明依据渗水密度进行调整，以便排出水流对土样特性的影响，排除干扰因素。在一定时间段t1内，在实时检测的渗流密度ρ2大于等于标准渗流密度ρ0时，所述控制器首先通过所述气体排出阀按照预设的流速v1排出气体时间t11；在时间t11后，若实时检测的渗流密度ρ2小于标准渗流密度ρ0时，则以此时流量作为计算标准；在时间t12后，所述充气泵按照预设流速v1向土样瓶内排入气体时间t13,以适当恢复至适当压力值的范围。在一定时间段t1内，在实时检测的渗流密度ρ2大于等于标准渗流密度ρ0时，所述控制器首先通过所述气体排出阀按照预设的流速v1排出气体时间t11；在时间t11后，若实时检测的渗流密度ρ2小于标准渗流密度ρ0时，则以此时流量作为计算标准；在时间t12后，所述充气泵按照预设流速v1向土样瓶内排入气体时间t13,以适当恢复至适当压力值的范围。经过水速调整后的渗流密度ρ2大于等于标准渗流密度ρ0时，则所述控制器控制清水泵向所述测水瓶内注入清水，在持续时间t31时间内，按照预设流速v31向测水瓶内注入时间t41。若渗流密度ρ2大于等于标准渗流密度ρ0，则所述控制器控制加热器，其通过输热管与所述土样瓶连通，以对土样瓶进行加热。
附图说明
图1为本发明土壤渗透系数测试仪的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，其为本发明土壤渗透系数测试仪的结构示意图，本发明实施例的土壤渗透系数测试仪包括箱体1，在所述箱体的上部设置有水箱2，用以向土样中注入，在所述水箱2的下端连通有一土样瓶3，其内预先装载有预设重量的土样，土样瓶3下方连通有测水瓶4，以对从土样排出水的密度及温度进行实时测定，以及控制器，其对水箱出水流速、土样瓶出水流速信息进行获取，并根据测水瓶的不同密度进行调整。
具体而言，本实施例采用实验室测定法对土壤渗透系数进行测定，常水头试验法就是在整个试验过程中保持水头为一常数，从而水头差也为常数。在本实施例中，透明的土样瓶3的装填截面为A，土样的长度为L，打开水箱2与土样瓶3之间的阀门，使水自上而下流经土样，并自出水口处排出。待水头差△h和渗出流量Q稳定后，量测经过一定时间t内流经土样的水量V，则,
V＝Q x t＝νx A x t
根据达西定律，v＝k x i，则
V＝k x(△h/L)x A x t
从而得出
k＝q x L/A x△h＝Q x L/(A x△h)
△h表示水头差，流经土样的水量V通过水箱流出的水进行测量并计算，渗出流量Q通过测水瓶4进行测量，ν表示渗流速度，i＝△h/L为水力坡度，L表示土样的长度，土样瓶的装填截面为A。
具体而言，在本实施例中，水量V的计算公式为：
V＝ρ1×A×Vh×t
式中，V表示流经土样的水量，A为土样瓶的装填截面，ρ1表示在温度T下的水的密度，△h表示水头差，t表示水流时间。
在本实施例中，渗出流量Q的计算公式为：
Q＝ρ2×A×Vh×t
式中，Q表示渗出流量，A为土样瓶的装填截面，ρ2表示在温度T下渗出的水的密度，△h表示水头差，t表示水流时间。
常规试验方法还有：变水头试验法，就是试验过程中水头差一直随时间而变化，水从一根直立的带有刻度的玻璃管和U形管自下而上流经土样。试验时，将玻璃管充水至需要高度后，开动秒表，测记起始水头差△h1，经时间t后，再测记终了水头差△h2，通过建立瞬时达西定律，即可推出渗透系数k的表达式。
设试验过程中任意时刻t作用于两段的水头差为△h，经过时间dt后，管中水位下降dh，则dt时间内流入试样的水量为dVe＝－a dh
式中a为玻璃管断面积；右端的负号表示水量随△h的减少而增加。
根据达西定律，dt时间内流出试样的渗流量为：
dVo＝k*i*A*dt＝k*(△h/L)*A*dt
式中，A——试样断面积；L——试样长度。
根据水流连续原理，应有dVe＝dVo，即得到
k＝(a*L/A*t)㏑(△h1/△h2)
或用常用对数表示，则上式可写为k＝2.3*(a*L/A*t)lg(△h1/△h2)。
参阅图1所示，在本发明实施例中，水箱2的上端设置有水龙头，以使水箱能够持续向土样瓶内输送水，在所述水箱2内设置有第一密度测量仪21，其对水龙头的水的密度进行测量，在所述水箱2内设置有第一水速传感器22，其对水箱内的水速进行实时检测。在本发明实施例中，水箱2设置在密闭的腔体中，以防止对水密度及水流速进行影响，避免杂质干扰。同时，本实施例箱体1内设置有各个测量元件，以使土样以及水避免来自杂质的干扰。
继续参阅图1所示，在本发明实施例中，所述土样瓶3的上端为空腔31，在试验开始阶段其内为适当压力的空气，在土样瓶3的一侧设置有气体排出阀33，用以排出其内的空气；在所述土样的上方为水，在该段土样瓶的一侧设置有排水阀33。为了保持土样瓶3内的气压在适当的范围内，本实施例，在所述土样瓶3的一侧还设置有充气泵6，其通过导气管61与土样瓶3连通，用以向土样瓶3上方通入气体。所述土样瓶3的土样一段内还设置有土样排水阀34，用以在适当压力下，对土样内的水排出。本发明通过在土样瓶中设置气体排出阀、充气泵，以使得土样瓶上方的气压维持在预设的范围内，保证水流速在适当的范围内，使得土样充分饱和，另外通过对气压的控制，能够调整土样本身带来的测量误差，下文将详述。
继续参阅图1所示，在本发明实施例中，所述土样瓶3内设置连续的两段漏斗，其中，第一段漏斗与土样瓶3的连接端设置第一过滤网35，在第一段漏斗的出水口端设置第二过滤网36，在第二段漏斗内设置第三过滤网37，本实施例第一段漏斗为倒锥形，第二段漏斗截面为菱形，在第二段漏斗截面的中间部分设置所述第三过滤网。经过土样的水从渗水管43进入测水瓶4，以便检测计算渗水流量。
继续参阅图1所示，在本实施例中，测水瓶4的底部设置温度传感器41，实时对测水瓶4内的温度T进行测试，相应的，在箱体1内还设置有加热器5，其通过输热管51与所述土样瓶连通，用以对土样瓶进行加热，以便使得土样以及渗水在预设的温度范围。在所述测水瓶4内还设置有第二密度测量仪44，其对测水瓶4内的渗水密度进行检测，并传输至控制器中。在所述测水瓶4一侧设置有清水泵42，用以向所述测水瓶4内注射清水，以降低所述测水瓶4内渗出液体的密度，以提高试验的测试精度。
具体而言，本发明实施例中，在一定时间段t1内，在土样达到饱和状态后，控制器设定标准渗流密度ρ0，在实时检测的渗流密度ρ2小于标准渗流密度ρ0时，则认定土样形态为正常，按照该实时测量的渗流密度及测定时间进行计算；同时，第一密度测量仪21测定水箱密度，在测定的实时密度大于等于水密度，同时小于渗流密度ρ2时，则按照该实时测量的水密度及测定时间进行计算。
具体而言，在一定时间段t1内，在实时检测的渗流密度ρ2大于等于标准渗流密度ρ0时，则认定土样的特性对试验测定存在影响，渗出水中存在较多杂质及土样，对试验测定存在影响。所述控制器，首先通过气体排出阀33按照预设的流速v1排出气体时间t11,以降低所述土样瓶对土样的压力，能够降低渗水压力，使得渗水过程中降低土样的损失，避免测水瓶4内杂质增加；在时间t11后，若实时检测的渗流密度ρ2小于标准渗流密度ρ0时，则以此时流量作为计算标准；同时，在时间t12后，所述充气泵6按照预设流速v1向土样瓶内排入气体时间t13,以适当恢复至适当压力值的范围，在本实施例中时间t13小于时间t11,以使得渗流密度ρ2小于标准渗流密度ρ0。
具体而言，气体排出阀33按照预设的流速v1排出气体时间t11,以降低所述土样瓶对土样的压力后，若实时检测的渗流密度ρ2大于等于标准渗流密度ρ0时，则所述控制器根据第一水速传感器检测的水流度值V1进行调整，使其水流度值V1小于预设流速值V0，并持续时间t23，同时，以降低水流速对土样的冲击，持续时间t23后，若实时检测的渗流密度ρ2小于标准渗流密度ρ0时，则以此时流量作为计算标准；同时，在时间t22后，土样瓶的一侧设置的排水阀按照水流度值V2排出适量水，时间t24,其中，水流度值V2小于水流度值
时间t24小于持续时间
具体而言，经过水速调整后的渗流密度ρ2大于等于标准渗流密度ρ0时，则所述控制器控制清水泵向所述测水瓶内注入清水，在持续时间t31时间内，按照预设流速v31向测水瓶内注入时间t41，测定此时的渗流密度ρ2，若实时检测的渗流密度ρ2小于标准渗流密度ρ0时，则以此时流量作为计算标准。
具体而言，若渗流密度ρ2大于等于标准渗流密度ρ0，则所述控制器控制加热器，其通过输热管与所述土样瓶连通，以对土样瓶进行加热，本实施例仅对样进行加热，土样在热胀作用下，间隙增加，使得渗水密度ρ2降低，在预设加热温度下加热时间t51，若实时检测的渗流密度ρ2小于标准渗流密度ρ0时，则以此时流量作为计算标准；若渗流密度ρ2大于等于标准渗流密度ρ0，则以标准渗流密度进行计算。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种土壤渗透系数测试仪，其特征在于，包括：
箱体，在所述箱体的上部设置有水箱，用以向土样中注入水，在所述水箱的下端连通有一土样瓶，其内预先装载有预设重量的土样，土样瓶下方连通有测水瓶，以对从土样排出水的密度及温度进行实时测定，以及控制器，其对水箱出水流速、土样瓶出水流速信息进行获取，并根据测水瓶的不同密度进行调整；
在所述水箱内设置有第一密度测量仪，其对水龙头的水的密度进行测量，在所述水箱内设置有第一水速传感器，其对水箱出水流速进行实时检测；
所述土样瓶的上端为空腔，在试验开始阶段其内为适当压力的空气，在土样瓶的一侧设置有气体排出阀，用以排出其内的空气；
所述测水瓶的底部设置温度传感器，实时对测水瓶内的温度T进行测试，相应的，在箱体内还设置有加热器，其通过输热管与所述土样瓶连通，用以对土样瓶进行加热，以便使得土样以及渗水在预设的温度范围；在所述测水瓶内还设置有第二密度测量仪，其对测水瓶内的渗流密度进行检测，并传输至控制器中；
在所述测水瓶一侧设置有清水泵，用以向所述测水瓶内注射清水；
在一定时间段t1内，在土样达到饱和状态后，所述控制器设定标准渗流密度
，在实时检测的渗流密度
小于标准渗流密度
时，则认定土样形态为正常，按照该实时测量的渗流密度及测定时间进行计算；同时，第一密度测量仪测定水箱密度，在测定的实时密度大于等于水密度，同时小于渗流密度
时，则按照该实时测量的水密度及测定时间进行计算。
2.根据权利要求1所述的土壤渗透系数测试仪，其特征在于，在一定时间段t1内，在实时检测的渗流密度
大于等于标准渗流密度
时，所述控制器首先通过所述气体排出阀按照预设的流速v1排出气体，排气时间为t11；在时间t11后，若实时检测的渗流密度
小于标准渗流密度
时，则以此时流量作为计算标准； 在时间t12后，充气泵按照预设流速v1向土样瓶内排入气体时间t13,以适当恢复至适当压力值的范围。
3.根据权利要求2所述的土壤渗透系数测试仪，其特征在于，所述气体排出阀按照预设的流速v1排出气体，排气时间为t11,若实时检测的渗流密度
大于等于标准渗流密度
时，则所述控制器根据第一水速传感器检测的水流度值V1进行调整，使其水流度值V1小于预设流速值V0，并持续时间t23，同时，以降低水流速对土样的冲击，持续时间t23后，若实时检测的渗流密度
小于标准渗流密度
时，则以此时流量作为计算标准；同时，在时间t22后，所述土样瓶的一侧设置的排水阀按照水流度值V2排出适量水，时间t24。
4.根据权利要求3所述的土壤渗透系数测试仪，其特征在于，经过水速调整后的渗流密度
大于等于标准渗流密度
时，则所述控制器控制清水泵向所述测水瓶内注入清水，在持续时间t31时间内，按照预设流速v31向测水瓶内注入时间t41，测定此时的渗流密度
，若实时检测的渗流密度
小于标准渗流密度
时，则以此时流量作为计算标准。
5.根据权利要求4所述的土壤渗透系数测试仪，其特征在于，若渗流密度
大于等于标准渗流密度
，则所述控制器控制加热器，其通过输热管与所述土样瓶连通，以对土样瓶进行加热，土样在热胀作用下，间隙增加，使得渗流密度
降低，在预设加热温度下加热时间t51，若实时检测的渗流密度
小于标准渗流密度
时，则以此时流量作为计算标准；若渗流密度
大于等于标准渗流密度
，则以标准渗流密度进行计算。
6.根据权利要求4所述的土壤渗透系数测试仪，其特征在于，时间t13小于时间t11,以使得渗流密度c小于标准渗流密度
。
7.根据权利要求4所述的土壤渗透系数测试仪，其特征在于，水流度值V2小于水流度值
，时间t24小于持续时间
。
8.根据权利要求4所述的土壤渗透系数测试仪，其特征在于，所述土样瓶的土样一段内还设置有土样排水阀，用以在压力作用下，将土样内的水排出。
9.根据权利要求4所述的土壤渗透系数测试仪，其特征在于，所述土样瓶内设置连续的两段漏斗，其中，第一段漏斗与土样瓶的连接端设置第一过滤网，在第一段漏斗的出水口端设置第二过滤网，在第二段漏斗内设置第三过滤网。
10.根据权利要求9所述的土壤渗透系数测试仪，其特征在于，所述第一段漏斗为倒锥形，第二段漏斗截面为菱形，在第二段漏斗截面的中间部分设置所述第三过滤网。
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