CN110702583B - 土体渗透弥散淋滤测试一体柱 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种土体渗透弥散淋滤测试一体柱，包括试样柱、化学溶液转换器和压力体积控制器；试样柱包括试样柱体，其顶端设置有进水口，底端设置有出水口，侧壁上不同高度的不同位置开设有多个出水孔，出水口和每个出水孔上均设置有一出水管，出水管设置有一开关，端部设置有一溶液收集器，试样柱体的顶端设置有一压实结构，同时在试样柱体的顶端和底端均设置有一透水结构和一密封结构；化学溶液转换器内设置有化学溶液，压力体积控制器用于提供水压，施加在化学溶液上并注入试样柱体内。本发明实现了土体湿化、稳定水压及化学溶液渗透、弥散和淋滤演化规律的监测，且考虑了多种因素的耦合作用，模拟了复杂的现场环境，提高了试验精度。

Description

土体渗透弥散淋滤测试一体柱

技术领域

本发明涉及地质工程及岩土工程技术领域，特别涉及一种用于复杂环境条件下的、探究压实土体渗透、弥散及淋滤特性的测试一体柱。

背景技术

随着全球经济的发展，工业化和城市化进程加速，地质灾害与环境问题受到越来越多的重视。其中，由于生活垃圾焚烧、矿物开采、金属冶炼和工业废水的大量排放、固体废弃物处置中渗滤液渗漏等，土壤与地下水的重金属污染问题愈发严重。近年来，焚烧发电已逐渐成为生活垃圾等固体废弃物处置的重要手段。垃圾焚烧发电会产生3％-5％的飞灰，这些飞灰中含有大量铅、锌、铬、钡等重金属污染物，如何对垃圾焚烧飞灰进行固化/稳定及处置其中的重金属污染物已成为目前研究的重点。此外，有色金属冶炼场地、选矿场地、重金属工业企业搬迁后场地遗留下的土体中也还有大量重金属污染物，场地重金属修复中土体的淋滤特性是进行此类研究的前提。

无论是垃圾焚烧产生的飞灰还是有色冶炼场地、选矿场地等重金属污染场地，土体固化/稳定都离不开土体渗透、弥散和淋滤特性的研究。在实际工况中，土体中污染物的浸出是一个长期动态变化的过程，污染物会随着水流状态、周围介质物理化学性质等不断转化。在其浸出运移过程中，污染土体或垃圾焚烧飞灰固化体中的重金属会随着地下水流发生对流、弥散、转化、吸附与离子交换等反应，不断发生量和质的变化。因此，为探究重金属污染物的时空分布和迁移演化规律，需获取土体准确的渗透、弥散及淋滤特性参数，用以描述土体渗透性及重金属元素随地下水的渗流在时间、空间上的变化规律。在污染场地复杂化学环境条件下，重金属污染物的迁移转化研究更加依赖试验所获得的土体特征参数，如垃圾焚烧飞灰填埋场衬垫系统的设计、地下水渗流场情况，以及对填埋场进行整体的水力学分析都必须基于飞灰填埋体及衬垫系统渗透、弥散系数及淋滤特性的确定。在复杂近场环境条件下，固化/稳定处理后的污染土体在降雨、地下水渗流等条件下可能发生侵蚀，其中的重金属离子可能再次溶出，对环境造成二次污染。对此，固化污染土的渗透、弥散及淋滤特性研究对评价固化/稳定效果和建立考虑重金属污染物弥散及淋滤特性的渗透模型具有重要参考价值，同时对认识和评估固化体性能与寿命具有重要的实际工程意义。

目前，针对土体渗透-弥散-淋滤的研究常聚焦于污染土体单一环境条件方面的渗流研究，而无法进行三者结合性探索研究。例如专利CN107941676A提供了一种污染土样制备与渗透性测试一体化装置，它主要包括液压加载系统、试样承载系统、恒压供水系统和数据采集系统四个部分，可以但也仅可以根据需要制备渗流条件下的污染土样，测试轴向荷载作用下污染土样形成过程中污染土样的渗透系数。另外，专利CN105866005B提供了一种用于土体分层渗透特性分析的智能测试装置、测量方法及评价方法，其中智能测试装置包括容土单元、供水装置和智能测试单元，能够以简便而又精确地测试室内土体分层渗透状况，既可以测试砂性土的渗透特性，又可以测试粘性土的渗透特性，对土体类型的适应性强，但同样仅能进行污染土体的渗透研究，而无法进行渗透-弥散-淋滤三者结合性探索研究。

总体来讲，当前的研究仍存在以下问题：试验因素的复杂性，实际工程环境中，土体所处工况极为复杂，往往受到诸如水压、化学溶液等因素的共同影响，单一因素控制条件下的室内试验除了不能反映实际情况外还不利于渗透、弥散模型参数的获取，严重阻碍了土体渗透及污染物迁移理论的研究；常规渗透试验中不可直接测得非饱和渗透系数，无法获取建立土体非饱和渗流模型的相关参数，淋滤试验过程中不可对土样进行淋滤液分层收集且取样不便，工作量繁重；常规土体测试中无法融合渗透、弥散和淋滤三种性质的联合测试；另外常规的弥散试验以及示踪剂模型存在试验周期长和求解困难的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术无法实现的多因素耦合条件下淋滤试验中淋滤液分层收集，渗透、弥散模型参数的获取，以及无法进行土体渗透-弥散-淋滤三者联合测试的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种土体渗透弥散淋滤测试一体柱，包括试样柱、化学溶液转换器和压力体积控制器；

所述试样柱包括试样柱体，所述试样柱体的顶端设置有进水口，底端设置有出水口，在所述试样柱体的侧壁上不同高度的不同位置开设有多个出水孔，所述出水口和每个所述出水孔上均设置有一出水管，所述出水管设置有一开关，端部设置有一溶液收集器，所述试样柱体的顶端设置有一压实结构，同时在所述试样柱体的顶端和底端均设置有一透水结构和一密封结构；

所述化学溶液转换器内设置有化学溶液，所述化学溶液转换器的输入端与所述压力体积控制器的输出端连接，所述化学溶液转换器的输出端与所述进水口连接，所述压力体积控制器用于提供水压，施加在化学溶液上并注入试样柱体内。

进一步地，每个所述出水孔和所述出水口处还设置有一湿度传感器。

进一步地，所述出水管连接所述出水孔的接头内还设置有一反渗漏斗。

进一步地，所述压实结构主要由设置在所述试样柱体正上方的顶盖以及设置在所述顶盖底端的活塞组成，所述顶盖滑动设置在竖直的支撑立柱上，所述活塞可沿所述试样柱体内侧壁滑动。

进一步地，所述透水结构为透水石板，所述试样柱体顶端的透水石板设置在所述活塞的底端，所述试样柱体底端的透水石板设置在一底盖的顶端，所述底盖设置在所述试样柱体底端，并与所述支撑立柱的底端固定连接。

进一步地，所述密封结构为密封圈，所述试样柱体顶端的密封圈设置于所述活塞的外侧壁与所述试样柱体的内侧壁之间，所述试样柱体底端的密封圈设置于所述底盖与所述试样柱体的下表面之间。

进一步地，所述进水口上连接设置有进水管，所述进水管的另一端与顶端的所述透水石板连接，所述出水口与底端的所述透水石板之间也连接有导管。

进一步地，所述化学溶液转换器为几字形的管道，包括盛装有蒸馏水的输入管段和盛装有化学溶剂的输出管段，所述压力体积控制器的输出端、所述输入管段、所述输出管段以及所述进水口依次连接，所述输入管段与所述输出管段内均设置有一所述开关。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的土体渗透弥散淋滤测试一体柱，实现了土体湿化、稳定水压及化学溶液渗透-弥散-淋滤演化规律的监测，且考虑了多种因素的耦合作用，模拟了复杂的现场环境，提高了试验精度；同时，通过化学溶液转换器将压力体积控制器提供的水压施加在化学溶液上注入试样柱体中，实现化学溶液的压力注入，实现试验环境中化学因素的控制，更符合对实际工况的模拟，与以往方法相比，新方法考虑了化学因素的影响，对重金属污染土体，垃圾填埋场衬垫材料和重金属固化/稳定的研究具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的试样柱结构剖视图；

图3为本发明的试样柱体结构图；

图4为本发明的底盖结构图；

图5为本发明的出水管与出水口/孔接口处结构图；

图6为本发明的化学溶液转换器结构图。

【附图标记说明】

1-试样柱；2-化学溶液转换器；3-压力体积控制器；4-试样柱体；5-进水口；6-出水口；7-出水孔；8-开关；9-出水管；10-溶液收集器；11-反渗漏斗；12-土体；13-顶盖；14-活塞；15-支撑立柱；16-透水石板；17-密封圈；18-进水管；19-底盖；20-导管；21-输入管段；22-输出管段。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例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。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1至图5所示，本发明的实施例提供了一种土体渗透弥散淋滤测试一体柱，包括试样柱1、化学溶液转换器2和压力体积控制器3。试样柱1包括试样柱体4，试样柱体4为一个圆筒状的容器，在试样柱体4的顶端设置进水口5，底端设置有出水口6，同时在圆筒的侧壁上不同高度的不同位置开设有多个出水孔7，且出水口6与出水孔7上均设置一带开关8的出水管9，在各根出水管9的末端设置一溶液收集器10，对出水口6和出水孔7处溢出的溶液进行收集。另外，在出水口6和每个出水孔7位置处设置一湿度传感器，在每根出水管9与对应出水孔7的接头内还设置一反渗漏斗11。其中湿度传感器用于实时地监测出水口6和出水孔7位置的湿度，主要用于测试土体的非饱和渗透系数。反渗漏斗11用于引导溶液从出水管9流出，并用滤纸包裹反渗漏斗11，使得出水管9仅能通过溶液而限制土体等细小颗粒通过，最后由溶液收集器10收集。

土体12从试样柱体4的顶端倒入其中，然后通过万能试验机，利用压实结构将土体12压实，模拟实际的土体层。在本实施例中，压实结构主要由设置在试样柱体4正上方的顶盖13和设置在顶盖13底端的活塞14组成，其中顶盖13滑动设置在竖直的支撑立柱15上，因此顶盖13和活塞14可沿支撑立柱15滑动，带动活塞14从试样柱体4的顶端向下插入，与土体12接触，逐步将试样柱体4内的土体12压实。

同时，在试样柱体4的顶端和底端均设置一透水结构和一密封结构，在本实施例中，透水结构为透水石板16，密封结构为密封圈17。位于试样柱体4顶端的透水石板16贴合设置在活塞14的底端，密封圈17套设在活塞14的外侧壁，因而在活塞14位于试样柱体4内时，能将活塞14与试样柱体4内侧壁之间的间隙密封。并且，在本实施例中，试样柱体4顶端的进水口5位于活塞14上，与进水口5连接的进水管18的另一端穿过活塞14与透水石板16连接，因此从进水口5进入的溶液将沿进水管18流入透水石板16上，再穿过透水石板16浸入土体12，而不会从活塞14与试样柱体4内侧壁之间的间隙溢出。

而试样柱体4底端的透水石板16则设置在底盖19的上表面，其中底盖19固定安装在试样柱体4底端，同时与支撑立柱15的底端固定连接，形成整体的支撑结构。底盖19安装到位后，其上表面的透水石板16将会进入试样柱体4的底端，直接与土体12接触。试样柱体4底端的密封圈17设置于底盖19与试样柱体4的下表面之间，因而从土地12底层下溢的溶液将穿过透水石板16，并由导管20将溶液引至出水口6，最终通过出水管9排出，而不会从试样柱体4与底盖19之间的间隙溢出。

由上所述，试样柱体4的顶端、侧壁和底端均具有良好的密封性，不会外漏溶液、土粒、气体等，使得整个系统能对复杂的外界条件进行控制，测试不受外界非实验控制因素的影响。

进一步如图6所示，在本实施例中，化学溶液转换器2设置为几字形的管道，包括盛装有蒸馏水的输入管段21和盛装有化学溶剂的输出管段22，压力体积控制器3的输出端、输入管段21、输出管段22以及进水口5依次连接，因而能通过压力体积控制器3提供水压，由输入管段21内的蒸馏水传递，最终施加在输出管段22内的化学溶液上并通过进水口5注入土体12试样中，实现化学溶液的稳定压力注入。另外在输入管段21与输出管段22内均设置开关8，用于控制化学溶液转换器2两端的连通状态。

其中，压实土体的渗透-弥散-淋滤测试一体柱试验方法包括以下过程：

首先分别将试样柱体4、底盖19、支撑立柱15、顶盖13以及出水管9和溶液收集器10等结构对应安装，将土样12放入试样柱体4内，通过万能试验机将土样12压实。

一、渗透试验：

步骤1，将与出水口6连接的出水管9开关8打开，再将压力体积控制器3与化学溶液转换器2相连，并将化学溶液转换器2上的开关8全部打开，向试样柱1内提供稳定的水头压力，使化学溶液(例如蒸馏水、NaCl盐溶液、NaOH碱溶液、HCl或醋酸溶液、CuSO₄溶液等)渗过土样；

步骤2，待底盖19的出水口6处有溶液渗出时，认为土样吸水饱和稳定，完成土样湿化饱和过程。待试样饱和稳定后，测量出水管9上渗出溶液的流量，根据初始溶液水头压力、土样高度、时间及渗出流量，计算土样饱和时的渗透系数；

步骤3，通过预埋在各个出水孔7处的湿度传感器测量不同时段、不同位置的湿度，结合土样的持水特性计算该土样的非饱和渗透系数。

二、弥散试验：

步骤1与渗透试验的步骤1类似；

步骤2，待底盖19的出水口6处有溶液渗出时，认为土样吸水饱和稳定，完成土样湿化饱和过程。待试样饱和稳定后，按照试验方案所制定的时间梯度收集溶液，分析溶液成分，获取溶液中化学元素的时间空间分布，计算弥散系数。

三、淋滤试验：

步骤1与渗透试验的步骤1类似；

步骤2，打开试样柱体4上与各个出水孔7连接的出水管9开关，待出水孔7和出水口6渗出淋滤液时，收集各层淋滤液，分析溶液成分，揭示试样淋滤特性。

其中，整个监测系统同步运行，水头压力数据由压力体积控制器3及溶液收集系统记录。

在试验结束后对相关监测数据进行整理、分析。并可取出土样和收集的溶液，进行相关辅助分析试验(如压汞试验、ESEM试验、密度测试、XRD矿物成分分析和ICP电感耦合等离子体光谱仪分析试验等)。

本发明的上述试验过程考虑了复杂的外界条件影响，对水头、化学溶液因素及试验环境的密封性控制相比其他方法更加科学、准确及符合实际。同时，压力体积控制器3提供稳定水头压力，实时监测土体试样的变化规律及特征，最后可得出土样渗透、弥散及淋滤特性的变化。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种土体渗透弥散淋滤测试一体柱，其特征在于，包括试样柱、化学溶液转换器和压力体积控制器；

所述试样柱包括试样柱体，所述试样柱体的顶端设置有进水口，底端设置有出水口，在所述试样柱体的侧壁上不同高度的不同位置开设有多个出水孔，所述出水口和每个所述出水孔上均设置有一出水管，所述出水管设置有一开关，端部设置有一溶液收集器，所述试样柱体的顶端设置有一压实结构，同时在所述试样柱体的顶端和底端均设置有一透水结构和一密封结构；

所述化学溶液转换器内设置有化学溶液，所述化学溶液转换器的输入端与所述压力体积控制器的输出端连接，所述化学溶液转换器的输出端与所述进水口连接，所述压力体积控制器用于提供水压，施加在化学溶液上并注入试样柱体内；

每个所述出水孔和所述出水口处还设置有一湿度传感器；

所述出水管连接所述出水孔的接头内还设置有一反渗漏斗。

2.根据权利要求1所述的土体渗透弥散淋滤测试一体柱，其特征在于，所述压实结构主要由设置在所述试样柱体正上方的顶盖以及设置在所述顶盖底端的活塞组成，所述顶盖滑动设置在竖直的支撑立柱上，所述活塞可沿所述试样柱体内侧壁滑动。

3.根据权利要求2所述的土体渗透弥散淋滤测试一体柱，其特征在于，所述透水结构为透水石板，所述试样柱体顶端的透水石板设置在所述活塞的底端，所述试样柱体底端的透水石板设置在一底盖的顶端，所述底盖设置在所述试样柱体底端，并与所述支撑立柱的底端固定连接。

4.根据权利要求3所述的土体渗透弥散淋滤测试一体柱，其特征在于，所述密封结构为密封圈，所述试样柱体顶端的密封圈设置于所述活塞的外侧壁与所述试样柱体的内侧壁之间，所述试样柱体底端的密封圈设置于所述底盖与所述试样柱体的下表面之间。

5.根据权利要求4所述的土体渗透弥散淋滤测试一体柱，其特征在于，所述进水口上连接设置有进水管，所述进水管的另一端与顶端的所述透水石板连接，所述出水口与底端的所述透水石板之间也连接有导管。

6.根据权利要求1所述的土体渗透弥散淋滤测试一体柱，其特征在于，所述化学溶液转换器为几字形的管道，包括盛装有蒸馏水的输入管段和盛装有化学溶剂的输出管段，所述压力体积控制器的输出端、所述输入管段、所述输出管段以及所述进水口依次连接，所述输入管段与所述输出管段内均设置有一所述开关。

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