CN111896445A - 一种多态土石混合体水力参数、流动电位测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多态土石混合体水力参数、流动电位测试装置及方法，其中装置包括依次连通的上游水位可调式水箱、测试水槽和下游容积可读式水箱，测试水槽内腔沿水流方向依次被分为第一透水石区、土石混合体区和第二透水石区，还包括用于分别检测土石混合体区内部电位差、压力和含水率的非极化电极、压力计以及含水率测试仪，下游容积可读式水箱的出水口、测试水槽的进出口均设置有水阀；实现对土石混合体饱和渗透系数与非饱和土水特征曲线进行测量及分析，同时能够测量饱和与非饱和流动过程中的流动电位，本发明功能性强，制作简单，有利于分析土石混合体在饱和与非饱和时的水分运移能力和持水能力，有助于实时掌握水流流动过程信息。
Description
技术领域
本发明涉及土木水利工程技术领域，具体涉及一种多态土石混合体水力参数、流动电位测试装置及方法。
背景技术
在山区进行土木水利工程施工，避免不了要进行爆破开挖，施工过程会产生大量的土石混合体废弃料，施工人员为了节省成本，常常将土石混体废弃料作为填料广发使用在路基、坝体、填方等工程中。因此，研究土石混合体的工程特性就显得十分重要，如何获取土石混合体的基本物理参数，是评价土石混合体工程特性的基础。渗流是影响工程稳定性的主要因素之一，土石混合体常处于饱和与非饱和渗流状态。目前，单独测量土石混合体饱和渗透系数与非饱和土水特征曲线的较多，但同时具备两种测量功能的较少。渗流监测方面，传统的测压井、量水堰等还在大量使用，需要人工探视，费工费时，成本较高；地球物理方法(高密度电阻率法、电磁法)把动态过程当作静态过程来处理，不能反应客观事实规律；利用温度场变化来监测渗流场的技术容易受到外界环境改变的影响，精度常达不到要求。流动电位的产生过程与渗流息息相关，具有实时监测流动过程潜力。该装置在改进传统水力参数测量方式的基础上，融入流动电位测量，很大程度上弥补了现有技术的不足，功能更加强大，不仅能够获得丰富的测量数据，还能获取水流流动信息。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种多态土石混合体水力参数、流动电位测试装置及方法，能够实现对土石混合体渗透系数和土水特征曲线的测定，以及对水流过程实时监测。
本发明的一种多态土石混合体水力参数、流动电位测试装置，包括依次连通的上游水位可调式水箱、测试水槽和下游容积可读式水箱，所述测试水槽内腔沿水流方向依次被分为第一透水石区、土石混合体区和第二透水石区，还包括用于分别检测土石混合体区内部电位差、压力和含水率的非极化电极、压力计以及含水率测试仪，所述下游容积可读式水箱的出水口、测试水槽的进出口均设置有水阀。
进一步，所述测试水槽由有机玻璃板构成，测试水槽顶部密封设置有可拆卸的有机玻璃盖板。
进一步，所述非极化电极采用银-氯化银非极化电极。
本发明还公开了一种基于上述的一种多态土石混合体水力参数、流动电位测试装置的测试方法，包括以下步骤：
S1、将土石混合体铺设于两透水石中间，插入银-氯化银非极化电极，并布置压力计和含水率测试仪；
S2、测量进水前土石混合体的背景电位、压力和含水率；
S3、控制进水阀按一定速度向水槽中注入水，同时开始测量土石混合体饱和过程中电位、压力和含水率；
S4、土石混合体饱和后，测量水流静止时的电位、压力和含水率；
S5、打开排水阀和进水阀，按需要从相应高度的水位进水，测量饱和流动过程中的电位、压力和出水流量，并记录排水时间；
S6、打开排水阀和排气孔，关闭进水阀，测量排水蒸发过程中的电位、压力和含水率。
进一步，步骤S1包括：
1)将土石混体分层铺设在两透水石之间，用击实仪对其击实，每层击实完成后用环刀取样，计算压实度，压实质量合格后，对其表面进行剖毛，再接着填料击实；
2)试验前先对所有传感器进行标定，在设定的高度布置银-氯化银非极化电极、压力计和含水率测试仪，布置时应注意保证传感器和土石混合体充分接触，避免接触不良影响数据质量；
3)盖上上部有机玻璃板，在接触处打上玻璃胶，静置24小时后，方可进行试验。
进一步，步骤S2包括：
1)关闭进水阀和出水阀，打开排气孔，分别测量土石混合体中背景电位、压力和含水率；
2)观察测量数据是否稳定，稳定情况下可进行后续试验，否则继续测量待数据稳定后进行后续试验。
进一步，步骤S3包括：
1)向上游水位可调式水箱注水，到达需要水位高度后，关闭出水阀，打开进水阀和排气孔，控制进水阀打开程度，水流按一定速率缓慢渗透进土石混合体，水流渗透速度可从水槽旁用目视法估计，为保证饱和效果，水流速率不宜过快；
2)在水流进入水槽时，开始测量电位、压力和含水率，直至数据不在变化，表明土石混合体已完全饱和；
3)由含水率和压力关系，可以得到非饱和土的土水特征曲线。
进一步，步骤S4包括：
1)关闭进水阀和出水阀，打开排气孔，分别测量土石混合体饱和静止中电位、压力和含水率；
2)观察测量数据是否稳定，稳定情况下可进行后续试验，否则继续测量待数据稳定后进行后续试验。
进一步，步骤S5包括：
1)打开进水阀和排水阀，关闭排气孔，利用上游水位可调式水箱按一定压力注入水流；
2)测量土石混合体饱和流动过程电位、压力；
3)利用下游容积可读式水箱测量一定时间内的流量，根据达西定律可计算土石混合体渗透系数。
进一步，步骤S6包括：
1)打开排水阀和排气孔，关闭进水阀，控制排水阀开关程度，使水流缓慢排出；
2)在排水开始时，测量电位、压力和含水率，直至水流排完，测量完毕。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种多态土石混合体水力参数、流动电位测试装置及方法，可以实现对土石混合体饱和渗透系数与非饱和土水特征曲线进行测量及分析，同时能够测量饱和与非饱和流动过程中的流动电位，本发明功能性强，制作简单，有利于分析土石混合体在饱和与非饱和时的水分运移能力和持水能力，有助于实时掌握水流流动过程信息，为获取土石混合体的工程特性提供帮助。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置中测试仪的布置图；
图3为本发明的测试方法流程图；
图4为渗透系数图；
图5为土水特征曲线图；
图6为流动电位与压力的关系图。
附图标记
附图中，上游水位可调式水箱1，测试水槽2，进水阀3，排水阀4，含水率测试仪5，银-氯化银非极化电极6，压力计7，排气孔8，下游容积可读式水箱9，第一透水石区21，第二透水石区22，土石混合体区23。
具体实施方式
如图所示，本实施例中的一种多态土石混合体水力参数、流动电位测试装置，包括依次连通的上游水位可调式水箱、测试水槽和下游容积可读式水箱，多态土石混合体表示饱和土石混合体与非饱和土石混合体，所述测试水槽内腔沿水流方向依次被分为第一透水石区、土石混合体区和第二透水石区，还包括用于分别检测土石混合体区内部电位差、压力和含水率的非极化电极、压力计以及含水率测试仪，所述下游容积可读式水箱的出水口、测试水槽的进出口均设置有水阀；测试水槽的进水口与上游水位可调式水箱连接，所述测试水槽的出水口与下游容积可读式水箱连接，所述测试水槽中设有测试区，用于铺设土石混合体，所述非极化电极、压力计、含水率测试仪均布置在测试区，所述上游水位可调式水箱改变流量条件，下游容积可读式水箱读取一定时间内的流量，分别测试土石混合体中固定位置电位、压力和含水率，得到土石混合体饱和渗透系数与非饱和土水特征曲线，并测量其流动电位；能够测量饱和与非饱和流动过程中的流动电位，本发明功能性强，制作简单，有利于分析土石混合体在饱和与非饱和时的水分运移能力和持水能力，有助于实时掌握水流流动过程信息。
本实施例中，所述测试水槽由有机玻璃板构成，在测试水槽中设有两块透水石，透水石中间用于铺设土石混合体，通过预留透水石与进水口、出水口之间的距离，减弱水流的波动，保证进出水流的稳定性。水箱上面为可拆卸的有机玻璃板，通过打玻璃胶进行粘接。
本实施例中，压力计包括压力传感器与数据采集器，并通过计算机控制，可实时对水流压力测量；含水率测试仪包括含水率传感器与手持式控制器，可连续测量土石混合体中含水率；上游水位可调式水箱由PVC管制成，在管上的不同高度设置5个开关，通过开关控制流量大小提供稳定的水头；下游容积可读式水箱通过计算不同高度体积，将对应值标记在水箱外表面，方便直接读取流量值。
本发明公开的一种多态土石混合体水力参数及流动电位测试方法，包括以下步骤：
S1、将土石混合体铺设于两透水石中间，插入银-氯化银非极化电极，并布置压力计和含水率测试仪；
S2、测量进水前土石混合体的背景电位、压力和含水率；
S3、控制进水阀按一定速度向水槽中注入水，同时开始测量土石混合体饱和过程中电位、压力和含水率；
S4、土石混合体饱和后，测量水流静止时的电位、压力和含水率；
S5、打开排水阀和进水阀，按需要从相应高度的水位进水，测量饱和流动过程中的电位、压力和出水流量，并记录排水时间；
S6、打开排水阀和排气孔，关闭进水阀，测量排水蒸发过程中的电位、压力和含水率。
本实施例中，步骤S1包括：
1)将土石混体分层铺设在两透水石之间，用击实仪对其击实，每层击实完成后用环刀取样，计算压实度，压实质量合格后，对其表面进行剖毛，再接着填料击实；
2)试验前先对所有传感器进行标定，在设定的高度布置银-氯化银非极化电极、压力计和含水率测试仪，布置时应注意保证传感器和土石混合体充分接触，避免接触不良影响数据质量；
3)盖上上部有机玻璃板，在接触处打上玻璃胶，静置24小时后，方可进行试验。
本实施例中，步骤S2包括：
1)关闭进水阀和出水阀，打开排气孔，分别测量土石混合体中背景电位、压力和含水率；
2)观察测量数据是否稳定，稳定情况下可进行后续试验，否则继续测量待数据稳定后进行后续试验。
本实施例中，步骤S3包括：
1)向上游水位可调式水箱注水，到达需要水位高度后，关闭出水阀，打开进水阀和排气孔，控制进水阀打开程度，水流按一定速率缓慢渗透进土石混合体，水流渗透速度可从水槽旁用目视法估计，为保证饱和效果，水流速率不宜过快；
2)在水流进入水槽时，开始测量电位、压力和含水率，直至数据不在变化，表明土石混合体已完全饱和；
3)由含水率和压力关系，可以得到非饱和土的土水特征曲线。
本实施例中，步骤S4包括：
1)关闭进水阀和出水阀，打开排气孔，分别测量土石混合体饱和静止中电位、压力和含水率；
2)观察测量数据是否稳定，稳定情况下可进行后续试验，否则继续测量待数据稳定后进行后续试验。
本实施例中，步骤S5包括：
1)打开进水阀和排水阀，关闭排气孔，利用上游水位可调式水箱按一定压力注入水流；
2)测量土石混合体饱和流动过程电位、压力；
3)利用下游容积可读式水箱测量一定时间内的流量，根据达西定律可计算土石混合体渗透系数。
本实施例中，步骤S6包括：
1)打开排水阀和排气孔，关闭进水阀，控制排水阀开关程度，使水流缓慢排出；
2)在排水开始时，测量电位、压力和含水率，直至水流排完，测量完毕。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种多态土石混合体水力参数、流动电位测试装置，其特征在于：包括依次连通的上游水位可调式水箱、测试水槽和下游容积可读式水箱，所述测试水槽内腔沿水流方向依次被分为第一透水石区、土石混合体区和第二透水石区，还包括用于分别检测土石混合体区内部电位差、压力和含水率的非极化电极、压力计以及含水率测试仪，所述下游容积可读式水箱的出水口、测试水槽的进出口均设置有水阀。
2.根据权利要求1所述的一种多态土石混合体水力参数、流动电位测试装置，其特征在于：所述测试水槽由有机玻璃板构成，测试水槽顶部密封设置有可拆卸的有机玻璃盖板。
3.根据权利要求2所述的一种多态土石混合体水力参数、流动电位测试装置，其特征在于：所述非极化电极采用银-氯化银非极化电极。
4.一种基于如权利要求1-3任一权利要求所述的一种多态土石混合体水力参数、流动电位测试装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将土石混合体铺设于两透水石中间，插入银-氯化银非极化电极，并布置压力计和含水率测试仪；
S2、测量进水前土石混合体的背景电位、压力和含水率；
S3、控制进水阀按一定速度向水槽中注入水，同时开始测量土石混合体饱和过程中电位、压力和含水率；
S4、土石混合体饱和后，测量水流静止时的电位、压力和含水率；
S5、打开排水阀和进水阀，按需要从相应高度的水位进水，测量饱和流动过程中的电位、压力和出水流量，并记录排水时间；
S6、打开排水阀和排气孔，关闭进水阀，测量排水蒸发过程中的电位、压力和含水率。
5.根据权利要求4所述的一种测试方法，其特征在于：步骤S1包括：
1)将土石混体分层铺设在两透水石之间，用击实仪对其击实，每层击实完成后用环刀取样，计算压实度，压实质量合格后，对其表面进行剖毛，再接着填料击实；
2)试验前先对所有传感器进行标定，在设定的高度布置银-氯化银非极化电极、压力计和含水率测试仪，布置时应注意保证传感器和土石混合体充分接触，避免接触不良影响数据质量；
3)盖上上部有机玻璃板，在接触处打上玻璃胶，静置24小时后，方可进行试验。
6.根据权利要求4所述的一种测试方法，其特征在于：步骤S2包括：
1)关闭进水阀和出水阀，打开排气孔，分别测量土石混合体中背景电位、压力和含水率；
2)观察测量数据是否稳定，稳定情况下可进行后续试验，否则继续测量待数据稳定后进行后续试验。
7.根据权利要求4所述的一种测试方法，其特征在于：步骤S3包括：
1)向上游水位可调式水箱注水，到达需要水位高度后，关闭出水阀，打开进水阀和排气孔，控制进水阀打开程度，水流按一定速率缓慢渗透进土石混合体，水流渗透速度可从水槽旁用目视法估计，为保证饱和效果，水流速率不宜过快；
2)在水流进入水槽时，开始测量电位、压力和含水率，直至数据不在变化，表明土石混合体已完全饱和；
3)由含水率和压力关系，可以得到非饱和土的土水特征曲线。
8.根据权利要求4所述的一种测试方法，其特征在于：步骤S4包括：
1)关闭进水阀和出水阀，打开排气孔，分别测量土石混合体饱和静止中电位、压力和含水率；
2)观察测量数据是否稳定，稳定情况下可进行后续试验，否则继续测量待数据稳定后进行后续试验。
9.根据权利要求4所述的一种测试方法，其特征在于：步骤S5包括：
1)打开进水阀和排水阀，关闭排气孔，利用上游水位可调式水箱按一定压力注入水流；
2)测量土石混合体饱和流动过程电位、压力；
3)利用下游容积可读式水箱测量一定时间内的流量，根据达西定律可计算土石混合体渗透系数。
10.根据权利要求4所述的一种多态土石混合体水力参数、流动电位测试装置及方法，其特征在于：步骤S6包括：
1)打开排水阀和排气孔，关闭进水阀，控制排水阀开关程度，使水流缓慢排出；
2)在排水开始时，测量电位、压力和含水率，直至水流排完，测量完毕。
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