CN112710808A - 一种用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置与方法，装置包括溢流‑回流装置、土柱仪主体装置、真空取样装置、微震排气装置和可搬运移动装置，土柱筒侧壁设有等距取样管，取样管上部设有溢流孔。本发明针对粉细砂介质特性，采用智能计算显示屏实时显示柱内测压水头和渗透系数，能灵敏观测取样等引起的微小扰动影响，确定粉细砂污染防护层厚度，对一般污水的类型和污染物种类没有限制，精度高且便于携带，具有广泛的适应性；通过粉细砂的防护能力可推算其他介质作为污染物防护层的防护能力。

Description

一种用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置与方法

技术领域

本发明涉及土柱试验装置领域，具体涉及一种用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置与方法。

背景技术

地下水污染程度日益严重，地下水污染防治迫在眉睫。如何利用天然条件更好更合理更经济地防控地下水污染是当前科技界共同思考的热点方向。其中，如何合理确定当地污染物天然条件下土体防护层的厚度往往是水污染防治工程的技术难题。野外实测常常面临实验装置不好布设，渗透系数和浓度变化难以同时通过实时监测获得，土体开挖有更多的扰动，对于缺水山区和干旱区来说，野外实验往往因缺水而无法原位进行。

而目前现有的土柱装置，实验介质常常是非饱和壤土，实验目标是壤土中水分分布与迁移问题。且往往设计较粗糙，体积庞大，不易搬运，缺乏智能显示装置，且由于输入水头不能稳定，对试样气体未充分排除、取样扰动等造成的影响估计不足，导致取样时间长，实验结果精度不高，浪费了大量的时间和人力物力。而对现场粉细砂、黏土等土体介质在取样时面临取水困难、砂水同流等问题，工作现场通常短时间无法有效解决。因而，不能快速精确地确定天然条件下污水防护层的有效厚度，通常只能保守地凭经验选取，导致污染防控措施缺乏科学性，且防控成本大大提高。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置与方法，可在取样时实时观察取样孔水头压力、渗透系数变化，对取样时产生的微小扰动进行观测和定量评价，另外，通过水头压力、渗透系数、污染物的吸附情况，解决饱和土中，污水防护层有效厚度的确定问题，能评价不同介质污染物的防护能力，可以克服当前条件下污染防护层凭经验选取的技术难题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置，包括：

土柱筒，由透明材料制成，为上、下两端开口结构，上端开口处密封设置有顶盖，下端开口处密封设置有底座，土柱筒内填充有粉细砂，

所述顶盖上通过第一引流管连接污水输送设备；

所述底座底部侧壁上设有排水孔，排水孔上连接有排水管，排水管上连接有带阀门的流量计；

所述底座为一端开口的空腔结构，底座开口端与土柱筒下端开口处密封连接，连接后底座空腔结构与土柱筒内腔相连通，所述底座的空腔内从上往下依次设置透水板和砾石层；

土柱筒侧壁上沿土柱筒高度方向等距设置多个取样管，取样管上方设置一溢流管；

抽气泵，通过抽气管与任一所述取样管连接，抽气泵与取样管之间的抽气管上连接有取样瓶；

微震机构，通过底座支架设置在所述底座底部；

土柱筒的粉细砂中与每个所述取样管相同高度处埋设有一个压力传感器，多个压力传感器分别通过数据线与智能计算显示屏相连。

所述粉细砂为砾径100目～200目之间粉细砂。

所述污水输送设备为水箱，所述水箱一侧侧壁的底部设有与所述第一引流管连通的出水孔，第一引流管上设有止水阀。

还包括第二引流管，所述土柱筒内腔中位于粉细砂上端设有空腔，所述空腔的一侧侧壁上设有溢流口，所述溢流口连接所述第二引流管，第二引流管的出水口与溢流水槽连接，溢流水槽的一侧槽壁上通过回水管与所述水箱连接，所述回水管上设有小型水泵。

所述取样管内部设有过滤器。

所述底座的底部设有底座支架，底座支架内设置所述微震机构。

还包括一搬运装置，所述搬运装置上设有供土柱筒放置嵌入的环形槽，搬运装置的底部设有移动轮，搬运装置上设有固定所述土柱筒的固定架，此外，搬运装置上设有智能计算显示屏存放装置。

所述土柱筒包括多节直径相同的土柱筒节单元，各土柱筒节单元之间通过固定架密封固定连接。

本发明进一步公开了一种基于所述用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置的试验方法，包括以下步骤，

a：在底座内放置一层人工砾石，在人工砾石上方放置透水板；将土柱筒与底座密封对接；将连接好底座的土柱筒安装在所述底座支架上，安装微震机构在底座底部；

b：往土柱筒分层填入粉细砂，并埋设压力传感器，填一部分粉细砂注入一部分去离子水，同时打开微震机构，进行排气处理；

c：粉细砂填充完毕后，关闭排水管上的阀门，向土柱筒内从上往下注入大量去离子水，进行饱和24h后打开排水管上的阀门放水，再转换方向从下往上饱和粉细砂，多次重复试验将粉细砂中气体和杂质全部去除，完成后盖上顶盖；

d：将水箱置于高处，关闭底部排水管阀门，将荧光剂作为指示剂投入水箱中；

e：将第一引流管与盖连接，打开第一引流管上的阀门，使污水进入土柱筒中，用第二引流管将溢流口与溢流水槽连接，打开水泵，将溢流水槽中流出的污水抽回水箱中回收利用；

f：打开智能计算显示屏，打开排水口阀门并安装流量表，定时记录显示屏上水头压力、渗透系数以及流量表读数，等带有荧光指示剂的污水完全驱替去离子水后，即可打开抽气泵接取各取样孔水样；

其中渗透系数可通过达西公式，利用渗透流量、压力水头得到：

式中：K为渗流系数；Q为渗透流量；A为土柱断面面积；J为水力梯度；H_i、H_j分别为第i、j取样孔水头压力；l为i、j取样孔之间渗流路径长度；

g：将接取的水样进行水质分析，得到结果后进行污染物粉细砂防护层厚度计算；若污染物满足：

式中：α_i为要求的去除率，C_i0为i种污染物初始浓度，C_iMi为i种污染物对应的深度为 Mi的污染物深度；

则第i种污染物粉细砂防护层厚度为：

M_i＝H_i0-H_iMi，

式中，H_i0为土柱污水端入柱标高，H_iMi为土柱污水浓度达标端的标高；

若有多种污染物，则i＝1,2,……n，则满足所有污染物的防护层厚度为：

M＝Max(M_i),i＝1,2,……n。

若介质不是粉细砂，而是其他介质，则其他介质的防护层厚度则依渗透系数之间的理论类比关系获得，即可表征为：

其中，

K_其他为其他介质的渗透系数，K_粉细砂为粉细砂的渗透系数。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

第一.本发明土柱试验溢流-回流装置部分，能保证污水补给水位恒定，溢流出的污水能回收利用，提高污水的利用率，减少污水外溢风险；

第二.在污水中投入荧光剂作为指示剂，提高驱替去离子水时间的准确性；

第三.将取样瓶置于取样管与真空泵之间，取样管内部设有过滤器，既不污染水样又能解决粉细砂、黏土等土柱介质在取样时因负压面临取水样困难问题。

第四.埋设压力传感器连接智能计算显示屏，更方便直观观察实验结果，观察取样引起的扰动效应，便于更准确地分析试验影响因素，提高试验精度。

第五.加设搬运移动装置，解决装样后土柱仪笨重、不便携带的缺点，方便装置搬运、运移。

第六.最重要的是，该试验装置能确定天然条件下饱和土体层污水的有效防护厚度。其与天然土层厚度相比较，前者大于后者，说明防护层厚度够，反之，就不够，这就可评价天然土层有效防护层厚度够不够的问题。区别于现有文献中研究土柱水分、养分分布与迁移的功能，也区别于污染防渗层(隔水层)的功能。

第七.对一般污染中污水的类型和污染物种类没有限制，具有广泛的适应性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中搬运装置结构示意图；

图中数字表示：

图中，1水箱、11第一止水阀、12第一引流管、13第二引流管、14溢流水槽、15 水泵、16回流管、2顶盖、3底座、4土柱筒、41透水板、42固定夹、43人造砾石、 44第二止水阀、45流量表、46出水孔、47取样管、48溢流孔、49过滤器、5取样瓶、 6抽气泵、7传感器、71数据线、72智能计算显示屏、8底部支架、81微震机构、9可移动搬运装置、91转轮、92环形槽、93固定架、94把手、95底部支架、96智能计算显示屏存放装置。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，以使本领域技术人员能够对更加清楚理解本发明技术方案。

实施例

如图1所示，一种用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置，包括：溢流-回流装置和设置在所述溢流-回流装置下方的主体土柱仪装置以及设置于所述主体土柱仪装置下方的微震排气装置以及可搬运移动装置；

所述溢流-回流装置包括盛放污水的水箱、带阀门的第一引流管和第二引流管、水泵、溢流水槽；

所述主体土柱仪装置包括土柱筒、顶盖、底座、透水板、压力传感器、数据线、显示屏和流量表，其中，土柱筒侧壁设有等距取样管，最上端的取样管上部设有溢流孔，土柱筒上端通过螺纹与顶盖旋转密闭，土柱筒下端通过螺纹和底座旋转密闭；

主体土柱仪装置下方设有大于底座面积的底座支架和微震机构，微震机构和底座支架采用四个螺丝固定；

可搬运移动装置通过把手及底部移动轮可方便将主体土柱仪装置长距离运移，且搬运装置上设有供土柱放置嵌入的环形槽及固定架，可确保试验装置的稳定性，此外搬运装置上设有智能计算显示屏存放装置。

所述水箱通过第一引流管与主体土柱仪装置顶盖连接；所述顶盖中间设有钻孔，钻孔内部有橡胶垫圈和引流管密合；

所述溢流水槽一端连接溢流孔，另一端连接水泵；所述水泵出口与水箱连接。可将多余的污水重新收集到水箱，节约试验污水，减少污水外溢风险。

所述底座侧壁设有出水孔；所述出水孔设有带阀门的流量表；所述底座内部设置有人工砾石层和带四个卡托的透水板，透水板的直径略小于底座内径；

作为本发明的优选实施例，所述水箱放置高度大于主体土柱仪装置的高度，有效保证污水连续补给到土柱仪中；

作为本发明的优选实施例，所述土柱筒上、下两端内部带有螺纹的钢圈，顶盖和底座外部带有螺纹的钢圈；所述土柱筒、顶盖和底座均采用钢化玻璃材质，钢圈采用不锈钢材质。

作为本发明的优选实施例，所述取样管为与土柱筒连接处带有垫圈的不锈钢取样管，取样管内部带有过滤器，为可拆卸、可伸缩装置；用于观察污水驱替过程的指示剂采用荧光剂；

作为本发明的优选实施例，考虑到粉细砂作为介质填充土柱筒，渗流速度慢，易堵住出水孔，在侧壁形成真空状态，用抽气泵来抽取试验水样，取样瓶置于取样管与抽气泵之间，方便抽取出的水样直接流入取样瓶，而不受抽气泵干扰。

作为本发明的优选实施例，所述土柱介质采用粉细砂，与取样管相同高度处埋设压力传感器，压力传感器通过数据线与智能计算显示屏相连，可直接读出测压水头、渗透系数等；

作为本发明的优选实施例，所述搬运装置上设有供土柱放置嵌入的环形槽，搬运装置的底部设有移动轮，搬运装置上设有固定所述土柱筒的固定架，此外搬运装置上设有智能计算显示屏存放装置，试验结束后可固定土柱仪装置，通过把手及底部移动轮方便将主体土柱仪长距离运移。

利用本发明用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置进行试验的方法包括以下步骤：

a：在底座内放置一层人工砾石，在人工砾石上方放置透水板；将土柱筒与底座密封对接；将连接好底座的土柱筒安装在所述底座支架上，安装微震机构在底座底部；

b：往土柱筒分层填入粉细砂，并埋设压力传感器，填一部分粉细砂注入一部分去离子水，同时打开微震机构，进行排气处理；

c：粉细砂填充完毕后，关闭排水管上的阀门，向土柱筒内从上往下注入大量去离子水，进行饱和24h后打开排水管上的阀门放水，再转换方向从下往上饱和粉细砂，多次重复试验将粉细砂中气体和杂质全部去除，完成后盖上顶盖；

d：将水箱置于高处，关闭底部排水管阀门，将荧光剂作为指示剂投入水箱中；

e：将第一引流管与盖连接，打开第一引流管上的阀门，使污水进入土柱筒中，用第二引流管将溢流口与溢流水槽连接，打开水泵，将溢流水槽中流出的污水抽回水箱中回收利用；

f：打开智能计算显示屏，打开排水口阀门并安装流量表，定时记录显示屏上水头压力、渗透系数以及流量表读数，等带有荧光指示剂的污水完全驱替去离子水后，即可打开抽气泵接取各取样孔水样；

其中渗透系数可通过达西公式，利用渗透流量、压力水头得到：

式中：K为渗流系数；Q为渗透流量；A为土柱断面面积；J为水力梯度；H_i、H_j分别为第i、j取样孔水头压力；l为i、j取样孔之间渗流路径长度；

g：将接取的水样进行水质分析，得到结果后进行污染物粉细砂防护层厚度计算；若污染物满足：

式中：α_i为要求的去除率，C_i0为i种污染物初始浓度，C_iMi为i种污染物对应的深度为 Mi的污染物深度；

则第i种污染物粉细砂防护层厚度为：

M_i＝H_i0-H_iMi，

式中，H_i0为土柱污水端入柱标高，H_iMi为土柱污水浓度达标端的标高；

若有多种污染物，则i＝1,2,……n，则满足所有污染物的防护层厚度为：

M＝Max(M_i),i＝1,2,……n。

若介质不是粉细砂，而是其他介质，则其他介质的防护层厚度则依渗透系数之间的理论类比关系获得，即可表征为：

其中，

K_其他为其他介质的渗透系数，K_粉细砂为粉细砂的渗透系数。

h：试验结束后通过可搬运移动装置方便将土柱仪装置运移。

Claims (10)

1.一种用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置，包括：

土柱筒，由透明材料制成，为上、下两端开口结构，上端开口处密封设置有顶盖，下端开口处密封设置有底座，其特征在于，土柱筒内填充有粉细砂，

所述顶盖上通过第一引流管连接污水输送设备；

所述底座底部侧壁上设有排水孔，排水孔上连接有排水管，排水管上连接有带阀门的流量计；

所述底座为一端开口的空腔结构，底座开口端与土柱筒下端开口处密封连接，连接后底座空腔结构与土柱筒内腔相连通，所述底座的空腔内从上往下依次设置透水板和砾石层；

土柱筒侧壁上沿土柱筒高度方向等距设置多个取样管，取样管上方设置一溢流管；

抽气泵，通过抽气管与任一所述取样管连接，抽气泵与取样管之间的抽气管上连接有取样瓶；

微震机构，通过底座支架设置在所述底座底部；

土柱筒的粉细砂中与每个所述取样管相同高度处埋设有一个压力传感器，多个压力传感器分别通过数据线与智能计算显示屏相连。

2.根据权利要求1所述的用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置，其特征在于，所述粉细砂为砾径100目～200目之间粉细砂。

3.根据权利要求1所述的用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置，其特征在于，所述污水输送设备为水箱，所述水箱一侧侧壁的底部设有与所述第一引流管连通的出水孔，第一引流管上设有止水阀。

4.根据权利要求3所述的用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置，其特征在于，还包括第二引流管，所述土柱筒内腔中位于粉细砂上端设有空腔，所述空腔的一侧侧壁上设有溢流口，所述溢流口连接所述第二引流管，第二引流管的出水口与溢流水槽连接，溢流水槽的一侧槽壁上通过回水管与所述水箱连接，所述回水管上设有小型水泵。

5.根据权利要求1所述的用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置，其特征在于，所述取样管内部设有过滤器。

6.根据权利要求1所述的用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置，其特征在于，所述底座的底部设有底座支架，底座支架内设置所述微震机构。

7.根据权利要求1所述的用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置，其特征在于，还包括一搬运装置，所述搬运装置上设有供土柱筒放置嵌入的环形槽，搬运装置的底部设有移动轮，搬运装置上设有固定所述土柱筒的固定架，此外，搬运装置上设有智能计算显示屏存放装置。

8.根据权利要求1所述的用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置，其特征在于，所述土柱筒包括多节直径相同的土柱筒节单元，各土柱筒节单元之间通过固定架密封固定连接。

9.一种基于权利要求1～8中任一所述用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤，

a：在底座内放置一层人工砾石，在人工砾石上方放置透水板；将土柱筒与底座密封对接；将连接好底座的土柱筒安装在所述底座支架上，安装微震机构在底座底部；

b：往土柱筒分层填入粉细砂，并埋设压力传感器，填一部分粉细砂注入一部分去离子水，同时打开微震机构，进行排气处理；

c：粉细砂填充完毕后，关闭排水管上的阀门，向土柱筒内从上往下注入大量去离子水，进行饱和24h后打开排水管上的阀门放水，再转换方向从下往上饱和粉细砂，多次重复试验将粉细砂中气体和杂质全部去除，完成后盖上顶盖；

d：将水箱置于高处，关闭底部排水管阀门，将荧光剂作为指示剂投入水箱中；

e：将第一引流管与盖连接，打开第一引流管上的阀门，使污水进入土柱筒中，用第二引流管将溢流口与溢流水槽连接，打开水泵，将溢流水槽中流出的污水抽回水箱中回收利用；

f：打开智能计算显示屏，打开排水口阀门并安装流量表，定时记录显示屏上水头压力、渗透系数以及流量表读数，等带有荧光指示剂的污水完全驱替去离子水后，即可打开抽气泵接取各取样孔水样；

其中渗透系数可通过达西公式，利用渗透流量、压力水头得到：

式中：K为渗流系数；Q为渗透流量；A为土柱断面面积；J为水力梯度；H_i、H_j分别为第i、j取样孔水头压力；l为i、j取样孔之间渗流路径长度；

g：将接取的水样进行水质分析，得到结果后进行污染物粉细砂防护层厚度计算；若污染物满足：

式中：α_i为要求的去除率，C_i0为i种污染物初始浓度，C_iMi为i种污染物对应的深度为Mi的污染物深度；

则第i种污染物粉细砂防护层厚度为：

M_i＝H_i0-H_iMi，

式中，H_i0为土柱污水端入柱标高，H_iMi为土柱污水浓度达标端的标高；

若有多种污染物，则i＝1,2,……n，则满足所有污染物的防护层厚度为：

M＝Max(M_i),i＝1,2,……n。

10.根据权利要求9所述的用于确定污水防护层有效厚度的土柱试验装置的试验方法，其特征在于，

若介质不是粉细砂，而是其他介质，则其他介质的防护层厚度则依渗透系数之间的理论类比关系获得，即可表征为：

其中，

K_其他为其他介质的渗透系数，K_粉细砂为粉细砂的渗透系数。

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