CN112858139B - 分级围压下无限体积注入的多联柔性壁渗透仪及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分级围压下无限体积注入的多联柔性壁渗透仪及试验方法，属于柔性壁渗透仪领域。所述多联柔性壁渗透仪包括供压系统、无限体积注入系统、分级围压可控温渗透系统、渗出液自动化监测与收集装置。无限体积注入系统包括多组相同的无限体积注入装置，分级围压可控温渗透系统包括多个相同的分级围压可控温渗透装置，可以同时进行多种设定温度、多种设定液体围压、多种设定注入压力下的渗透试验。即本发明实现了在不同围压状态下渗透系数的测定，弥补了现有柔性壁渗透仪功能上的不足，更加节省人力和时间。

Description

分级围压下无限体积注入的多联柔性壁渗透仪及试验方法

技术领域

本发明涉及柔性壁渗透仪领域，尤其涉及一种实现分级围压下无限体积注入的多联柔性壁渗透仪及试验方法。

背景技术

渗透系数在各项同性介质中，被定义为单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙的难易程度，渗透系数越大，透水性越强。在环境岩土领域，渗透系数是综合反映土体渗透能力的一个重要指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数，准确测量土的渗透系数是一项十分重要的工作。

渗透系数主要通过渗透试验进行测定。国内外常规的测定渗透系数的仪器包括刚性壁渗透仪和柔性壁渗透仪。刚性壁渗透仪在使用中适用于渗透性较好的土体，且侧壁与试样之间易形成过水通道，进而导致无法准确测量试样的渗透系数；而柔性壁渗透仪通过围压与反压之间的压差作用使橡皮薄膜挤压试样，从而可以有效避免侧漏现象，不仅适用于渗透性较好的土体，也适用于渗透性较低的粘土等土体。

中国发明专利文献《一种多功能自动化柔性壁渗透试验仪及其试验方法》(CN111337412A)中，在渗透仪外部设置一控制台，并于控制台内部设置可以控制两路液压装置工作的单片机控制系统，通过控制面板上调整参数，根据渗透量的自动计算实现对于渗透试验的自动化控制。但并未考虑试验过程中，在不中断试验的情况下渗透液的补充方式。

中国发明专利文献《实现两种溶液连续渗透的多联柔性壁渗透仪及使用方法》(CN110160928A)中，渗透仪与试样反压供液管之间设置渗入溶液存储器，在渗透仪与渗出液收集锥形瓶之间设置渗出液存储器，分别在渗入和渗出液存储器中设置橡胶膜，两种溶液的连续渗透过程，根据渗透量的自动计算实现对于渗透试验的自动化控制。但并未考虑试验过程中，在不中断试验的情况下渗透液的补充方式；当试样低渗透性时，通过读取供液管刻度获取渗透量的方式精度难以保证进而影响渗透系数的测量；多联柔性壁均处于同一围压下，无法实现分别在不同围压下进行独立的渗透试验；需要人工对渗出液的各项化学性质不同进行测量以对试验终止条件进行判断，无法进行自动化监测，耗费人力。

中国发明专利文献《多联柔性壁渗透仪》(CN107300522B)中设置加压泵对多个柔性壁渗透仪提供气压，保证气压一致。但并未考虑试验过程中以下问题：渗透液的类型、是否会对仪器造成腐蚀、和渗透液的注入以及补充方式、渗透量的获取方式等，且多联柔性壁均处于同一围压下，无法实现分别在不同围压下进行独立的渗透试验。

综上所述，由于渗透过程中土体材料和渗透液的不同，例如重金属或有机污染液作为污染液时，为准确测得渗透系数，可能存在较长的渗透时间及较多的渗透液以使渗透试验达到稳定，现有的柔性壁渗透仪存在无法在试验过程中实现无限渗透液进行渗透的需求，即不改变腔室围压、试样反压的情况下，有不断的渗透液以满足渗透试验的需求；此外，现有的柔性壁渗透仪设计较为笨重，一套柔性壁渗透仪需要多个仪器搭配，即进行一个试样的渗透试验需要多个仪器同时使用，且过程中需要人工对多个参数进行监测，以判断试验是否达到稳定，仪器操作较为复杂，人工强度高，工作量大，目前亟需一种实现分级围压下无限体积注入的多联柔性壁渗透仪。

发明内容

本发明的目的在于克服现有渗透仪的缺点，提供一种实现分级围压下无限体积注入的多联柔性壁渗透仪及试验方法，满足不同土体及渗透液试验过程中的渗透需求，实现多联单独控制，温度控制，实时参数检测，自动化程度高。

为实现以上目的，本发明提供了一种分级围压下无限体积注入的多联柔性壁渗透仪，包括供压系统、无限体积注入系统、分级围压可控温渗透系统、渗出液自动化监测与收集装置和数据记录仪；所述无限体积注入系统包括N组相同的无限体积注入装置，所述分级围压可控温渗透系统包括N个相同的分级围压可控温渗透装置，一组无限体积注入装置中的三通L型球阀通过输液管与一个分级围压可控温渗透装置中的渗透液输入通道相通；

所述供压系统包括空气压缩机、气体释压阀、气体稳压机、供液室、空气调节阀和数值压力表；所述空气压缩机通过管道依次与气体释压阀、气体稳压机、N组相同的无限体积注入装置的试样反压调节阀相通，气体稳压机通过管道依次与空气调节阀、数值压力表和供液室相通；所述供液室为封闭的装满水的空心腔室，供液室的下部通过输液管分别与分级围压可控温装置中的N个渗透室相通；

所述无限体积注入装置包括一个分流器、一个试样反压调节阀，一个试样反压数值压力表、两个结构相同的注入室，二个气体流通阀，一个回压气体控制阀、一个互通管、两个侧壁回压控制阀和一个三通L型球阀；

所述注入室由上半室、下半室和柔性橡胶膜组成，所述柔性橡胶膜放置在上半室、下半室之间，即柔性橡胶膜的边缘利用上半室和下半室对接夹住，并将注入室分成上下封闭的二个空间；在注入室的顶部开有排气孔，且在排气孔处装有一个可关闭/打开的堵头，在注入室下部空间中靠近柔性橡胶膜的侧壁上开有注液孔，且在注液孔处装有一个可关闭/打开的孔塞；互通管的两端分别与两个注入室的下部接通，且在互通管上装有两个侧壁回压控制阀；两个注入室的底部分别通过输液管与三通L型球阀接通，三通L型球阀的第三路通过输液管与分级围压可控温渗透装置中的渗透液输入通道相通；

所述分流器的输入端通过管道依次与试样反压数值压力表、试样反压调节阀相通，分流器的输出端分为三路，其中左右两路分别与两个注入室的顶部接通，且在左右两路与两个注入室顶部之间分别串联了一个气体流通阀，分流器的输出端中路穿过一个回压气体控制阀与两个侧壁回压控制阀之间的互通管相通；

所述分级围压可控温渗透装置由渗透室、试样包、可控温加热带组成；

所述试样包由一个试样、二块透水石、一个试样顶座、一个试样底座、两张滤纸、一片橡皮薄膜和两个止水橡胶圈组成，以试样底座为基准依次向上分别叠加为透水石、滤纸、试样、滤纸、透水石和试样顶座，然后将橡皮薄膜包裹在外，并用两个止水橡胶圈进行固定，形成一个试样包；在试样底座上开有贯通到透水石的底部排气通道和渗透液输入通道，在试样顶座上开有贯通到透水石的顶部排气通道和渗透液输出通道；

渗透室包括空心圆柱体的渗透室主体、渗透室顶板和渗透室底板，在渗透室顶板和渗透室底板上分别开有N个均匀分布的通孔，N条拉杆的两端穿过渗透室顶板和渗透室底板上相应的通孔并用螺母锁紧，即通过N条拉杆使渗透室主体、渗透室顶板、渗透室底板三者之间形成一个封闭的渗透室，试样包放在渗透室底部中心处；在渗透室主体的外部设置有可控温加热带，在渗透室的顶部开有围压调节孔，且在调节孔处装有一个可关闭/打开的堵头；

五段输液管穿过渗透室底板与渗透室相通，其中，第一段输液管与供液室相通，且从渗透室开始、在渗透室与供液室之间装有围压液体三通阀、围压液体压力表、围压液体调节阀和围压液体流量计；第二段输液管的一端与渗透液输出通道相通，另一端依次与渗透液输出通道开关、渗透液输出流量计、渗出液自动化监测与收集装置中的渗出液收集装置相通；第三段输液管的一端与渗透液输入通道相通，另一端依次与渗透液输入通道开关、渗透液输入流量计、三通L型球阀相通；第四段输液管的一端与顶部排气通道相通，另一端装有一个顶部排气通道开关；第五段输液管的一端与底部排气通道接通，另一端装有一个底部排气通道开关；

所述渗出液自动化监测与收集装置包括渗出液收集装置、电导率传感器、pH传感器、锥形瓶；其中，渗出液收集装置的一端与渗出液流量计相通，另一端与锥形瓶相通；所述电导率传感器和pH传感器放置在渗出液收集装置中，并通过导线将数据传送给数据记录仪。

优选地，所述渗透室顶板、渗透室底板与渗透室主体的接触处均装有密封圈。

优选地，所述加热带接有温度调节器，所述围压液体流量计、渗透液输入流量计、渗透液输出流量计、温度调节控制器分别与数据记录仪相连接。

本发明还提供了一种分级围压下无限体积注入的多联柔性壁渗透仪的试验方法，利用N组相同的无限体积注入装置和N个相同的分级围压可控温渗透装置的配套使用，同时进行N种设定温度下的渗透试验；

令设定温度为T_j，j＝1，2..N，对于每一种设定温度T_j利用一组无限体积注入装置和对应的一个分级围压可控温渗透装置进行渗透试验，并记为渗透试验G，渗透试验G的步骤如下：

步骤1，试验参数的设定和试验数据的记录

令设定液体围压为P_m、设定注入压力为P_i，m＝1，2...M，，i＝1，2...I，即在渗透试验G中，对每一种设定液体围压P_m、每一种设定注入压力P_i均进行一次渗透试验G；

在渗透试验G进行的过程中，数据记录仪通过围压液体流量计、渗透液输入流量计、渗透液输出流量计、电导率传感器、pH传感器获取实时数据，且每间隔1分钟自动记录一次；

步骤2，设置装置初始状态

步骤2.1，将气体释压阀、试样反压调节阀、气体流通阀、侧壁回压控制阀、回压气体控制阀、空气调节阀、围压液体调节阀调节至关闭状态，关闭渗透室的渗透液输出通道开关、渗透液输入通道开关、顶部排气通道开关和底部排气通道开关，在注入室的排气孔和渗透室顶板的围压调节孔上装上堵头，在注入室的注液孔处装上孔塞；

步骤2.2，向供液室中注满水，通过管道将供液室与试样围压空气数值压力表连接，通过输液管将供液室与围压液体流量计连接；

步骤2.3，将无限体积注入装置中的一个注入室记为A室，另一个注入室为记B室，此时，A室、B室内的柔性橡胶膜初始状态与注入室顶部接触，打开注液孔处孔塞，向A室和B室中注入渗透液，且注满后装上注液孔处孔塞，转动三通L型球阀使A室与渗透液输入通道连通；

所述渗透液为水、重金属溶液、有机污染液中的一种，当渗透液为重金属溶液或有机污染液时，提前测定渗透液的电导率和pH值，并分别记为初始电导率和初始pH值；

步骤3，安装试样

步骤3.1，拆除分级围压可控温渗透装置的N个拉杆，取下渗透室顶板，准备好所需测试的饱和试样；

步骤3.2，以试样底座为基准依次向上分别安装透水石、滤纸、试样、滤纸、透水石和试样顶座，然后将橡皮薄膜包裹在外，并用渗透室顶板两个止水橡胶圈进行固定，形成封闭的试样包；

步骤3.3，将试样包放在渗透室底板中心处，并用拉杆将渗透室顶板安装在渗透室主体上，形成封闭的渗透室；

步骤4，向渗透室内部注水

调节渗透室底部的围压液体三通阀，使渗透室和一个注水泵连通，取下渗透室顶板的围压调节孔上的堵头，启动注水泵，将水通过围压液体三通阀注入渗透室内部，当水位达到渗透室顶部时，在渗透室顶板的围压调节孔上装上堵头，关闭注水泵，调节渗透腔室底部的围压液体三通阀使渗透室通过输液管与供液室连通；

步骤5，施加初始围压

步骤5.1，打开空气压缩机，调节气体释压阀使气体流入气体稳压机，打开数据记录仪，通过温度调节控制器将可控温加热带的温度调整为设定温度为T_j；

步骤5.2，当渗透室的温度达到试验调节温度为T_j并稳定后，调节空气调节阀，气体由空气稳压机流入供液室并对供液室的水施加一个初始压力P_a，此时供液室的水经由围压液体流量计、围压液体调节阀、围压液体压力表、围压液体三通阀流入渗透室以施加初始围压P_b；

步骤6，排除试样中的气泡

步骤6.1，调节反压调节阀和A室的气体流通阀，气体由空气稳压机流入A室以施加初始注入压力P_c，P_c＜P_b；

步骤6.2，打开渗透液输入通道开关和渗透液输出通道开关，打开顶部排气通道开关和底部排气通道开关，由底部排气通道，顶部排气通道排除试样包中的可见气泡；

步骤6.3，排除气泡后，关闭底部排气通道开关和顶部排气通道开关；

步骤7，无限体积注入

首先调节围压液体调节阀，使围压稳定至设定液体围压P_m；调节试样反压调节阀，使反压稳定至设定注入压力P_i；

所述无限体积注入为通过A室、B室对渗透室循环进行渗透液注入，其中，一次循环的过程如下：

步骤7.1，当A室内渗透液耗尽时，柔性橡胶模与A室底部接触，打开B气体流通阀，关闭A室气体流通阀，转动三通L型球阀使B室与渗透液输入通道连通，继续渗透试验；

步骤7.2，取下A室排气孔上的堵头，调整A室侧壁回压控制阀和回压气体控制阀使气体由空气稳压机进入A室，施加压力使柔性橡胶模回弹至与A室顶部接触，调节A室侧壁回压控制阀和回压管道气体控制阀至0，安装A室排气孔上的堵头，打开A室注液孔处孔塞，向A室中注入渗透液，注满后关闭A室注液孔处孔塞；

步骤7.3，当B室中的渗透液耗尽时，转动三通L型球阀使A室经由渗透液输入流量计与渗透液输入通道连通，并按照步骤7.2的方法对B室中的渗透液进行补充；

步骤7.4，当满足无限体积注入终止条件时，终止无限体积注入，自动存储此时的实时渗透液输出流量Q，并进入步骤8；否则，返回步骤7.1，继续进行无限体积注入；

步骤8，检查I个设定注入压力P_i中是否还有未进行以上渗透试验G，若有，返回步骤7.1，进行下一种设定注入压力P_i的渗透试验G；否则，进入步骤9；

步骤9，检查M个设定液体围压P_m中是否还有未进行以上渗透试验G，若有，返回步骤7.1，进行下一个设定液体围压P_m的渗透试验G；否则，进入步骤10；

步骤10，计算渗透系数K

拆除试样，测量并记录试样的最终直径D与最终高度L；

调取数据记录仪中的试验数据，并计算渗透系数K，计算式如下：

其中，Δh为水头差，HW为标准大气压下水柱的高度，P_standard为1标准大气压。

优选地，所述无限体积注入终止条件按照以下方式确定：

设每间隔1小时进行一次数据比对，并将数据比对时得到的实时数据记为比对瞬间数据；

当渗透液为水时，无限体积注入终止条件为同时满足以下条件：

(1)连续4次数据比对时测得的比对瞬间渗透液输入流量与比对瞬间渗透液输出流量的比值位于0.75-1.25之间；

(2)最后连续4次数据比对时测得的比对瞬间渗透液输出流量位于平均流量值的0.75-1.25倍之间，所述的平均流量值为两次数据比对间隔中所记录的60个实时渗透液输出流量的平均数；

当渗透液为重金属溶液或有机污染液时，所述无限体积注入终止条件除满足上述规定外，还需同时满足以下条件：

(3)比对瞬间渗透液输出流量与比对瞬间渗透液输入流量之差大于或者等于试样孔隙体积的2倍；

(4)比对瞬间渗透液输出的电导率位于初始电导率的±10％之内；

(5)比对瞬间渗透液输出的pH值位于初始pH值的±10％之内。

本发明的柔性壁渗透仪在现有柔性壁渗透仪的基础上，对结构上的改进，进行了功能上的补充，在供压系统与渗透室之间增加了无限体积注入装置，且配有多台柔性壁渗透仪同时进行试验，并分别设置压力控制阀，多个传感器，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明渗透仪可以入渗和收集重金属、有机物等污染溶液，整个渗透过程中不会对仪器造成污染与腐蚀，延长了柔性壁渗透仪的使用寿命；

2)无限体积注入装置在每个注入室中，用防腐防渗的柔性橡胶膜将气体与污染液隔离，通过柔性橡胶膜的压缩进行压力的传递，无需担心在进行注入室转换的过程中压力会发生变化。

通过两个腔室的交替渗透，实现渗透液的无限注入，为渗透试验提供充足的渗透液，避免因渗透液不足对试验结果造成影响；

3)在每个渗透室中均设置有单独的压力控制阀及压力数值表，可以实现不同渗透室在不同的围压下进行渗透试验，渗透室外设置有可控温加热带，通过温度调节器进行温度控制，使试验在设计温度下恒温进行，通过连接至数据记录仪，实现对温度的实时监测；

4)在渗透室的渗入液管道和渗出液管道均设置有防腐蚀流量计，并连接至数据记录仪，可以对渗透试验过程中的渗入液与渗出液流量进行实时监测，在渗出液收集装置中设置有电导率传感器和酸碱度传感器，并连接至数据记录仪，可以对渗出液的化学状态进行实时监测；

5)渗透仪可以提供多组同时进行渗透试验，可以大量节省人力和时间。

附图说明

图1为本发明实施例多联柔性壁渗透仪总体结构示意图；

图2为本发明实施例中的无限体积注入装置结构示意图；

图3为本发明实施例中的分级围压可控温渗透装置结构示意图；

图4为图3中试样包与底板结构示意图；

图5为图3的俯视图；

图6为本发明实施例中的渗出液自动化监测与收集装置结构示意图。

附图标记：1-空气压缩机，2-气体释压阀，3-气体稳压机，4-试样反压调节阀，5-试样反压数值压力表，6-气体流通阀，7-排气孔，8-柔性橡胶膜，9-注入室，10-注液孔，11-侧壁回压控制阀，12-三通L型球阀，13-回压气体控制阀，14-空气调节阀，15-试样围压空气数值压力表，16-供液室，17-渗透室，18-可控温加热带，19-试样顶座，20-止水橡胶圈，21-滤纸，22-试样，23-试样底座，24-温度调节控制器，25-围压液体压力表，26-围压液体调节阀，27-拉杆，28-渗透室顶板，29-围压调节孔，30-橡皮薄膜，31-透水石，32-底部排气通道，33-顶部排气通道，34-渗透室主体，35-渗透室底板，36-渗透液输入通道，37-渗透液输出通道，38-围压液体三通阀，39-围压液体流量计、40-渗透液输入流量计、41-数据记录仪、42-电导率传感器、43-pH传感器、44-渗透液收集装置、45-锥形瓶、46-渗透液输出流量计；48-输液管；49-分流器；50-互通管；51-渗透液输出通道开关；52-渗透液输入通道开关；53-底部排气通道开关；54-顶部排气通道开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1为本发明实施例多联柔性壁渗透仪总体结构示意图，由图1可见，本发明分级围压下无限体积注入的多联柔性壁渗透仪，包括供压系统、无限体积注入系统、分级围压可控温渗透系统、渗出液自动化监测与收集装置和数据记录仪41。所述无限体积注入系统包括N组相同的无限体积注入装置，所述分级围压可控温渗透系统包括N个相同的分级围压可控温渗透装置，一组无限体积注入装置中的三通L型球阀12通过输液管48与一个分级围压可控温渗透装置中的渗透液输入通道36相通。

所述供压系统包括空气压缩机1、气体释压阀2、气体稳压机3、供液室16、空气调节阀14和数值压力表15。所述空气压缩机1通过管道依次与气体释压阀2、气体稳压机3、N组相同的无限体积注入装置的试样反压调节阀4相通，气体稳压机3通过管道依次与空气调节阀14、数值压力表15和供液室16相通。所述供液室16为封闭的装满水的空心腔室，供液室16的下部通过输液管48分别与分级围压可控温装置中的N个渗透室17相通。

图2为本发明实施例中的无限体积注入装置结构示意图，由该图可见，所述无限体积注入装置包括一个分流器49、一个试样反压调节阀4，一个试样反压数值压力表5、两个结构相同的注入室9，二个气体流通阀6，一个回压气体控制阀13、一个互通管50、两个侧壁回压控制阀11和一个三通L型球阀12。

所述注入室9由上半室、下半室和柔性橡胶膜8组成。所述柔性橡胶膜8放置在上半室、下半室之间，即柔性橡胶膜8的边缘利用上半室和下半室对接夹住，并将注入室9分成上下封闭的二个空间。在注入室9的顶部开有排气孔7，且在排气孔7处装有一个可关闭/打开的堵头，在注入室9下部空间中靠近柔性橡胶膜8的侧壁上开有注液孔10，且在注液孔10处装有一个可关闭/打开的孔塞。互通管50的两端分别与两个注入室9的下部接通，且在互通管50上装有两个侧壁回压控制阀11。两个注入室9的底部分别通过输液管48与三通L型球阀12接通，三通L型球阀12的第三路通过输液管48与分级围压可控温渗透装置中的渗透液输入通道36相通。

所述分流器49的输入端通过管道依次与试样反压数值压力表5、试样反压调节阀4相通，分流器49的输出端分为三路，其中左右两路分别与两个注入室9的顶部接通，且在左右两路与两个注入室9顶部之间分别串联了一个气体流通阀6，分流器49的输出端中路穿过一个回压气体控制阀13与两个侧壁回压控制阀11之间的互通管50相通。

图3为本发明实施例中的分级围压可控温渗透装置结构示意图，图4为图3中试样包与底板结构示意图，图5为图3的俯视图。由图3-图5可见，所述分级围压可控温渗透装置由渗透室17、试样包、可控温加热带18组成。

所述试样包由一个试样22、二块透水石31、一个试样顶座19、一个试样底座23、两张滤纸21、一片橡皮薄膜30和两个止水橡胶圈20组成。以试样底座23为基准依次向上分别叠加为透水石31、滤纸21、试样22、滤纸21、透水石31和试样顶座19，然后将橡皮薄膜30包裹在外，并用两个止水橡胶圈20进行固定，形成一个试样包。在试样底座50上开有贯通到透水石31的底部排气通道32和渗透液输入通道36，在试样顶座19上开有贯通到透水石31的顶部排气通道33和渗透液输出通道37。

渗透室17包括空心圆柱体的渗透室主体34、渗透室顶板28和渗透室底板35。在渗透室顶板28和渗透室底板35上分别开有N个均匀分布的通孔，N条拉杆27的两端穿过渗透室顶板28和渗透室底板35上相应的通孔并用螺母锁紧，即通过N条拉杆27使渗透室主体34、渗透室顶板38、渗透室底板35三者之间形成一个封闭的渗透室17，试样包放在渗透室17底部中心处。在渗透室主体34的外部设置有可控温加热带18，在渗透室17的顶部开有围压调节孔29，且在调节孔29处装有一个可关闭/打开的堵头。

五段输液管48穿过渗透室底板35与渗透室17相通，其中，第一段输液管48与供液室16相通，且从渗透室17开始、在渗透室17与供液室15之间装有围压液体三通阀38、围压液体压力表25、围压液体调节阀26和围压液体流量计39。第二段输液管48的一端与渗透液输出通道37相通，另一端依次与渗透液输出通道开关51、渗透液输出流量计46、渗出液自动化监测与收集装置中的渗出液收集装置44相通。第三段输液管48的一端与渗透液输入通道36相通，另一端依次与渗透液输入通道开关52、渗透液输入流量计40、三通L型球阀12相通。第四段输液管48的一端与顶部排气通道33相通，另一端装有一个顶部排气通道开关54。第五段输液管48的一端与底部排气通道32接通，另一端装有一个底部排气通道开关53；

图6为本发明实施例中的渗出液自动化监测与收集装置结构示意图。由图6可见，所述渗出液自动化监测与收集装置包括渗出液收集装置44、电导率传感器42、pH传感器43、锥形瓶45。其中，渗出液收集装置44的一端与渗出液流量计46相通，另一端与锥形瓶45相通；所述电导率传感器42和pH传感器43放置在渗出液收集装置44中，并通过导线将数据传送给数据记录仪41。

在本实施例中，所述渗透室顶板28、渗透室底板35与渗透室主体34的接触处均装有密封圈。

在本实施例中，所述加热带18接有温度调节器24，所述围压液体流量计39、渗透液输入流量计40、渗透液输出流量计46、温度调节控制器24分别与数据记录仪41相连接。

在本实施例中，N＝4，即拉杆27为4根。

本发明提供的分级围压下无限体积注入的多联柔性壁渗透仪的试验方法，利用N组相同的无限体积注入装置和N个相同的分级围压可控温渗透装置的配套使用，同时进行N种设定温度下的渗透试验。

令设定温度为T_j，j＝1，2..N，对于每一种设定温度T_j利用一组无限体积注入装置和对应的一个分级围压可控温渗透装置进行渗透试验，并记为渗透试验G，渗透试验G的步骤如下：

步骤1，试验参数的设定和试验数据的记录

令设定液体围压为P_m、设定注入压力为P_i，m＝1，2...M，，i＝1，2...I，即在渗透试验G中，对每一种设定液体围压P_m、每一种设定注入压力P_i均进行一次渗透试验G。

在渗透试验G进行的过程中，数据记录仪41通过围压液体流量计39、渗透液输入流量计40、渗透液输出流量计46、电导率传感器42、pH传感器43获取实时数据，且每间隔1分钟自动记录一次。

步骤2，设置装置初始状态

步骤2.1，将气体释压阀2、试样反压调节阀4、气体流通阀6、侧壁回压控制阀11、回压气体控制阀13、空气调节阀14、围压液体调节阀26调节至关闭状态，关闭渗透室17的渗透液输出通道开关51、渗透液输入通道开关52、顶部排气通道开关54和底部排气通道开关53，在注入室9的排气孔7和渗透室顶板28的围压调节孔29上装上堵头，在注入室9的注液孔10处装上孔塞。

步骤2.2，向供液室16中注满水，通过管道将供液室16与试样围压空气数值压力表15连接，通过输液管48将供液室16与围压液体流量计39连接。

步骤2.3，将无限体积注入装置中的一个注入室9记为A室，另一个注入室9记为B室，此时，A室、B室内的柔性橡胶膜8初始状态与注入室8顶部接触，打开注液孔10处孔塞，向A室和B室中注入渗透液，且注满后装上注液孔10处孔塞，转动三通L型球阀12使A室与渗透液输入通道36连通。

所述渗透液为水、重金属溶液、有机污染液中的一种，当渗透液为重金属溶液或有机污染液时，提前测定渗透液的电导率和pH值，并分别记为初始电导率和初始pH值。

步骤3，安装试样

步骤3.1，拆除分级围压可控温渗透装置的N个拉杆27，取下渗透室顶板28，准备好所需测试的饱和试样22。

步骤3.2，以试样底座23为基准依次向上分别安装透水石31、滤纸21、试样22、滤纸21、透水石31和试样顶座19，然后将橡皮薄膜30包裹在外，并用两个止水橡胶圈20进行固定，形成封闭的试样包。

步骤3.3，将试样包放在渗透室底板35中心处，并用拉杆27将渗透室顶28安装在渗透室主体34上，形成封闭的渗透室17。

步骤4，向渗透室17内部注水

调节渗透室17底部的围压液体三通阀38，使渗透室17和一个注水泵连通，取下渗透室顶板28的围压调节孔29上的堵头，启动注水泵，将水通过围压液体三通阀38注入渗透室17内部，当水位达到渗透室顶部时，在渗透室顶板28的围压调节孔29上装上堵头，关闭注水泵，调节渗透腔室17底部的围压液体三通阀38使渗透室17通过输液管48与供液室16连通；

步骤5，施加初始围压

步骤5.1，打开空气压缩机1，调节气体释压阀2使气体流入气体稳压机3，打开数据记录仪41，通过温度调节控制器24将可控温加热带18的温度调整为设定温度为T_j。

步骤5.2，当渗透室17的温度达到试验调节温度为T_j并稳定后，调节空气调节阀14，气体由空气稳压机3流入供液室16并对供液室16的水施加一个初始压力P_a，此时供液室16的水经由围压液体流量计39、围压液体调节阀26、围压液体压力表25、围压液体三通阀38流入渗透室17以施加初始围压P_b。

步骤6，排除试样22中的气泡

步骤6.1，调节反压调节阀4和A室的气体流通阀6，气体由空气稳压机3流入A室以施加初始注入压力P_c，P_c＜P_b。

步骤6.2，打开渗透液输入通道开关52和渗透液输出通道开关51，打开顶部排气通道开关54和底部排气通道开关53，由底部排气通道32，顶部排气通道33排除试样包中的可见气泡。

步骤6.3，排除气泡后，关闭底部排气通道开关53和顶部排气通道开关54。

步骤7，无限体积注入

首先调节围压液体调节阀26，使围压稳定至设定液体围压P_m；调节试样反压调节阀4，使反压稳定至设定注入压力P_i。

所述无限体积注入为通过A室、B室对渗透室17循环进行渗透液注入，其中，一次循环的过程如下：

步骤7.1，当A室内渗透液耗尽时，柔性橡胶模8与A室底部接触，打开B室气体流通阀6，关闭A室气体流通阀6，转动三通L型球阀12使B室与渗透液输入通道36连通，继续渗透试验。

步骤7.2，取下A室排气孔7上的堵头，调整A室侧壁回压控制阀11和回压气体控制阀13使气体由空气稳压机3进入A室，施加压力使柔性橡胶模8回弹至与A室顶部接触，调节A室侧壁回压控制阀11和回压管道气体控制阀13至0，安装A室排气孔7上的堵头，打开A室注液孔10处孔塞，向A室中注入渗透液，注满后关闭A室注液孔10处孔塞。

步骤7.3，当B室中的渗透液耗尽时，转动三通L型球阀12使A室经由渗透液输入流量计40与渗透液输入通道36连通，并按照步骤7.2的方法对B室中的渗透液进行补充。

步骤7.4，当满足无限体积注入终止条件时，终止无限体积注入，自动存储此时的实时渗透液输出流量Q，并进入步骤8；否则，返回步骤7.1，继续进行无限体积注入。

步骤8，检查I个设定注入压力P_i中是否还有未进行以上渗透试验G，若有，返回步骤7.1，进行下一种设定注入压力P_i的渗透试验G；否则，进入步骤9。

步骤9，检查M个设定液体围压P_m中是否还有未进行以上渗透试验G，若有，返回步骤7.1，进行下一个设定液体围压P_m的渗透试验G；否则，进入步骤10。

步骤10，计算渗透系数K

拆除试样22，测量并记录试样22的最终直径D与最终高度L；

调取数据记录仪中的试验数据，并计算渗透系数K，计算式如下：

其中，Δh为水头差，HW为标准大气压下水柱的高度，P_standard为1标准大气压。

在本实施例中，所述无限体积注入终止条件按照以下方式确定：

设每间隔1小时进行一次数据比对，并将数据比对时得到的实时数据记为比对瞬间数据；

当渗透液为水时，无限体积注入终止条件为同时满足以下条件：

(1)连续4次数据比对时测得的比对瞬间渗透液输入流量与比对瞬间渗透液输出流量的比值位于0.75-1.25之间；

(2)最后连续4次数据比对时测得的比对瞬间渗透液输出流量位于平均流量值的0.75-1.25倍之间，所述的平均流量值为两次数据比对间隔中所记录的60个实时渗透液输出流量的平均数；

当渗透液为重金属溶液或有机污染液时，所述无限体积注入终止条件除满足上述规定外，还需同时满足以下条件：

(3)比对瞬间渗透液输出流量与比对瞬间渗透液输入流量之差大于或者等于试样孔隙体积的2倍；

(4)比对瞬间渗透液输出的电导率位于初始电导率的±10％之内；

(5)比对瞬间渗透液输出的pH值位于初始pH值的±10％之内。

在本实施例中，j＝3，设定温度T_j为：20℃、40℃、60℃。

本实施例中，m＝3，设定液体围压P_m为：50kPa、55kPa、60kPa。

本实施例中，i＝3，设定注入压力P_i为：20kPa、25kPa、30kPa。

本实施例中，初始压力P_a为500kPa，初始围压P_b为10kPa，初始注入压力P_c为5kPa。

本发明对柔性壁渗透仪的的结构与功能进行了改进与补充，丰富了柔性壁渗透仪的适用范围，通过多联方式提高仪器利用效率，通过参数自动化实时监测降低了试验人员的工作强度。

Claims (2)

1.一种分级围压下无限体积注入的多联柔性壁渗透仪，其特征在于，包括供压系统、无限体积注入系统、分级围压可控温渗透系统、渗出液自动化监测与收集装置和数据记录仪（41）；所述无限体积注入系统包括N组相同的无限体积注入装置，所述分级围压可控温渗透系统包括N个相同的分级围压可控温渗透装置，一组无限体积注入装置中的三通L型球阀（12）通过输液管（48）与一个分级围压可控温渗透装置中的渗透液输入通道（36）相通；

所述供压系统包括空气压缩机（1）、气体释压阀（2）、气体稳压机（3）、供液室（16）、空气调节阀（14）和数值压力表（15）；所述空气压缩机（1）通过管道依次与气体释压阀（2）、气体稳压机（3）、N组相同的无限体积注入装置的试样反压调节阀（4）相通，气体稳压机（3）通过管道依次与空气调节阀（14）、数值压力表（15）和供液室（16）相通；所述供液室（16）为封闭的装满水的空心腔室，供液室（16）的下部通过输液管（48）分别与分级围压可控温装置中的N个渗透室（17）相通；

所述无限体积注入装置包括一个分流器（49）、一个试样反压调节阀（4），一个试样反压数值压力表（5）、两个结构相同的注入室（9），二个气体流通阀（6），一个回压气体控制阀（13）、一个互通管（50）、两个侧壁回压控制阀（11）和一个三通L型球阀（12）；

所述注入室（9）由上半室、下半室和柔性橡胶膜（8）组成，所述柔性橡胶膜（8）放置在上半室、下半室之间，即柔性橡胶膜（8）的边缘利用上半室和下半室对接夹住，并将注入室（9）分成上下封闭的二个空间；在注入室（9）的顶部开有排气孔（7），且在排气孔（7）处装有一个可关闭/打开的堵头，在注入室（9）下部空间中靠近柔性橡胶膜（8）的侧壁上开有注液孔（10），且在注液孔（10）处装有一个可关闭/打开的孔塞；互通管（50）的两端分别与两个注入室（9）的下部接通，且在互通管（50）上装有两个侧壁回压控制阀（11）；两个注入室（9）的底部分别通过输液管（48）与三通L型球阀（12）接通，三通L型球阀（12）的第三路通过输液管（48）与分级围压可控温渗透装置中的渗透液输入通道（36）相通；

所述分流器（49）的输入端通过管道依次与试样反压数值压力表（5）、试样反压调节阀（4）相通，分流器（49）的输出端分为三路，其中左右两路分别与两个注入室（9）的顶部接通，且在左右两路与两个注入室（9）顶部之间分别串联了一个气体流通阀（6），分流器（49）的输出端中路穿过一个回压气体控制阀（13）与两个侧壁回压控制阀（11）之间的互通管（50）相通；

所述分级围压可控温渗透装置由渗透室（17）、试样包、可控温加热带（18）组成；

所述试样包由一个试样（22）、二块透水石（31）、一个试样顶座（19）、一个试样底座（23）、两张滤纸（21）、一片橡皮薄膜（30）和两个止水橡胶圈（20）组成，以试样底座（23）为基准依次向上分别叠加为透水石（31）、滤纸（21）、试样（22）、滤纸（21）、透水石（31）和试样顶座（19），然后将橡皮薄膜（30）包裹在外，并用两个止水橡胶圈（20）进行固定，形成一个试样包；在试样底座（23）上开有贯通到透水石（31）的底部排气通道（32）和渗透液输入通道（36），在试样顶座（19）上开有贯通到透水石（31）的顶部排气通道（33）和渗透液输出通道（37）；

渗透室（17）包括空心圆柱体的渗透室主体（34）、渗透室顶板（28）和渗透室底板（35），在渗透室顶板（28）和渗透室底板（35）上分别开有N个均匀分布的通孔，N条拉杆（27）的两端穿过渗透室顶板（28）和渗透室底板（35）上相应的通孔并用螺母锁紧，即通过N条拉杆（27）使渗透室主体（34）、渗透室顶板（28）、渗透室底板（35）三者之间形成一个封闭的渗透室（17），试样包放在渗透室（17）底部中心处；在渗透室主体（34）的外部设置有可控温加热带（18），在渗透室（17）的顶部开有围压调节孔（29），且在调节孔（29）处装有一个可关闭/打开的堵头；

五段输液管（48）穿过渗透室底板（35）与渗透室（17）相通，其中，第一段输液管（48）与供液室（16）相通，且从渗透室（17）开始、在渗透室（17）与供液室（16）之间装有围压液体三通阀（38）、围压液体压力表（25）、围压液体调节阀（26）和围压液体流量计（39）；第二段输液管（48）的一端与渗透液输出通道（37）相通，另一端依次与渗透液输出通道开关（51）、渗透液输出流量计（46）、渗出液自动化监测与收集装置中的渗出液收集装置（44）相通；第三段输液管（48）的一端与渗透液输入通道（36）相通，另一端依次与渗透液输入通道开关（52）、渗透液输入流量计（40）、三通L型球阀（12）相通；第四段输液管（48）的一端与顶部排气通道（33）相通，另一端装有一个顶部排气通道开关（54）；第五段输液管（48）的一端与底部排气通道（32）接通，另一端装有一个底部排气通道开关（53）；

所述渗出液自动化监测与收集装置包括渗出液收集装置（44）、电导率传感器（42）、pH传感器（43）、锥形瓶（45）；其中，渗出液收集装置（44）的一端与渗透液输出流量计（46）相通，另一端与锥形瓶（45）相通；所述电导率传感器（42）和pH传感器（43）放置在渗出液收集装置（44）中，并通过导线将数据传送给数据记录仪（41）；

所述渗透室顶板（28）、渗透室底板（35）与渗透室主体（34）的接触处均装有密封圈；

所述加热带（18）接有温度调节控制器（24），所述围压液体流量计（39）、渗透液输入流量计（40）、渗透液输出流量计（46）、温度调节控制器（24）分别与数据记录仪（41）相连接。

2.根据权利要求1所述的分级围压下无限体积注入的多联柔性壁渗透仪的试验方法，其特征在于，利用N组相同的无限体积注入装置和N个相同的分级围压可控温渗透装置的配套使用，同时进行N种设定温度下的渗透试验；

令设定温度为T_j，j=1,2..N，对于每一种设定温度T_j利用一组无限体积注入装置和对应的一个分级围压可控温渗透装置进行渗透试验，并记为渗透试验G,渗透试验G的步骤如下：

步骤1，试验参数的设定和试验数据的记录

令设定液体围压为P_m、设定注入压力为P_i，m=1,2...M，i=1,2...I，即在渗透试验G中，对每一种设定液体围压P_m、每一种设定注入压力P_i均进行一次渗透试验G；

在渗透试验G进行的过程中，数据记录仪（41）通过围压液体流量计（39）、渗透液输入流量计（40）、渗透液输出流量计（46）、电导率传感器（42）、pH传感器（43）获取实时数据，且每间隔1分钟自动记录一次；

步骤2，设置装置初始状态

步骤2.1，将气体释压阀（2）、试样反压调节阀（4）、气体流通阀（6）、侧壁回压控制阀（11）、回压气体控制阀（13）、空气调节阀（14）、围压液体调节阀（26）调节至关闭状态，关闭渗透室（17）的渗透液输出通道开关（51）、渗透液输入通道开关（52）、顶部排气通道开关（54）和底部排气通道开关（53），在注入室（9）的排气孔（7）和渗透室顶板（28）的围压调节孔（29）上装上堵头，在注入室（9）的注液孔（10）处装上孔塞；

步骤2.2，向供液室（16）中注满水，通过管道将供液室（16）与试样围压空气数值压力表（15）连接，通过输液管（48）将供液室（16）与围压液体流量计（39）连接；

步骤2.3，将无限体积注入装置中的一个注入室（9）记为A室，另一个注入室（9）记为B室，此时，A室、B室内的柔性橡胶膜（8）初始状态与注入室（9）顶部接触，打开注液孔（10）处孔塞，向A室和B室中注入渗透液，且注满后装上注液孔（10）处孔塞，转动三通L型球阀（12）使A室与渗透液输入通道（36）连通；

所述渗透液为水、重金属溶液、有机污染液中的一种，当渗透液为重金属溶液或有机污染液时，提前测定渗透液的电导率和pH值，并分别记为初始电导率和初始pH值；

步骤3，安装试样

步骤3.1，拆除分级围压可控温渗透装置的N个拉杆（27），取下渗透室顶板（28），准备好所需测试的饱和试样（22）；

步骤3.2，以试样底座（23）为基准依次向上分别安装透水石（31）、滤纸（21）、试样（22）、滤纸（21）、透水石（31）和试样顶座（19），然后将橡皮薄膜（30）包裹在外，并用两个止水橡胶圈（20）进行固定，形成封闭的试样包；

步骤3.3，将试样包放在渗透室底板（35）中心处，并用拉杆（27）将渗透室顶板（28）安装在渗透室主体（34）上，形成封闭的渗透室（17）；

步骤4，向渗透室（17）内部注水

调节渗透室（17）底部的围压液体三通阀（38），使渗透室（17）和一个注水泵连通，取下渗透室顶板（28）的围压调节孔（29）上的堵头，启动注水泵，将水通过围压液体三通阀（38）注入渗透室（17）内部，当水位达到渗透室顶部时，在渗透室顶板（28）的围压调节孔（29）上装上堵头，关闭注水泵，调节渗透室（17）底部的围压液体三通阀（38）使渗透室（17）通过输液管（48）与供液室（16）连通；

步骤5，施加初始围压

步骤5.1，打开空气压缩机（1），调节气体释压阀（2）使气体流入气体稳压机（3），打开数据记录仪（41），通过温度调节控制器（24）将可控温加热带（18）的温度调整为设定温度为T_j；

步骤5.2，当渗透室（17）的温度达到试验调节温度为T_j并稳定后，调节空气调节阀（14），气体由空气稳压机（3）流入供液室（16）并对供液室（16）的水施加一个初始压力P_a，此时供液室（16）的水经由围压液体流量计（39）、围压液体调节阀（26）、围压液体压力表（25）、围压液体三通阀（38）流入渗透室（17）以施加初始围压P_b；

步骤6，排除试样（22）中的气泡

步骤6.1，调节反压调节阀（4）和A室的气体流通阀（6），气体由空气稳压机（3）流入A室以施加初始注入压力P_c，P_c<P_b；

步骤6.2，打开渗透液输入通道开关（52）和渗透液输出通道开关（51），打开顶部排气通道开关（54）和底部排气通道开关（53），由底部排气通道（32），顶部排气通道（33）排除试样包中的可见气泡；

步骤6.3，排除气泡后，关闭底部排气通道开关（53）和顶部排气通道开关（54）；

步骤7，无限体积注入

首先调节围压液体调节阀（26），使围压稳定至设定液体围压P_m；调节试样反压调节阀（4），使反压稳定至设定注入压力P_i；

所述无限体积注入为通过A室、B室对渗透室（17）循环进行渗透液注入,其中，一次循环的过程如下：

步骤7.1，当A室内渗透液耗尽时，柔性橡胶膜（8）与A室底部接触，打开B室气体流通阀（6），关闭A室气体流通阀（6），转动三通L型球阀（12）使B室与渗透液输入通道（36）连通，继续渗透试验；

步骤7.2，取下A室排气孔（7）上的堵头，调整A室侧壁回压控制阀（11）和回压气体控制阀（13）使气体由空气稳压机（3）进入A室，施加压力使柔性橡胶膜（8）回弹至与A室顶部接触，调节A室侧壁回压控制阀（11）和回压管道气体控制阀（13）至0，安装A室排气孔（7）上的堵头,打开A室注液孔（10）处孔塞，向A室中注入渗透液，注满后关闭A室注液孔（10）处孔塞；

步骤7.3，当B室中的渗透液耗尽时，转动三通L型球阀（12）使A室经由渗透液输入流量计（40）与渗透液输入通道（36）连通，并按照步骤7.2的方法对B室中的渗透液进行补充；

步骤7.4，当满足无限体积注入终止条件时，终止无限体积注入，自动存储此时的实时渗透液输出流量Q，并进入步骤8；否则，返回步骤7.1，继续进行无限体积注入；

步骤8，检查I个设定注入压力P_i中是否还有未进行以上渗透试验G，若有，返回步骤7.1，进行下一种设定注入压力P_i的渗透试验G；否则，进入步骤9；

步骤9，检查M个设定液体围压P_m中是否还有未进行以上渗透试验G，若有，返回步骤7.1，进行下一个设定液体围压P_m的渗透试验G；否则，进入步骤10；

步骤10，计算渗透系数K

拆除试样（22），测量并记录试样（22）的最终直径D与最终高度L；

调取数据记录仪（41）中的试验数据，并计算渗透系数K，计算式如下：

其中，Δh为水头差，/>，H_w为标准大气压下水柱的高度，P_standard为1标准大气压；

所述无限体积注入终止条件按照以下方式确定：

设每间隔1小时进行一次数据比对，并将数据比对时得到的实时数据记为比对瞬间数据；

当渗透液为水时，无限体积注入终止条件为同时满足以下条件：

(1)连续4次数据比对时测得的比对瞬间渗透液输入流量与比对瞬间渗透液输出流量的比值位于0.75-1.25之间；

(2)最后连续4次数据比对时测得的比对瞬间渗透液输出流量位于平均流量值的0.75-1.25倍之间，所述的平均流量值为两次数据比对间隔中所记录的60个实时渗透液输出流量的平均数；

当渗透液为重金属溶液或有机污染液时，所述无限体积注入终止条件除满足上述条件外，还需同时满足以下条件：

(3)比对瞬间渗透液输出流量与比对瞬间渗透液输入流量之差大于或者等于试样孔隙体积的2倍；

(4)比对瞬间渗透液输出的电导率位于初始电导率的±10%之内；

(5)比对瞬间渗透液输出的pH值位于初始pH值的±10%之内。