CN113218835A - 一种材料控渗装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种材料控渗装置及其使用方法，属于材料控渗技术领域。土柱试验装置包括上盖及方形分层透明填料箱，方形分层透明填料箱由上至下设置为六层，每层填料箱均可拆卸，且每层填料箱底板均为透水板，六层填料箱由上至下依次铺设保护层、砂垫层、减渗层、反滤层、透水石层及碎砾石块层；上盖密封盖装在最上一层填料箱的上端，上盖设有排气孔，最下一层填料箱侧壁设有排水口，排气孔上安装有控制阀，入水管两端分别与土柱试验装置的上盖以及恒压供水马氏瓶侧壁下部连通，恒压供水马氏瓶内上端安装注水口；恒压供水马氏瓶内壁设有电子水尺，电子水尺通过数据线与数据记录设备连接，数据记录设备通过数据线连接PC端和内置SD储存卡。本发明用于材料控渗。
Description
技术领域
本发明属于材料控渗技术领域，特别是一种材料控渗装置及其使用方法。
背景技术
工程减渗技术主要分为垂直减渗和水平减渗两种，目前国际上主要的水平减渗措施可以分为河道硬化处理减渗、复合土工膜减渗、粘土减渗、膨润土防水毯减渗和复合土料减渗五种。复合土料减渗是利用各种材料配制形成的砂土料减渗方式，例如三合土减渗、水泥潜入土减渗和固化剂土减渗等，主要依靠添加料性质和天然的砂石土料组合搭配构建河床生态减渗层。材料的性能主要受添加料性质的影响，需要比较严格的试验配比流程，对材料组合形式、配比方案、整体结构进行控制，这种方式以当地砂土料为主要材料，通常优点是具备良好的生态效果，成本不高，可以通过调节配合比控制减渗效果。但缺点是需要对区域材料进行较完整的测试研究，具体材料配比试验较为繁琐，施工建设时工艺控制较严格。
根据对目前材料控渗装置的应用研究，发现很多问题，这些问题阻碍了材料控渗装置的发展，尤其限制了材料控渗装置在现实中的应用。大概为以下几个方面：
(1)目前国内外关于复合土减渗的研究主要集中在减渗性能上，针对材料减渗装置的研究较少；
(2)针对土柱试验结构方面，传统的土柱试验装置使用圆筒土柱结构，不易搬运、填料、换料，具有很大的约束性；
(3)针对数据收集与处理方面，传统的减渗装置没有智能自动数据记录设备，无法自动收集数据并保存，耗费人力物力。
目前，该些问题影响了材料控渗装置的使用和推广，是实际工程需要不断探索解决的重点。在材料控渗装置设计过程中必须分析实际情况，合理考虑影响因素，避免限制因素对工程使用造成不利影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种材料控渗装置及其使用方法，针对市场上各种复合土材料分析其土壤特性，将材料模拟为河床底质，进行结构功能重构，解决河床受水流冲刷严重、水土流失严重的问题以及传统的土柱试验装置使用圆筒土柱结构，不易搬运、填料、换料的问题。
本发明为实现上述目的，采取的技术方案如下：
一种材料控渗装置，包括土柱试验装置、入水管、恒压供水马氏瓶、注水口、电子水尺及数据记录设备；
所述土柱试验装置包括上盖及方形分层透明填料箱，所述方形分层透明填料箱由上至下设置为六层，每层填料箱均可拆卸，且每层填料箱底板均为透水板，六层填料箱由上至下依次铺设保护层、砂垫层、减渗层、反滤层、透水石层及碎砾石块层；所述上盖密封盖装在最上一层填料箱的上端，上盖设有排气孔，最下一层填料箱侧壁设有排水口，所述排气孔上安装有控制阀，所述入水管两端分别与土柱试验装置的上盖以及恒压供水马氏瓶侧壁下部连通，所述恒压供水马氏瓶内上端安装注水口；恒压供水马氏瓶内壁设有电子水尺，所述电子水尺通过数据线与数据记录设备连接，所述数据记录设备通过数据线连接PC端和内置SD储存卡。
一种材料控渗装置的使用方法，所述方法步骤如下：
步骤一；通过注水口向恒压供水马氏瓶中加水至恒压供水马氏瓶高度的2/3位置处；
步骤二；在六层填料箱内添加各层填料；
步骤三；将入水管的两端连接恒压供水马氏瓶位于侧壁下部的出水口和土柱试验装置位于上盖的入水口，通过数据线连接电子水尺和数据记录设备；
步骤四；打开安装在入水管上的供水阀门和安装在土柱试验装置的排气孔处的控制阀，让恒压供水马氏瓶内的水流向土柱试验装置的填料箱，直至充满土柱试验装置的最上一层填料箱的上方空间，当水溢出排气孔时关闭排气孔和供水阀门，开启数据记录设备，进行试验；
步骤五；每隔8h观测记录一次土柱试验装置湿润锋运移进入减渗层的距离，同时利用电子温度计记录水文数据，数据记录设备自动记录恒压供水马氏瓶水位变化，设置每隔1min输出一次数据；
步骤六；持续试验，记录浸润峰首次达到减渗层底部的时间，当恒压供水马氏瓶水位变化幅度无明显差异和波动时，铺设在土柱试验装置内的每层填料进入稳定入渗阶段，此时数据为稳定入渗数据。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1、减渗层采用新型复合土。复合土能更好的封闭土壤孔隙，减渗效果更好。当复合土遇水时，快速吸水，形成的胶体颗粒团结构会有效填充阻隔土壤中渗流作用的有效空隙，使得土壤结构的孔隙大量减少，土壤中水分子运移通道被堵塞，同时复合土膨胀使得整个土壤结构内部的围压力提高，整个土层结构迅速变得密实，从而有效降低渗透系数。复合土会使得土壤的容重和密实度减少，从而增加土壤孔隙从而使土壤渗透能力增加。并且复合土的接触面更容易形成水分优先运移通道。复合土具备良好的减渗性能，使渗流过程趋向于水平方向的侧向渗流，减渗效率随水位提高而有所减小，这种减渗布设方案具备良好的减渗性能，有利于河流两侧自然环境的水量需求和泄洪排涝，具备一定的生态效益。
2、土柱试验装置外形采用正方体形状，并采用分层结构易于填料、换料，相比于圆筒填料更方便更换复合土材料，使操作更简单方便。
3、使用该材料控渗装置对河床底质进行结构功能重构减渗措施后，可节约区域水资源，加强河床抗冲刷侵蚀能力，减少河床侵蚀、水土流失、生态系统退化的状况发生，在满足生态减渗需求的同时又不完全阻渗隔渗，保留一定生态水量补给和地下水补给能力，为生态环境带来一定好处。
4、本发明的土柱试验装置的填料箱为方形分层透明填料箱，填料箱底板为透水板，在不影响渗透效率的同时具有很强的支撑作用，既方便搬运，又方便填料、换料，同时还可以减缓水流渗透效率，有效减少渗透量，节约水资源，减少河床侵蚀、水土流失、生态系统退化的状况发生。
5、本发明的材料控渗装置安装了电子水尺和数据记录设备，电子水尺可以将渗透速率等数据自动导入至数据记录设备中并记录保存，数据记录设备能将设备中记录的数据传输至PC端(电脑端)和内置SD储存卡(手机端)，随时随地获取数据，方便快捷，实用性强。
附图说明
图1是本发明的一种材料控渗装置的整体结构示意图；
图2是填料分层结构示意图。
上述图中涉及的部件名称及标号如下：
土柱试验装置1、保护层101、砂垫层102、减渗层103、反滤层104、透水石层105、碎砾石块层106、排气孔2、水压表3、入水管4、排水口5、恒压供水马氏瓶6、升降台7、注水口8、电子水尺9、数据记录设备10、PC端11。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1、图2所示，本实施方式披露了一种材料控渗装置，包括土柱试验装置1、入水管4、恒压供水马氏瓶6、注水口8、电子水尺9及数据记录设备10；
所述土柱试验装置1包括上盖及方形分层透明填料箱，所述方形分层透明填料箱由上至下设置为六层，每层填料箱均可拆卸，且每层填料箱底板均为透水板，六层填料箱由上至下依次铺设保护层101、砂垫层102、减渗层103、反滤层104、透水石层105及碎砾石块层106；所述上盖密封盖装在最上一层填料箱的上端，上盖设有排气孔2，最下一层填料箱侧壁设有排水口5(用于将土柱试验装置1内的水排出，所述排水口5与最下一层填料箱底部的透水板的透水孔相通)，所述排气孔2上安装有控制阀(排气孔2通过控制阀控制启闭，起到平衡土柱试验装置1内外水压的作用。控制阀优选为球阀)，所述入水管4两端分别与土柱试验装置1的上盖以及恒压供水马氏瓶6侧壁下部连通(入水管4为一软管，软管一端连接恒压供水马氏瓶6下方的出水口，另一端连接土柱试验装置1上盖的入水口)，所述恒压供水马氏瓶6内上端安装注水口8(通过注水口8向恒压供水马氏瓶6注水。恒压供水马氏瓶6可为土柱试验装置1提供恒压水头)；恒压供水马氏瓶6内壁设有电子水尺9，所述电子水尺9通过数据线与数据记录设备10连接(通过数据记录设备10随时监测记录恒压供水马氏瓶6内水位的变化)，所述数据记录设备10通过数据线连接PC端11(记录并保存数据)和内置SD储存卡(数据记录设备10可自动采集并记录水位数据(精度达0.1mm)，将数据以Excel表格的方式输送至PC端11和内置SD储存卡，数据输出频率可以根据需求调整)。
具体实施方式二：如图1、图2所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述保护层101由砂砾铺设而成；所述砂垫层102由粗砂(粒径为0.5mm～1mm，粒径指直径)铺设而成(轻微平整压实)；所述反滤层104由细砂(粒径为0.075mm～0.25mm)铺设而成；所述透水石层105由透水石铺设而成，所述透水石(直径为20cm)用无纺布沿侧面包裹3-5层(并微调平整度)；所述碎砾石块层106由碎砾石块(粒径为1.2-2.8cm)铺设而成。
具体实施方式三：如图1、图2所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步说明，所述减渗层103由15％掺量的Na基膨润土+0.25％椰壳掺量纤维(长度2cm)+84.75％试验区的普通土混合后铺设而成(掺入膨润土和植物纤维形成的复合土具备良好的减渗性能，还可以提高土壤的无侧限抗压强度，有利于河流两侧自然环境的水量需求和泄洪排涝，具备一定的生态效益)。
具体实施方式四：如图1、图2所示，本实施方式是对具体实施方式三作出的进一步说明，所述保护层101的铺设厚度为10cm；所述砂垫层102的铺设厚度为6cm，所述减渗层103的铺设厚度为15cm(分三层压实铺设减渗层，铺设干密度为1.6g/cm3，每次铺设等量混合土，铺设后用轻型击实仪沿圆周方向向内反复击实平整，控制每层厚度为5cm)；所述反滤层104的铺设厚度为5cm(平整压实)；所述碎砾石块层106的铺设厚度为30cm。
具体实施方式五：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述土柱试验装置1的上盖安装有水压表3。水压表3可监测指土柱试验装置1内的水压状况。如水压过高，开启排气孔2平衡水压。
具体实施方式六：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述恒压供水马氏瓶6放置在升降台7上(通过调节升降台7的高度调整土柱试验装置1的供水水位)。
具体实施方式七：如图1、图2所示，本实施方式披露了具体实施方式一至六中任一具体实施方式所述的材料控渗装置的使用方法，所述方法步骤如下：
步骤一；通过注水口8向恒压供水马氏瓶6中加水至恒压供水马氏瓶6高度的2/3位置处；
步骤二；在六层填料箱内添加各层填料；
步骤三；将入水管4的两端连接恒压供水马氏瓶6位于侧壁下部的出水口和土柱试验装置1位于上盖的入水口，通过数据线连接电子水尺9和数据记录设备10；
步骤四；打开安装在入水管4上的供水阀门和安装在土柱试验装置1的排气孔2处的控制阀，让恒压供水马氏瓶6内的水流向土柱试验装置1的填料箱，直至充满土柱试验装置1的最上一层填料箱的上方空间，当水溢出排气孔2时关闭排气孔和供水阀门，开启数据记录设备10，进行试验；
步骤五；每隔8h观测记录一次土柱试验装置1湿润锋运移进入减渗层103的距离，同时利用电子温度计记录水文数据，数据记录设备10自动记录恒压供水马氏瓶6水位变化，设置每隔1min输出一次数据；
步骤六；持续试验，记录浸润峰首次达到减渗层103底部的时间，当恒压供水马氏瓶6水位变化幅度无明显差异和波动时，铺设在土柱试验装置1内的每层填料进入稳定入渗阶段，此时数据为稳定入渗数据。
具体实施方式八：如图1、图2所示，本实施方式是对具体实施方式七作出的进一步说明，步骤二具体为：
六层填料箱由上至下依次铺设保护层101、砂垫层102、减渗层103、反滤层104、透水石层105及碎砾石块层106；
所述碎砾石块层106由粒径1.2-2.8cm的碎砾石块，平整铺设厚度30cm构成；
所述透水石层105由用无纺布将直径为20cm的透水石沿侧面包裹3～5层并平整铺设构成；
所述反滤层10由细砂平整压实铺设厚度5cm构成；
所述减渗层10由混合土压实铺设构成；所述混合土分三层压实铺设，铺设干密度为1.6g/cm3，每次铺设等量混合土，铺设后(用轻型击实仪沿圆周方向向内反复)击实平整，控制每层厚度为5cm；
所述砂垫层102由粗砂轻微平整压实铺设厚度6cm构成，
所述保护层101由砂砾铺设厚度10cm构成(铺设过程中严格控制每层厚度和平整程度，确保每层结构均匀完整)，填料填充铺设完毕后(使用有机焊条或强力胶)封上上盖(晾干2天，确保密封效果良好)。
具体实施方式九：结合图1、图2说明，本实施方式是对具体实施方式八作出的进一步说明，所述减渗层103由15％掺量的Na基膨润土+0.25％椰壳掺量纤维(长度2cm)+84.75％试验区的普通土混合后铺设而成(掺入膨润土和植物纤维形成的复合土具备良好的减渗性能，还可以提高土壤的无侧限抗压强度，有利于河流两侧自然环境的水量需求和泄洪排涝，具备一定的生态效益)。
以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围，并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种材料控渗装置，其特征在于：包括土柱试验装置(1)、入水管(4)、恒压供水马氏瓶(6)、注水口(8)、电子水尺(9)及数据记录设备(10)；
所述土柱试验装置(1)包括上盖及方形分层透明填料箱，所述方形分层透明填料箱由上至下设置为六层，每层填料箱均可拆卸，且每层填料箱底板均为透水板，六层填料箱由上至下依次铺设保护层(101)、砂垫层(102)、减渗层(103)、反滤层(104)、透水石层(105)及碎砾石块层(106)；所述上盖密封盖装在最上一层填料箱的上端，上盖设有排气孔(2)，最下一层填料箱侧壁设有排水口(5)，所述排气孔(2)上安装有控制阀，所述入水管(4)两端分别与土柱试验装置(1)的上盖以及恒压供水马氏瓶(6)侧壁下部连通，所述恒压供水马氏瓶(6)内上端安装注水口(8)；恒压供水马氏瓶(6)内壁设有电子水尺(9)，所述电子水尺(9)通过数据线与数据记录设备(10)连接，所述数据记录设备(10)通过数据线连接PC端(11)和内置SD储存卡。
2.根据权利要求1所述的一种材料控渗装置，其特征在于：所述保护层(101)由砂砾铺设而成；所述砂垫层(102)由粗砂铺设而成；所述反滤层(104)由细砂铺设而成；所述透水石层(105)由透水石铺设而成，所述透水石用无纺布沿侧面包裹3-5层；所述碎砾石块层(106)由碎砾石块铺设而成。
3.根据权利要求2所述的一种材料控渗装置，其特征在于：所述减渗层(103)由15％掺量的Na基膨润土+0.25％椰壳掺量纤维+84.75％试验区的普通土混合后铺设而成。
4.根据权利要求3所述的一种材料控渗装置，其特征在于：所述保护层(101)的铺设厚度为10cm；所述砂垫层(102)的铺设厚度为6cm，所述减渗层(103)的铺设厚度为15cm；所述反滤层(104)的铺设厚度为5cm；所述碎砾石块层(106)的铺设厚度为30cm。
5.根据权利要求1所述的一种材料控渗装置，其特征在于：所述土柱试验装置(1)的上盖安装有水压表(3)。
6.根据权利要求1所述的一种材料控渗装置，其特征在于：所述恒压供水马氏瓶(6)放置在升降台(7)上。
7.一种权利要求1-6中任一权利要求所述的材料控渗装置的使用方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
步骤一；通过注水口(8)向恒压供水马氏瓶(6)中加水至恒压供水马氏瓶(6)高度的2/3位置处；
步骤二；在六层填料箱内添加各层填料；
步骤三；将入水管(4)的两端连接恒压供水马氏瓶(6)位于侧壁下部的出水口和土柱试验装置(1)位于上盖的入水口，通过数据线连接电子水尺(9)和数据记录设备(10)；
步骤四；打开安装在入水管(4)上的供水阀门和安装在土柱试验装置(1)的排气孔(2)处的控制阀，让恒压供水马氏瓶(6)内的水流向土柱试验装置(1)的填料箱，直至充满土柱试验装置(1)的最上一层填料箱的上方空间，当水溢出排气孔(2)时关闭排气孔和供水阀门，开启数据记录设备(10)，进行试验；
步骤五；每隔8h观测记录一次土柱试验装置(1)湿润锋运移进入减渗层(103)的距离，同时利用电子温度计记录水文数据，数据记录设备(10)自动记录恒压供水马氏瓶(6)水位变化，设置每隔1min输出一次数据；
步骤六；持续试验，记录浸润峰首次达到减渗层(103)底部的时间，当恒压供水马氏瓶(6)水位变化幅度无明显差异和波动时，铺设在土柱试验装置(1)内的每层填料进入稳定入渗阶段，此时数据为稳定入渗数据。
8.根据权利要求7所述的材料控渗装置的使用方法，其特征在于：步骤二具体为：六层填料箱由上至下依次铺设保护层(101)、砂垫层(102)、减渗层(103)、反滤层(104)、透水石层(105)及碎砾石块层(106)；
所述碎砾石块层(106)由粒径1.2-2.8cm的碎砾石块，平整铺设厚度30cm构成；
所述透水石层(105)由用无纺布将直径为20cm的透水石沿侧面包裹3～5层并平整铺设构成；
所述反滤层(10)由细砂平整压实铺设厚度5cm构成；
所述减渗层(10)由混合土压实铺设构成；所述混合土分三层压实铺设，铺设干密度为1.6g/cm3，每次铺设等量混合土，铺设后击实平整，控制每层厚度为5cm；
所述砂垫层(102)由粗砂轻微平整压实铺设厚度6cm构成，
所述保护层(101)由砂砾铺设厚度10cm构成，填料填充铺设完毕后封上上盖。
9.根据权利要求8所述的材料控渗装置的使用方法，其特征在于：所述减渗层(103)由15％掺量的Na基膨润土+0.25％椰壳掺量纤维+84.75％试验区的普通土混合后铺设而成。
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