CN113252528A - 一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置 - Google Patents

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孙新坡
丁泽浩
毕钰璋
庹先国
伍浩良
傅贤雷
王安辉
郭毅
冯珍
陈柯言
张培雯
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Abstract

本发明公开了一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置，包括供气装置、测试装置和尾气处理装置，所述供气装置包括贮气瓶、空气压缩机，所诉贮气瓶连接有调节阀、压力表以及质量流量控制器，所述空气压缩机连接有调节阀、压力表以及玻璃转子流量计，所述贮气瓶、空气压缩机通过通气阀连接到空腔；所述测试装置包括柱形土样室、土壤湿度温度传感器、土体压强传感器以及数字电子压差传感器，本发明能够简单高效地测定气体在土体中的渗透系数，并且测定结果更加精确，能快速筛选土样渗透性能、保水性能改性材料，它可以通过测量气体流量、气体压差，土体内部温度变化以及含水量的变化，代入气体渗透系数的计算公式。

Description

一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置
技术领域:
本发明涉及环境岩土与非饱和土力学交叉技术领域，尤其设计一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置。
背景技术:
我国西南地区的矿场产业，对我国经济社会发展起着重要作用，但是近年来，因为矿山尾矿堆场、尾矿库的不合理运用，造成大量的环境污染，尤其是矿山污染场地中的有机挥发性气体VOCs，对人体、生态环境以及动植物造成严重伤害，因此矿山污染场地的土壤修复亟需跟进。竖向阻隔及水平阻隔系统是土壤修复技术中性价比较高的阻隔技术，这些阻隔系统在正常工作过程中，有相当一部分阻隔屏障位于地下水水位以上的非饱和土区域，水平阻隔屏障尤为明显，他们的保水、持水性能极大的影响水平阻隔的服役性能。
因此，应主要关注阻隔系统中土壤的渗透系数。如今已有相关关于土体气体渗透系数测量的试验装置，但存在土体气体渗透系数计算过程繁杂，不适用于工程的广泛运用的缺点，试验过程中无法实时监测土体含水量以及土体内温度变化，无法基于一次试验测定出土体的气体渗透系数，试验测得的渗透系数与真实情况存在一定误差。
发明内容：
本发明的目的是解决现有技术下渗透系数计算方法复杂，无法准确、实时监测土体含水量、土体内部温度的缺点，而提出的一种环境岩土领域的非饱和土渗透系数的测定装置。针对上述存在的问题提供一种测定气体在土体中渗透系数的简易装置及方法，能够简单高效地测定气体在土体中的渗透系数，并且测定结果更加精确，能快速筛选土样渗透性能、保水性能改性材料。它可以通过测量气体流量、气体压差，土体内部温度变化以及含水量的变化，代入气体渗透系数的计算公式。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置，包括供气装置、测试装置和尾气处理装置，所述供气装置包括贮气瓶、空气压缩机，所诉贮气瓶连接有调节阀、压力表以及质量流量控制器，所述空气压缩机连接有调节阀、压力表以及玻璃转子流量计，所述贮气瓶、空气压缩机通过通气阀连接到空腔；所述测试装置包括柱形土样室、土壤湿度温度传感器、土体压强传感器以及数字电子压差传感器，所述柱形土样室上、下端均利用多孔板与空腔相互连通，土样室内土样分两层填筑击实，所述土壤湿度温度传感器、土体压强传感器通过所述柱形土样室中土样之间的分层面及柱形土样室外表面预留孔洞插入填筑土样中，所述数字电子压差传感器连接到上方和下方的所述空腔，所述尾气处理装置包括尾气吸收塔，所述尾气吸收塔与调节阀和电子皂膜流量计相连，所述尾气吸收塔和空气压缩机通过双通转换头连接到空腔。
优选的，所述空腔与所述柱形土样室通过螺栓相连接。
优选的，所述柱形土样室中的土样放置于所述多孔板上，所述多孔板下方设置有柱形土样室的通气阀。
优选的，上部所述空腔与柱形土样室之间设置有密封圈。
优选的，所述柱形土样室和所述多孔板均以亚克力材料成型。
优选的，所述贮气瓶和所述空气压缩机通过聚四氟乙烯(铁氟龙) 材料制成的通气管与所述空腔经过所述通气阀相互连通。
优选的，所述尾气吸收塔通过聚四氟乙烯(铁氟龙)材料制成的通气管与所述空腔经过所述通气阀相互连通。
所述测量方法采用以上所述的渗透系数测定装置，测量方法包括以下步骤；
第一步：将仪器摆放在合适的位置，保证放置所在干净，温度湿度适宜，无振动，无阳光直射，保证试验环境处于恒湿状态，保证达到最佳操作性能，得到最佳测量结果；
第二步：仪器密封性能检查，仪器校准和功能必需检查；
第三步：将制作的不同含水量的土样分两层填筑并击实，当填筑完成第一层试样，将土壤温度湿度传感器和土体压强传感器放置在土样表层，接着填筑第二层土样至顶部，为保证密封性，在连接好后的孔洞处，用热熔胶密封，接着放置多孔板；
第四步：将上部空腔与柱形土样室通过密封圈和螺栓连接，并在上、下空腔通过预留孔洞连接数字电子压差传感器，为保证密封性，在连接好后的孔洞处，用热熔胶密封；
第五步：将柱形土样室顶端空腔连接空气压缩机，空气要清洁、干燥，将大气压通入上部空腔，调整土样顶部压力值至一个标准大气压值；
第六步：打开上、下空腔的通气阀，由供气装置向柱形土样室底部通入测试气体，测试气体在供气装置压力作用下透过柱形土样室内腔中的土样后，经顶部通气阀门输出至电子皂膜流量计，多余废弃尾气通入到尾气吸收塔；
第七步：通过质量流量控制器控制进气体积流量Q1，通过柱形电子皂膜流量计，测量流出气体体积流量Q2，通过柱形土样室测量截面处安装的气体压强传感器与土壤湿度温度传感器分别测量土样的气体压强与土样内部温度和含水量，通过连接在上下空腔的数字电子压差传感器测量土体两端的气体压差；
第八步：当测量截面测量点处的气体压强与含水量、土样上下两端压强差保持一段时间恒定，且|Q1-Q2|/Q1≤5％，则体系达到稳态，记录此时测量点气体压强与温度、含水量以及土样两端压差；
第九步：计算土体气体渗透系数：
根据达西定律，多孔介质的气体一维体积流量Q由下式得出：
Figure BDA0003001462260000041
其中，k：气体渗透系数，m/s；
ρ：在气压P和温度T下的气体密度，kg/m3；
g：重力加速度，9.8m/s2；
A：试样的横截面积，m2；
Figure BDA0003001462260000042
气体压力梯度。
若将气体视为理想气体，根据理想气体的连续性方程：
Figure BDA0003001462260000051
其中，ρ0：标准大气压P0和标准温度T0下的气体密度；
ρ：压力P和温度T下的气体密度。
通过(2)式可得：
Figure BDA0003001462260000052
联立(1)和(3)可得Q为：
Figure BDA0003001462260000053
则渗透系数k为：
Figure BDA0003001462260000054
本试验所用测试气体为惰性气体氮气。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的操作简单，当通过通入一定压力、质量浓度的测试气体，待测量点土体气体压强与含水量、土样上下两端压强差保持一段时间恒定，即可计算土样测量截面上的非饱和土体的气体渗透系数；气体渗透系数计算条件可视化，通过实时数据监测，能够得到土体气体渗透稳定点，且不必通过计算、观察土体气体渗透稳定点，数据更精准；
2、本发明的渗透系数计算方法简单，只需获得测量点的压强、温度以及土样两端压强差即可通过简单计算方法，获得测量点非饱和土体的气体渗透系数，避免通过复杂的解析解或者数值计算对测量结果进行拟合；该装置可以实时监测土样内部的温度和含水量变化，便于后期试验使用，避免了重复的含水率、温度测量试验，更为方便快捷；
3、本发明的可用于前期快速试验，该装置所需试样尺寸适中、操作方法以及计算方法简单，可以用于快速筛选土样渗透性能、保水性能的改性材料。
附图说明
图1为本发明提出的一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置的主视剖视结构示意图；
图2为本发明提出的一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置的多孔板截面示意图；
图3为本发明提出的一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置的供气装置示意图；
图4为本发明提出的一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置的通气阀示意图。
图中：0、多孔板；1、贮气瓶；2、调节阀；3、压力表；4、质量流量控制器；5、通气阀；6、空腔；7、土壤湿度温度传感器；8、土体压强传感器；9、数字电子压差传感器；10、柱形土样室；11、螺栓；12、双通转换头；13、玻璃转子流量计；14、空气压缩机；15、电子皂膜流量计；16、尾气吸收塔。
具体实施方式
实施例一
如图1-4所示，本实施例的一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置，包括供气装置、测试装置和尾气处理装置，供气装置包括贮气瓶1、空气压缩机14，所诉贮气瓶1连接有调节阀2、压力表3以及质量流量控制器4，空气压缩机14连接有调节阀2、压力表3以及玻璃转子流量计13，贮气瓶1、空气压缩机14通过通气阀5连接到空腔6；测试装置包括柱形土样室10、土壤湿度温度传感器7、土体压强传感器8以及数字电子压差传感器9，柱形土样室10 上、下端均利用多孔板0与空腔6相互连通，土样室内土样分两层填筑击实，土壤湿度温度传感器7、土体压强传感器8通过柱形土样室 10中土样之间的分层面及柱形土样室10外表面预留孔洞插入填筑土样中，数字电子压差传感器9连接到上方和下方的空腔6，尾气处理装置包括尾气吸收塔16，尾气吸收塔16与调节阀2和电子皂膜流量计15相连，尾气吸收塔16和空气压缩机14通过双通转换头12连接到空腔6。
本实施例中，空腔6与柱形土样室10通过螺栓11相连接。
本实施例中，柱形土样室10中的土样放置于多孔板0上，多孔板0下方设置有柱形土样室10的通气阀5。
本实施例中，上部空腔6与柱形土样室10之间设置有密封圈。
本实施例中，柱形土样室10和多孔板0均以亚克力材料成型。
本实施例中，贮气瓶1和空气压缩机14通过聚四氟乙烯(铁氟龙)材料制成的通气管与空腔6经过通气阀5相互连通。
本实施例中，尾气吸收塔16通过聚四氟乙烯(铁氟龙)材料制成的通气管与空腔6经过通气阀5相互连通。
所述测量方法采用以上所述的渗透系数测定装置，测量方法包括以下步骤；
第一步：将仪器摆放在合适的位置，保证放置所在干净，温度湿度适宜，无振动，无阳光直射，保证试验环境处于恒湿状态，保证达到最佳操作性能，得到最佳测量结果；
第二步：仪器密封性能检查，仪器校准和功能必需检查；
第三步：将制作的不同含水量的土样分两层填筑并击实，当填筑完成第一层试样，将土壤温度湿度传感器和土体压强传感器8放置在土样表层，接着填筑第二层土样至顶部，为保证密封性，在连接好后的孔洞处，用热熔胶密封，接着放置多孔板0；
第四步：将上部空腔6与柱形土样室10通过密封圈和螺栓11连接，并在上、下空腔6通过预留孔洞连接数字电子压差传感器9，为保证密封性，在连接好后的孔洞处，用热熔胶密封；
第五步：将柱形土样室10顶端空腔6连接空气压缩机14，空气要清洁、干燥，将大气压通入上部空腔6，调整土样顶部压力值至一个标准大气压值；
第六步：打开上、下空腔6的通气阀5，由供气装置向柱形土样室10底部通入测试气体，测试气体在供气装置压力作用下透过柱形土样室10内腔中的土样后，经顶部通气阀5输出至电子皂膜流量计 15，多余废弃尾气通入到尾气吸收塔16；
第七步：通过质量流量控制器4控制进气体积流量Q1，通过柱形电子皂膜流量计15，测量流出气体体积流量Q2，通过柱形土样室 10测量截面处安装的气体压强传感器与土壤湿度温度传感器7分别测量土样的气体压强与土样内部温度和含水量，通过连接在上下空腔 6的数字电子压差传感器9测量土体两端的气体压差；
第八步：当测量截面测量点处的气体压强与含水量、土样上下两端压强差保持一段时间恒定，且|Q1-Q2|/Q1≤5％，则体系达到稳态，记录此时测量点气体压强与温度、含水量以及土样两端压差；
第九步：计算土体气体渗透系数：
根据达西定律，多孔介质的气体一维体积流量Q由下式得出：
Figure BDA0003001462260000091
其中，k：气体渗透系数，m/s；
ρ：在气压P和温度T下的气体密度，kg/m3；
g：重力加速度，9.8m/s2；
A：试样的横截面积，m2；
Figure BDA0003001462260000092
气体压力梯度。
若将气体视为理想气体，根据理想气体的连续性方程：
Figure BDA0003001462260000093
其中，ρ0：标准大气压P0和标准温度T0下的气体密度；
ρ：压力P和温度T下的气体密度。
通过(2)式可得：
Figure BDA0003001462260000101
联立(1)和(3)可得Q为：
Figure BDA0003001462260000102
则渗透系数k为：
Figure BDA0003001462260000103
本试验所用测试气体为惰性气体氮气。
应理解上述实施仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。

Claims (7)

1.一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置，包括供气装置、测试装置和尾气处理装置，其特征在于，所述供气装置包括贮气瓶(1)、空气压缩机(14)，所诉贮气瓶(1)连接有调节阀(2)、压力表(3)以及质量流量控制器(4)，所述空气压缩机(14)连接有调节阀(2)、压力表(3)以及玻璃转子流量计(13)，所述贮气瓶(1)、空气压缩机(14)通过通气阀(5)连接到空腔(6)；所述测试装置包括柱形土样室(10)、土壤湿度温度传感器(7)、土体压强传感器(8)以及数字电子压差传感器(9)，所述柱形土样室(10)上、下端均利用多孔板(0)与空腔(6)相互连通，土样室内土样分两层填筑击实，所述土壤湿度温度传感器(7)、土体压强传感器(8)通过所述柱形土样室(10)中土样之间的分层面及柱形土样室(10)外表面预留孔洞插入填筑土样中，所述数字电子压差传感器(9)连接到上方和下方的所述空腔(6)，所述尾气处理装置包括尾气吸收塔(16)，所述尾气吸收塔(16)与调节阀(2)和电子皂膜流量计(15)相连，所述尾气吸收塔(16)和空气压缩机(14)通过双通转换头(12)连接到空腔(6)。
2.根据权利要求1所述的一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置，其特征在于，所述空腔(6)与所述柱形土样室(10)通过螺栓(11)相连接。
3.根据权利要求1所述的一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置，其特征在于，所述柱形土样室(10)中的土样放置于所述多孔板(0)上，所述多孔板(0)下方设置有柱形土样室(10)的通气阀(5)。
4.根据权利要求1所述的一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置，其特征在于，上部所述空腔(6)与柱形土样室(10)之间设置有密封圈。
5.根据权利要求1所述的一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置，其特征在于，所述柱形土样室(10)和所述多孔板(0)均以亚克力材料成型。
6.根据权利要求1所述的一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置，其特征在于，所述贮气瓶(1)和所述空气压缩机(14)通过聚四氟乙烯(铁氟龙)材料制成的通气管与所述空腔(6)经过所述通气阀(5)相互连通。
7.根据权利要求1所述的一种环境岩土领域的非饱和土体气体渗透系数测定装置，其特征在于，所述尾气吸收塔(16)通过聚四氟乙烯(铁氟龙)材料制成的通气管与所述空腔(6)经过所述通气阀(5)相互连通。
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