CN113607619A - 一种渗水试验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渗水试验装置，包括储水桶和金属桶环，储水桶下部设置有出水口，出水口处设置有入水管，入水管延伸至金属桶环上方，入水管上设置有第一水阀和第一流量计；金属桶环设置在试坑内并压入土壤内5cm，金属桶环底部铺设有反滤层，金属桶环上部设置有溢水口，溢水口位于高出反滤层10cm处，溢水口处连接有出水管，出水管上设置有第二流量计，第二流量计设置在出水管靠金属桶环一侧。本发明还公开了该装置的使用方法，该装置能够简单、准确地计算出通过金属桶环底部渗入地下岩土的水量，试验过程容易控制，节约人力，试验效率高，适用范围广。

Description

一种渗水试验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及应用于测定岩石或土壤渗透系数的水文地质勘察领域，更具体地说，本发明涉及一种渗水试验装置及其使用方法。

背景技术

在野外水文地质勘察工程中，需要测定岩土的渗透系数，完成1个该试验需要较长的时间(通常4-8个小时)，且一个场地需要测定多处渗透系数。目前常用渗水试验来检测场地的渗透系数，渗水试验一般采用试坑渗水试验，该方法是野外测定包气带松散层和岩层渗透系数的简易方法。其试验方法通常是野外一定的地质边界内，挖一试坑，坑底离潜水位3-5m，在坑底嵌入铁环，试验时同时往铁环内注水，并保持环内的水柱保持在10cm的高度。当渗入的水量达到稳定时(即单位时间内注入水量保持稳定时)，再利用达西定律的原理求出野外松散岩层的渗透系数。

目前往环内注水的方式包括人工水瓢加水或马里奥特瓶，一个试验需要2-3人现场完成。其中人工水飘加水浪费人力，且由于需要通过称重计量加水重量或人工观察刻度线读取加水体积，反复操作之后容易造成较大的误差，且试验需要连续进行，人员身体容易疲劳；马里奥特瓶加水方式在测量渗透系数大的岩土时，下渗流量较大，马里奥特瓶内的水流尽后，不能及时补充，使得实验无法继续进行。

因此，需要一种节省人力，能够简单、方便，准确地计量注入环内水量的方法及其装置，从而实现2个人同时在场地内开展多个渗水试验，节约人力和提高试验效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种渗水试验装置及其使用方法，用于简单、准确地计量注入环内的水量，计算渗透系数，同时节约人力和提高试验效率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种渗水试验装置，包括储水桶和金属桶环，储水桶下部设置有出水口，出水口处设置有入水管，入水管延伸至金属桶环上方，入水管上设置有第一水阀和第一流量计；金属桶环设置在试坑内并压入土壤内5cm，金属桶环底部铺设有反滤层，金属桶环上部设置有溢水口，溢水口位于反滤层上方10cm处，溢水口处连接有出水管，出水管上设置有第二流量计，第二流量计设置在出水管靠金属桶环一侧。

作为本发明的一种改进，试验装置还包括接水桶，接水桶设置在出水管的出水端，出水管上设置有第二水阀。

作为本发明的一种改进，接水桶与试坑的距离为2-3m。

作为本发明的一种改进，第一流量计、第二流量计为小流量计量表，计量表的最小刻度为0.001L，计量表的测量精度为1％。

作为本发明的一种改进，试验装置还包括外储水桶和外金属桶环，外金属桶环同轴心地设置在金属桶环外侧，外金属桶环压入土壤内5cm，外金属桶环与金属桶环围成环状空间，外金属桶环上设置有外溢水口，外溢水口位于反滤层上方10cm处，外溢水口处连接有外出水管；外储水桶下部设置有外出水口，外出水口处连接有外入水管，外入水管延伸至环状空间上方，外入水管上设置有第三水阀。

作为本发明的一种改进，金属桶环的直径为35-75cm，试坑的直径为60-110cm，反滤层为中粗砂或细砾石，反滤层的厚度为3-5cm。

作为本发明的一种改进，外金属桶环为直径为50-90cm的铁质桶环。

作为本发明的一种改进，储水桶为轻质PE塑料水桶，所述金属桶环为铁质桶环。

本发明还公开了一种利用上述任一渗水试验装置的试验方法，包括以下试验步骤：

步骤S1，在试验场地内挖掘试坑；

步骤S2，将金属桶环压入土壤内5cm；

步骤S3，在试坑底部金属桶环内铺设反滤层；

步骤S4，在金属桶环上端接入水管，在金属桶环内高出反滤层10cm位置接出水管；

步骤S5,每5-10min读取第一流量计的读数X和第二流量计的读数X₁；

步骤S6，计算渗入土壤的水量X₂,X₂＝X-X₁；

步骤S7，重复步骤S5和S6，计算出不同的X₂，其中第1次计为X₂ ¹，第2次计为X₂ ²，第n次计为X₂ ⁿ；

步骤S8，当(X₂ ⁿ-X₂ ^n-1)/((X₂ ⁿ+X₂ ^n-1)/2)*100％≤10％时，步骤S5中的读取时间由每5-10min延长为每30min读取一次第一流量计的读数X和第二流量计读数X₁；

步骤S9，重复步骤S5和S6，重复4-8次之后，当(X₂ ⁿ-X₂ ^n-1)/((X₂ ⁿ+X₂ ^n-1)/2)*100％≤10％，停止向金属桶内加水，记录最后一次X₂ ⁿ的数值；

步骤S10，计算渗透系数K，K＝Q/F，其中Q为渗入量，单位为cm³/min，Q＝X₂ ⁿ/30min，F为金属桶环底部的横截面积，单位为cm²。

相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：

1.实现简单、准确地计算出通过金属桶环底部渗入地下岩土的水量；

2.试验过程容易控制，节约人力，可以实现与现有试验方法等同试验人员的情况下在场地内同时开展2-3个相同的试验，提高试验效率；

3.提供的方法及其装置可以简便地由单环渗水试验转换为双环渗水试验，增加适用范围。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明书详细阐述，部分地通过说明书中变得显而易见，或者通过实施实践而为本领域技术人员所理解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明试验装置的剖面结构示意图；

图2为本发明试验装置的单环渗水试验俯视图；

图3为本发明试验装置的双环注水试验俯视图；

图4为本发明实施例中双环注水装置的渗透环示意图；

其中，100、储水桶；200、接水桶；300、试坑；400、入水管；500、出水管；600、金属桶环；700、反滤层；401、第一流量计；402、第一水阀；501、第二流量计；502、第二水阀；1000、外储水桶；2000、外入水管；3000、外金属桶环；2001、第三水阀；3001、外出水管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，其所说明和解释的技术方案仅仅是本发明的一部分实施例，并不用于限定本发明。基于以下实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合附图1和附图2，本发明提供了一种渗水试验装置，包括储水桶100和金属桶环600，储水桶100下部设置有出水口，出水口处设置有入水管400，入水管400的出水口延伸至金属桶环600上方，入水管400上设置有第一水阀402和第一流量计401；金属桶环600设置在试坑300内并压入土壤内5cm，金属桶环600底部铺设有反滤层700，金属桶环600上部设置有溢水口，溢水口位于反滤层700上方10cm处，溢水口处连接有出水管500，出水管500上设置有第二流量计501，第二流量计501设置在出水管500靠金属桶环600一侧。

具体来说，储水桶100为供水桶，其容量可以为50L，也可以为多个20L的储水桶并联，具体可以根据交通和地下条件选择。入水管400连接至储水桶100，通过入水管400不断向金属桶环600内加水。出水管500的管口设置在高出反滤层700刚好10cm的金属桶环600内，当入水管400不断向金属桶环600内加水，而无法及时通过下部岩土渗透金属桶环600的水时，出水管500可以排出多余的水，使金属桶环600内的水保持在反滤层700以上10cm的高度。第一水阀402设置在出水管500管口，第一流量计401设置在第一水阀402和储水桶100之间，第一流量计可以记录注入金属桶环600的水量，第一水阀402可以调节注入流量的大小；第二流量计501设置在出水管500靠所述金属桶环600外部一侧，记录从金属桶环600经出水管500排出的水量。

在上述技术方案中，由于设置了第一流量计401和第二流量计501，可以准确的计算出通过金属桶环渗入岩土下部的水量，储水桶的水量充足，不需要人工不停地加水，当试验经过一段时间后，下部岩土渗入量逐渐减少，可以人工调节第一水阀402，降低注入金属桶环内的流量，通过设置的出水管500，相当于增加了一个调节金属环内水面高度的调节器，自动促使金属桶环内的水保持在反滤层以上10cm的高度，使试验过程变得容易控制，保障实验效果。通过节约出的人力，可以实现与现有试验方法等同试验人员的情况下在场地内再同时开展2-3个相同的试验，提高试验效率。

结合附图1和附图2，本发明还设置了接水桶200，用于收集出水管500排出的水，设置第二水阀502在第二流量计501与接水桶200之间。出水管500通过在岩土上挖出的一条浅沟连接至接水桶200，保持出水管500与接水桶200的水面标高低于出水管500在金属桶环600内的管口，使金属桶环600内的水能够顺利第通过出水管500排至接水桶200。

在上述技术方案中，由于设置了接水桶200，可以将金属桶环600内排出的水收集起来，然后再倒入储水桶100中，重复利用水，节约用水量，节省搬运水的人力。

结合附图1和附图2，接水桶(200)设置在距试坑300外2-3m的位置，用于避免因开挖容纳接水桶200的浅坑位于试坑300的毛细水带内。

结合附图1和附图2，第一流量计401、第二流量计501为小流量计量表，计量表的最小刻度为0.001L，计量表的测量精度为1％。

在上述技术方案中，由于第一流量计401和第二流量计501为小流量计量表，可以适应试验需要，准确、实时记录、显示累计水量和瞬时流量，其最小刻度为0.001L，测量精度为1％，相较于传统的人工刻度读取，精度和效率都得到明显提高，符合试验要求。

结合附图1至附图4，在本发明试验装置的一个实施例中，还包括外储水桶1000、外入水管2000、外金属桶环3000、第三水阀2001、外出水管3001，外金属桶环3000压入试坑300内5cm，外金属桶环3000与金属桶环600轴线重合，外入水管2000入水端连接外储水桶1000，外入水管2000出水端设置于外金属桶环3000与金属桶环600之间的环状空间内，外入水管2000出水端设置第三水阀2001，外出水管3001设置于外金属桶环3000于金属桶环600之间的环状空间内，外出水管3001管口设置在高出反滤层700刚好10cm的外储水桶1000内。

上述技术方案中，通过增加一个外金属桶环，本实施例即变为双环渗水试验装置，增加适用范围。在外金属桶环内设置的外出水管可以自动排出外金属桶环与金属桶环所形成的环型空间内高于反滤层10cm标高的水。减少试验装置的操作，节省人力。

结合附图1至附图4，金属桶环600的直径为35-75cm，试坑300的直径为60-110cm，反滤层700的滤料为中粗砂或细砾石。

结合附图1至附图4，外金属桶环3000的直径为50-90cm。

结合附图1至附图4，储水桶100为轻质PE塑料水桶，金属桶环600为铁质桶环。

上述技术方案中，储水桶的重量轻，方便在交通条件或场地地形不利的情况下人工搬运水桶。

一种利用上述渗水试验装置的试验方法，包括以下试验步骤：

步骤S1，在试验场地内挖掘试坑；

步骤S2，将金属桶环压入土壤内5cm；

步骤S3，在试坑底部金属桶环内铺设反滤层；

步骤S4，在金属桶上端接入水管，在金属桶环内高出反滤层10cm位置接出水管；

步骤S5,每5-10min读取入水管流量计X和出水管读数X₁；

步骤S6，计算渗入土壤的水量读数X₂,X₂＝X-X₁；

步骤S7，重复步骤S5和S6，计算出不同的X₂，其中第1次计为X₂ ¹，第2次计为X₂ ²，第第n次计为X₂ ⁿ；

步骤S8，当(X₂ ⁿ-X₂ ^n-1)/((X₂ ⁿ+X₂ ^n-1)/2)*100％≤10％时，步骤S5中的读取时间由每5-10min延长为每30min读取一次入水管流量计X和出水管读数X₁；

步骤S9，重复步骤S5和S6，重复4-8次之后，当(X₂ ⁿ-X₂ ^n-1)/((X₂ ⁿ+X₂ ^n-1)/2)*100％≤10％，停止向金属桶内加水，记录最后一次X₂ ⁿ的数值；

步骤S10，计算渗透系数K，k＝Q/F，其中Q为渗入量，单位为cm³/min，Q＝X₂ ⁿ/30min，F为金属桶环底部的横截面积，单位为cm²。

其中步骤S2，将金属桶环压入土壤内5cm的目的是金属环底端及环壁外侧与岩土密切接触，避免试验时金属环内的水不会沿金属环底端向外流渗，保证金属环内的的水只能向下渗透；步骤S3设置的反滤层用于防止注水时岩土遭受冲击；步骤S4，通过在金属桶上端接入水管，向金属桶环内注水，在金属桶环内高出反滤层10cm位置接出水管，用于在地下岩土渗透系数低或接近饱和时，排出金属桶环内多余的水，保持反滤层以上10cm的水位高度，即金属桶环底部承受的水压保持不变；步骤S5和S6可以实现简单、准确地计算出通过金属桶环底部渗入地下岩土的水量；步骤S7和S8用于岩土渗水速度降低后，延长读数的时间，且可以人工调节、降低入水管的注水流量X；步骤S9记录出最后一次X₂的数值，此时单位间内注入岩土内的水量保持稳定；步骤S10，通过记录的读数和公式，计算得时出渗透系数K。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“侧端”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内中。

Claims (9)

1.一种渗水试验装置，包括储水桶和金属桶环，其特征在于：

所述储水桶下部设置有出水口，所述出水口处设置有入水管，所述入水管延伸至所述金属桶环上方，所述入水管上设置有第一水阀和第一流量计；

所述金属桶环设置在试坑内并压入土壤内5cm，所述金属桶环底部铺设有反滤层，所述金属桶环上部设置有溢水口，所述溢水口位于所述反滤层上方10cm处，所述溢水口处连接有出水管，所述出水管上设置有第二流量计，所述第二流量计设置在所述出水管靠所述金属桶环一侧。

2.根据权利要求1所述的一种渗水试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括接水桶，所述接水桶设置在所述出水管的出水端，所述出水管上设置有第二水阀。

3.根据权利要求2所述的一种渗水试验装置，其特征在于，所述接水桶与所述试坑的距离为2-3m。

4.根据权利要求1所述的一种渗水试验装置，其特征在于，所述第一流量计、第二流量计为小流量计量表，所述计量表的最小刻度为0.001L，所述计量表的测量精度为1％。

5.根据权利要求1所述的一种渗水试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括外储水桶和外金属桶环，所述外金属桶环同轴心地设置在所述金属桶环外侧，所述外金属桶环压入土壤内5cm，所述外金属桶环与所述金属桶环围成环状空间，所述外金属桶环上设置有外溢水口，所述外溢水口位于所述反滤层上方10cm处，所述外溢水口处连接有外出水管；所述外储水桶下部设置有外出水口，所述外出水口处连接有外入水管，所述外入水管延伸至所述环状空间上方，所述外入水管上设置有第三水阀。

6.根据权利要求1所述的一种渗水试验装置，其特征在于，所述金属桶环的直径为35-75cm，所述试坑的直径为60-110cm，所述反滤层为中粗砂或细砾石，所述反滤层的厚度为3-5cm。

7.根据权利要求5所述的一种渗水试验装置，其特征在于，所述外金属桶环为直径为50-90cm的铁质桶环。

8.根据权利要求1所述的一种渗水试验装置，其特征在于，所述储水桶为轻质PE塑料水桶，所述金属桶环为铁质桶环。

9.根据权利要求1-8任一所述渗水试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下试验步骤：

步骤S1，在试验场地内挖掘试坑；

步骤S2，将金属桶环压入土壤内5cm；

步骤S3，在试坑底部金属桶环内铺设反滤层；

步骤S4，在金属桶环上端接入水管，在金属桶环内高出反滤层10cm位置接出水管；

步骤S5,每5-10min读取第一流量计的读数X和第二流量计的读数X₁；

步骤S6，计算渗入土壤的水量X₂,X₂＝X-X₁；

步骤S7，重复步骤S5和S6，计算出不同的X₂，其中第1次计为X₂ ¹，第2次计为X₂ ²，第n次计为X₂ ⁿ；

步骤S8，当(X₂ ⁿ-X₂ ^n-1)/((X₂ ⁿ+X₂ ^n-1)/2)*100％≤10％时，步骤S5中的读取时间由每5-10min延长为每30min读取一次第一流量计的读数X和第二流量计读数X₁；

步骤S9，重复步骤S5和S6，重复4-8次之后，当(X₂ ⁿ-X₂ ^n-1)/((X₂ ⁿ+X₂ ^n-1)/2)*100％≤10％，停止向金属桶内加水，记录最后一次X₂ ⁿ的数值；

步骤S10，计算渗透系数K，K＝Q/F，其中Q为渗入量，单位为cm³/min，Q＝X₂ ⁿ/30min，F为金属桶环底部的横截面积，单位为cm²。

Images