CN114923827B - 一种简易渗透仪及渗透系数测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简易渗透仪及渗透系数测定方法，包括波纹伸缩套筒，试样筒，基座；将试样筒安置在基座上，在试样筒上加装波纹伸缩套筒，在试样筒内填筑试样，对试样进行饱和，通过注水孔对钢套筒与橡胶膜之间的腔体注水，待饱和试样表面微微有水排出后，停止注水，关闭注水孔；向波纹伸缩套筒内注水，调整波纹套筒高度，待渗流稳定后，观测波纹套筒内水位高度，测量出流孔流量，测出粗粒土的渗透系数，于传统粗粒土试验装置相比，本发明装置可避免钢套筒边壁绕流的影响，且构造简单，使用方便，减少设备的占用的空间，可准确快速的测定粗粒土的渗透系数。

Description

一种简易渗透仪及渗透系数测定方法

技术领域

本发明属于渗透装置技术领域，具体涉及一种简易渗透仪；还涉及利用该渗透装置测定渗透系数的方法。

背景技术

土中孔隙相互连通时可形成透水通道，虽然这些通道很不规则，且往往很狭窄，但水可以靠重力沿着这些通道在土中流动。水在土孔隙通道中流动的现象，叫做水的渗流；由于粗粒土资源丰富，多数水利水电工程均选择粗粒土筑坝，所以其渗透系数是土石坝工程中极为关注的特性。渗流参数的测试和选择，是一切渗流计算和分析的基础，随着渗流研究和工程应用的不断深化，对所取参数的要求更为精确。

粗粒土的渗透系数可以通过传统渗透仪直接测定其渗透系数，即常水头渗透测试试验，这种测试方法在室内的测试中使用广泛。但其存在以下问题：试样装入仪器内，传统垂直渗透仪器边壁为钢板，尤其对于粗粒土来说，不可能与仪器边壁很好结合，容易形成边壁通道，水直接沿边壁孔隙通道流出，造成试验成果失真，传统的边壁处理通常采用凡士林及橡皮泥等柔性阻水材料，每次试验需重新涂抹，重复操作增大试验工作量，而且试样振动密实的过程中，不断扰动涂抹层，容易产生离层，并未解决此类问题。传统的渗透仪装置由试样筒体、水位提水桶、测压管等组成，空间占据大，而且测压管排气不彻底，容易照成测得水头有误，而且测压管均直接与渗透仪试样筒壁连接，测得水头值由于边壁汇流或试样空隙串通，测得水头不准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种简易渗透仪，解决了现有技术中测定渗透系数的装置复杂，测试不准确的问题。

本发明所采用的第一种技术方案是，一种简易渗透仪，包括波纹伸缩套筒，波纹伸缩套筒加装在试样筒上，试样筒安置在基座上，波纹伸缩套筒与试样筒相连通；

波纹伸缩套筒包括波纹伸缩套管，沿波纹伸缩套管的内壁均匀固定有多个标尺杆、波纹伸缩套管的上端设置有一段延伸管，在延伸管上设有进水口和排水口；波纹伸缩套管内壁连接有套环，套环套在标尺杆上，波纹伸缩套管利用套环可沿着标尺杆上下移动；

试样筒包括钢套筒，钢套筒和波纹伸缩套管之间通过钢套筒法兰盘a与波纹伸缩套筒法兰盘固定连接，钢套筒和基座之间通过钢套筒法兰盘b与基座法兰盘固定连接；

钢套筒内设置有筒状橡胶膜，橡胶膜的上下边外翻后分别压在钢套筒法兰盘a与波纹伸缩套筒法兰盘、钢套筒法兰盘b与基座法兰盘之间；钢套筒的侧壁设置有注水孔，注水孔处设置有阀门，钢套筒下端固定连接有透水板；橡胶膜与钢套筒之间形成了一个橡胶膜后腔体；

基座包括支撑脚杆，透水板的下方设置有出流腔体，出流腔体设置于支撑脚杆内，出流腔体上设置有斜向下方的出流口，出流口连接有出流软管，出流腔体可用于接收经过透水板流出的液体。

本发明的特点还在于，

出流腔体的底部为斜面、出流口设置在出流腔体靠近底部位置。

排水口高于进水口。

标尺杆不少于4根，标尺杆沿波纹伸缩套管内壁均匀布置。

橡胶膜的外径为30cm，橡胶膜远离钢套筒的一侧为粗糙面，粗糙面绝对粗糙度大于1mm。

钢套筒法兰盘a与波纹伸缩套筒、钢套筒法兰盘b与基座法兰盘之间分别通过拧紧螺栓固定连接。

钢套筒内壁光滑，出流口连接有出流软管。

出流腔体的下部腔体壁与水平面之间夹角为15°。

本发明所采用的第二种技术方案是，一种渗透系数测定方法，采用一种简易渗透仪，具体操作步骤如下：

步骤1、试验准备：将橡胶膜套入钢套筒内，橡胶膜的边外翻到钢套筒法兰外侧，通过法兰盘连接基座、试样筒、波纹伸缩套筒，并压紧橡胶膜外翻边，通过注水孔向橡胶膜后腔体内注水后，关闭注水孔阀门，观测法兰处及橡胶膜是否漏水，确保完好无渗漏后，打开注水孔阀门，排除腔体内水；

步骤2、将粗粒土放在试样筒透水板上分层制样，制样完成后，保持出流软管的出水口与试样筒试样上表面齐平，从出流软管缓慢注水，注水水位上升速率小于2cm/h；试样饱和后，从注水孔向橡胶膜后腔体内注水，注水标准为，橡胶膜后腔体注满水挤压试样表面微微有水溢出，关闭注水孔阀门，记录注入水体积V_w；

步骤3、渗透试验

由进水口向波纹伸缩套管内注水，水位到达排水口后，水从排水口流出，维持渗流加压水头的稳定；通过调节波纹伸缩管长度调节试验水头h，波纹伸缩套管利用套环可沿着标尺杆上下移动；同时，试样筒内的水不断经粗粒土样向下渗流，经透水板汇集到出流腔体；

步骤4、渗透系数测定

渗透试验进行30min后，收集并量测出流软管的出流量，每次间隔10min，测读渗流量4次，待渗流量稳定后，取稳定后的渗流量平均值Q，读取标尺杆的试验水头读数h，通过

即可测得粗粒土试样的渗透系数k，其中A为修正后试样筒内腔面积，L为试样的高度，h为波纹伸缩套管内水位高度，t为渗流测试时间。

修正后的试样筒内腔面积

其中R为钢套筒内径；V_w为注入橡胶膜后腔体水的体积；a为橡胶膜厚度。

本发明的有益效果是：

(1)该发明装置可避免边壁绕流的影响，且构造简单，使用方便，减少设备的占用的空间，可准确快速的测定粗粒土的渗透系数。

(2)该发明装置无需测定试样内部水头值，避免了测压管测试时，由于制样不标准或不均匀，或者渗透仪边壁的空隙贯通，造成的测压管周围试验水头误差。

(3)该发明装置，波纹伸缩管套可以利用套环可沿着标尺杆上下移动，可以通过调整波纹伸缩套管的高度，改变试验水头值，进行多组试验水头条件下，渗透系数的测量，保障试验数据的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例的剖视结构示意图。

图2是图1的局部放大示意图。

图3是图1的局部放大示意图。

图中：1.标尺杆，2.进水口，3.排水口，4.波纹伸缩套，5.橡胶膜，6.钢套筒，7.注水孔，8.透水板，9.出流口，10.出流腔体，11.出流软管，12.支撑脚杆，13.拧紧螺栓，14.橡胶膜后腔体，16.套环。

具体实施方式

本发明的一种简易渗透仪，如图1-3所示，包括波纹伸缩套筒，波纹伸缩套筒加装在试样筒上，试样筒安置在基座上，波纹伸缩套筒与试样筒相连通；

波纹伸缩套筒包括波纹伸缩套管4，沿波纹伸缩套管4的内壁均匀固定有多个标尺杆1、波纹伸缩套管4的上端设置有一段延伸管，在延伸管上设有进水口2和排水口3；波纹伸缩套管4内壁连接有套环16，套环16套在标尺杆1上，波纹伸缩套管4利用套环16可沿着标尺杆1上下移动；

试样筒包括钢套筒6，钢套筒6和波纹伸缩套管4之间通过钢套筒法兰盘a与波纹伸缩套筒法兰盘固定连接，钢套筒6和基座之间通过钢套筒法兰盘b与基座法兰盘固定连接；

钢套筒6内设置有筒状橡胶膜5，橡胶膜5的上下边外翻后分别压在钢套筒法兰盘a与波纹伸缩套筒法兰盘、钢套筒法兰盘b与基座法兰盘之间；钢套筒6的侧壁设置有注水孔7，注水孔7处设置有阀门，钢套筒6下端固定连接有透水板8；橡胶膜5与钢套筒6之间形成了一个橡胶膜后腔体14；

基座包括支撑脚杆12，透水板8的下方设置有出流腔体10，出流腔体10设置于支撑脚杆12内，出流腔体10上设置有斜向下方的出流口9；出流腔体的底部为斜面、出流口设置在出流腔体10斜向下靠近底部位置，出流口9连接有出流软管11。

钢套筒6与支撑脚杆12的下端通过钢套筒法兰盘b与基座法兰盘相连接。

排水口3高于进水口2。

标尺杆1不少于4根，标尺杆1沿波纹伸缩套管4内壁均匀布置。

橡胶膜5的外径为30cm，胶膜5远离钢套筒的一侧为粗糙面，粗糙面的绝对粗糙度大于1mm。

钢套筒法兰盘a与波纹伸缩套筒、钢套筒法兰盘b与基座法兰盘之间分别通过拧紧螺栓13固定连接。

钢套筒6内壁光滑。

出流腔体的下部腔体壁与水平面之间夹角为15°。

出流腔体10的底部为斜面、出流口9设置在出流腔体10靠近底部位置，有利于水快速完全排出装置。

一种渗透系数测定方法，具体操作步骤如下：

步骤1、试验准备：将橡胶膜5套入钢套筒6内，橡胶膜5的边外翻到钢套筒法兰外侧，通过法兰盘连接基座、试样筒、波纹伸缩套筒，并压紧橡胶膜外翻边，通过注水孔7向橡胶膜后腔体14内注水后，关闭注水孔阀门，观测法兰处及橡胶膜是否漏水，确保完好无渗漏后，打开注水孔阀门，排出橡胶膜后腔体14内的水；

步骤2、将粗粒土放在试样筒透水板上分层制样，制样完成后，保持出流软管11的出水口与试样筒试样上表面齐平，从出流软管11缓慢注水，注水水位上升速率小于2cm/h；试样饱和后(出流软管的水不能再进入试样内)，从注水孔7向橡胶膜后腔体14内注水，注水标准为，橡胶膜后腔体注满水挤压试样，使得饱和试样顶部液面有水溢出，关闭注水孔阀门，记录注入水体积V_w；

步骤3、渗透试验

由进水口2向波纹伸缩套管内注水，水位到达排水口3后，水从排水口3流出，维持渗流加压水头的稳定；通过调节波纹伸缩管长度调节试验水头h，波纹伸缩套管4利用套环16可沿着标尺杆1上下移动；同时，试样筒内的水不断经粗粒土样向下渗流，经透水板8汇集到出流腔体10；

步骤4、渗透系数测定

渗透试验进行30min后，收集并量测出流软管11的出流量，每次间隔10min，测读渗流量4次，待渗流量稳定后，取稳定后的渗流量平均值Q，读取标尺杆的试验水头读数h，通过

即可测得粗粒土试样的渗透系数k，其中A为修正后试样筒内腔面积，L为试样的高度，h为波纹伸缩套管内水位高度，t为渗流测试时间。

修正后的试样筒内腔面积

其中R为钢套筒内径；V_w为注入橡胶膜后腔体水的体积；a为橡胶膜厚度。

本发明的测试原理是：

对于橡胶膜与钢套筒之间，橡胶膜与试样之间的空隙，在钢套筒与橡胶膜之间压入水，由于水的不可压缩性和可流动性，使得橡胶膜能挤密的贴合试样表面，避免了试样与钢套筒边壁的空隙绕流。

水在土中流动遵从伯努利能量方程，根据该方程，相对于任意确定的基准面，土中一点的总水头H为：

H＝Z+h_p+h_v

公式中：Z——位置水头，即土中任一点与基准面的高度；

h_p——压力水头，即土中任一点处开口测压管的液柱高度；

h_v——动水头，即土中任一点水流动能转化成测压管水头高度。

由于动水头h_v与速度平方成正比，水在土中渗流的速度一般很小，可忽略，则总水头H＝Z+h_p。

在本发明中，由于试样上表面的自由液面厚度为排水口处标尺杆读数h，故静水压力h_p1为h，取试样底部为基准面高度，试样装填高度为L，上表面总水头H₁近似等于位置水头Z₁与静水压力h之和，即H₁≈L+h；在试样下表面由于出流软管口与试样顶面齐平且液体自由流出，其静水压力为L，取试样底部为基准面高度，故其位置水头Z₂＝0，由于动水头h_v与速度平方成正比，水在土中渗流的速度一般很小，可忽略，则下表面动水头h_v2≈0，下表面总水头H₂近似等于静水压力L，即H₂≈L。故试样上下表面的水头损失Δh＝H₁-H₂≈h，试样的水力坡降i＝h/L，h为波纹伸缩套筒排水口处标尺杆读数。

由达西定律可得试样的渗透系数：

修正后的试样筒内腔面积

其中R为钢套筒内径；V_w为注入橡胶膜后腔体水的体积；a为橡胶膜厚度。

Claims (4)

1.一种渗透系数测定方法，其特征在于，采用一种简易渗透仪，所述简易渗透仪包括波纹伸缩套筒，所述波纹伸缩套筒加装在试样筒上，所述试样筒安置在基座上，所述波纹伸缩套筒与试样筒相连通；

所述波纹伸缩套筒包括波纹伸缩套管（4），沿所述波纹伸缩套管（4）的内壁均匀固定有多个标尺杆（1）、所述波纹伸缩套管（4）的上端设置有一段延伸管，在所述延伸管上设有进水口（2）和排水口（3）；所述波纹伸缩套管（4）内壁连接有套环（16），所述套环（16）套在标尺杆（1）上；

所述试样筒包括钢套筒（6），所述钢套筒（6）和波纹伸缩套管（4）之间通过钢套筒法兰盘a与波纹伸缩套筒法兰盘固定连接，所述钢套筒（6）和基座之间通过钢套筒法兰盘b与基座法兰盘固定连接；

所述钢套筒（6）内设置有筒状橡胶膜（5），所述橡胶膜（5）的上下边外翻后分别压在钢套筒法兰盘a与波纹伸缩套筒法兰盘、钢套筒法兰盘b与基座法兰盘之间；所述钢套筒（6）的侧壁设置有注水孔（7），所述注水孔（7）处设置有阀门；所述钢套筒（6）下端固定连接有透水板（8）；所述橡胶膜（5）与钢套筒（6）之间形成了一个橡胶膜后腔体（14）；

所述基座包括支撑脚杆（12），所述透水板（8）的下方设置有出流腔体（10），所述出流腔体（10）设置于支撑脚杆（12）内，所述出流腔体（10）上设置有斜向下方的出流口（9），所述出流口（9）连接有出流软管（11）；

所述排水口（3）高于进水口（2）；

所述标尺杆（1）不少于4根，所述标尺杆（1）沿所述波纹伸缩套管（4）内壁均匀布置；

所述出流腔体（10）的下部腔体壁与水平面之间夹角为15°；

其中，渗透系数测定方法具体操作步骤如下：

步骤1、试验准备：将橡胶膜（5）套入钢套筒（6）内，橡胶膜（5）的边外翻到钢套筒法兰外侧，通过法兰盘连接基座、试样筒、波纹伸缩套筒，并压紧橡胶膜外翻边，通过注水孔（7）向橡胶膜后腔体（14）内注水后，关闭注水孔阀门，观测法兰处及橡胶膜是否漏水，确保完好无渗漏后，打开注水孔阀门，排出橡胶膜后腔体（14）内的水；

步骤2、将粗粒土放在试样筒透水板上分层制样，制样完成后，保持出流软管（11）的出水口与试样筒试样上表面齐平，从出流软管（11）缓慢注水，注水水位上升速率小于2cm/h；试样饱和后，从注水孔（7）向橡胶膜后腔体（14）内注水，注水标准为，橡胶膜后腔体注满水挤压试样，使得饱和试样顶部液面有水溢出，关闭注水孔阀门，记录注入水体积V _w ；

步骤3、渗透试验

由进水口（2）向波纹伸缩套管内注水，水位到达排水口（3）后，水从排水口（3）流出，维持渗流加压水头的稳定；通过调节波纹伸缩管长度调节试验水头h，波纹伸缩套管（4）利用套环（16）可沿着标尺杆（1）上下移动；同时，试样筒内的水不断经粗粒土样向下渗流，经透水板（8）汇集到出流腔体（10）；

步骤4、渗透系数测定

渗透试验进行30min后，收集并量测出流软管（11）的出流量，每次间隔10min，测读渗流量4次，待渗流量稳定后，取稳定后的渗流量平均值Q，读取标尺杆的试验水头读数h，通过

即可测得粗粒土试样的渗透系数k，其中A为修正后试样筒内腔面积，L为试样的高度，h为波纹伸缩套管内水位高度，t为渗流测试时间；

修正后的试样筒内腔面积

，其中R为钢套筒内径；

为注入橡胶膜后腔体水的体积；a为橡胶膜厚度。

2.根据权利要求1所述的一种渗透系数测定方法，其特征在于，所述橡胶膜（5）远离钢套筒的一侧为粗糙面，所述粗糙面绝对粗糙度大于1mm。

3.根据权利要求1所述的一种渗透系数测定方法，其特征在于，所述钢套筒法兰盘a与波纹伸缩套筒、钢套筒法兰盘b与基座法兰盘之间分别通过拧紧螺栓（13）固定连接。

4.根据权利要求1所述的一种渗透系数测定方法，其特征在于，所述出流腔体（10）的底部为斜面， 出流口设置在出流腔体（10）靠近底部位置。

Images